【摘 要】
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ERT技术具有低成本、非入侵和响应速度快等特点,是目前两/多相流检测领域的研究热点之一。三维ERT系统实现对被测物场三维信息的检测,解决了二维ERT系统对物场中离散相的几何形状、相对位置、空间分布等三维信息提取不足,具有重要的研究价值。目前三维ERT系统普遍存在着测量精度低和实时性差的问题,其严重降低了重建图像质量。本文以三维ERT测量系统为研究对象,针对三维ERT系统极板边界电压微弱、动态范围大
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ERT技术具有低成本、非入侵和响应速度快等特点,是目前两/多相流检测领域的研究热点之一。三维ERT系统实现对被测物场三维信息的检测,解决了二维ERT系统对物场中离散相的几何形状、相对位置、空间分布等三维信息提取不足,具有重要的研究价值。目前三维ERT系统普遍存在着测量精度低和实时性差的问题,其严重降低了重建图像质量。本文以三维ERT测量系统为研究对象,针对三维ERT系统极板边界电压微弱、动态范围大且信噪比低的问题,从提高ERT系统压控电流源带负载能力、系统测量精度和数据采集速度等方面,完成了三维电阻层析成像系统的设计。并在此基础上,搭建了三维ERT系统实验平台,实现了对物场内三维信息的采集并进行了相关实验和分析。本文主要完成工作如下:（1）针对三维ERT系统前端数据采集量大且需要快速处理、极板切换逻辑复杂以及图像重建算法结构复杂的特点,采用单一的控制方式难以满足系统实时性和稳定性的要求,本文提出基于FPGA和DSP的三维ERT系统控制方案,实现对系统最优的控制,FPGA主要完成前端数据处理和底层逻辑控制,DSP主要完成数据传输、复杂成像算法实现以及与上位机通讯等功能。（2）为解决相邻层和相间层极板测量电压微弱,系统采集难度高的问题,本文基于仿真软件EIDORS构建了 ERT传感器的三维仿真模型,分析了不同激励电流大小对极板边界电压和敏感场的影响,提出通过增加激励电流强度的方法来提高极板边界电压。同时,通过对传感器极板数量和极板宽度对重建图像质量的影响进行了分析,确定了系统3层16电极的传感器结构。（3）针对传统压控电流源的带负载能力弱无法满足三维ERT测量需求的问题,本文基于Howland拓扑结构电路,通过对Howland电流源的性能特点的分析,提出改进型Howland电路可满足系统所需压控电流源的性能要求。针对Howland电流源实际调试复杂且其性能易受到自身及外界因素干扰的特点,本文对改进型Howland电流的参数特性和影响其性能的关键因素进行了分析,完成了以运放AD8620为核心压控电流源的设计。（4）针对三维ERT系统的测量信号微弱、动态范围大且系统采样精度要求高的特点,设计了前置放大模块、PGA放大模块、带通滤波器以提高测量电压的信噪比。为满足不同截面极板之间的频繁切换,采用模拟开关MAX306实现了极板选通模块的设计。针对三维ERT系统对激励信号输出精度高的要求,本文完成了基于FPGA的信号激励源的设计,实现对输出信号幅值和相位的精确控制,同时也确保了信号数字解调的精度。（5）针对传统模拟乘法器解调方式已成为进一步提高系统测量精度和实时性的瓶颈,提出并且设计了基于FPGA的正交序列数字解调方式,实现系统的实时性和测量精度的提高。基于对硬件测量系统的设计,完成了 ERT软件控制系统的设计,主要包括FPGA程序设计、DSP程序设计、USB通讯模块设计以及基于LabVIEW上位机数据处理与显示平台的设计。搭建三维ERT系统实验平台,完成了硬件系统制作与调试和对软件系统的编程与测试。同时对激励源信号的稳定性、系统测量通道一致性等做了相关测试。经实验验证,本三维ERT系统可有效的实现对物场二维和三维的信息的采集,其中系统完成一帧三维图像数据采集的速率为35帧/秒,一帧二维图像数据采集的速率为100帧/秒;压控电流源带负载能力为3988.2Ω（输出电流幅值在1%范围波动）,满足其测量所需带负载能力为3kΩ的要求。
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