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基于CDC的微小电容检测方法研究及其在ECT的应用

基于CDC的微小电容检测方法研究及其在ECT的应用

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作者：崔学涛东北大学

学位级别：硕士

电容数字转换器(Capacitance digital converter,CDC)是专为激励电容式触摸传感器设计,具有低功耗、高集成度、高精度测量的特点,已成为消费电子领域中电容传感器应用的主流产品。由于CDC只能测量来自单电极传感器的电容变化,如何实现CD... 详细信息

电容数字转换器(Capacitance digital converter,CDC)是专为激励电容式触摸传感器设计,具有低功耗、高集成度、高精度测量的特点,已成为消费电子领域中电容传感器应用的主流产品。由于CDC只能测量来自单电极传感器的电容变化,如何实现CDC技术在多极板切换微小电容检测中的工业应用已引起各国研究人员的广泛兴趣。电容层析成像(Electrical capacitance tomography,ECT)是一种基于各极板对间的微小电容变化测量值进行图像重建的技术。因此,以ECT数据采集系统为应用对象,研究CDC技术在工业中应用具有普遍意义。结合ECT系统极板对间电容值数据特点,选取ADI公司的AD7747芯片,针对CDC技术单极板传感器测量及量程小等问题,研究基于CDC技术的ECT数据采集系统。本文主要工作包括:(1)研究了电容检测系统的基本原理,结合ECT系统设计需求,完成基于数字电容转换器的ECT容检测系统的设计方案;(2)采用有限元分析软件ANSYS,分析了基于有源保护极板的ECT电容传感器的输出特性,以电容灵敏度输出为优化目标,进行电容传感器的优化设计,并进行ECT电容传感器的制作;(3)研究数字电容转换器的检测原理,结合AD7747设计硬件电路,包括AD7747的扩容电路、极板切换电路、电容检测与处理电路、上位机与下位机通讯电路、串行整体方案、并行整体方案,制作了电路板并进行调试;(4)研究ECT成像的基本原理,并成功设计相应的下位机采集程序,包括完成8极板电容切换的设计,AD7747的通讯与设置、AD7747的数据采集等程序;(5)在LabVIEW开发环境下完成了上位机软件平台的开发,完成数据处理,数据传输,数据起始字节的建立,数据数字量到模拟量的处理,归一化,阈值设定,成像的相应Mat lab等程序;(6)搭建完成基于CDC的ECT成像检测系统,在实验室条件下,完成进行ECT电容层析成像的实验研究:系统的参数截面分辨率达到15%。并利用系统实现对截面积为管道截面20%以上含有无水石膏棒时,重建图像的占空比与被测介质实际占空比之差不超过20%。

关键词：电容层析成像电容数字转换器 AD7747 扩容电路成像算法

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