馬 敏， 陸成超， 江 鋒

(中國民航大學(xué) 航空自動化學(xué)院，天津 300300)

基于ECT系統(tǒng)的信號完整性分析*

馬 敏， 陸成超， 江 鋒

(中國民航大學(xué) 航空自動化學(xué)院，天津 300300)

為了進(jìn)一步提高電學(xué)層析成像(ECT)采集系統(tǒng)的測量精度，分析研究了ECT信號的完整性對測量結(jié)果的影響。針對測量電容信號微弱、值在pF級別的特點(diǎn)，設(shè)計出一種考慮信號完整性的ECT采集系統(tǒng)，其傳感器占空比為81 %。利用上述系統(tǒng)來分析信號完整性對測量結(jié)果的影響。實(shí)驗結(jié)果表明：當(dāng)正弦激勵信號的峰峰值為18.7 V時，采集到的最大信號經(jīng)過電流/電壓(C/V)轉(zhuǎn)換后的電壓峰峰值為921 mV，與理論計算結(jié)果基本吻合；運(yùn)用靈敏度矩陣系數(shù)算法，在PC上得出了清晰的ECT圖像。表明該測量系統(tǒng)滿足精度要求。

電學(xué)層析成像采集系統(tǒng)； 信號完整性； 占空比； 電流/電壓轉(zhuǎn)換； 靈敏度矩陣系數(shù)算法

0 引 言

電學(xué)層析成像(electrical capacitance tomography，ECT)是目前電學(xué)成像技術(shù)最為成熟的一種工作模態(tài)。由于ECT成像的辨識率和實(shí)時性較高，滿足了實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中對兩相流可視化測量的要求。

ECT成像技術(shù)作為一種非侵入、無輻射、快速響應(yīng)的過程層析成像技術(shù)在工業(yè)過程參數(shù)可視化的檢測應(yīng)用中已成為一項極具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)[1]。但是ECT系統(tǒng)的傳感器電極是成環(huán)形地均勻分配在測量管道上，測量的對象是物場的電容，其值的大小在pF級。當(dāng)激勵傳感器的某個電極時，測量電極的電壓幅值信號就會很微弱。另外，測量電壓幅值的最大值和最小值之間相差達(dá)到十幾倍之多，再加上系統(tǒng)的信號采集過程中往往伴有干擾，這嚴(yán)重制約了該技術(shù)測量的精度，給ECT成像帶來困難，有時候甚至得不到圖像，或者得到的圖像偽影很多，圖像不清晰[2]。

針對測量精度不準(zhǔn)的事實(shí)和ECT圖像偽影多的問題，為了得到更加清晰的ECT圖像，使其成像質(zhì)量進(jìn)一步提高，本文通過分析電流/電壓(C/V)轉(zhuǎn)換電路的原理，提出一種融合PCB信號完整性的方法，即阻抗匹配，減少激勵信號線串?dāng)_，降低地彈效應(yīng)[3]。本系統(tǒng)的檢測能夠滿足實(shí)時成像的要求，可以應(yīng)用到氣固兩相流的檢測設(shè)備當(dāng)中。

1 檢測原理與采集電路結(jié)構(gòu)

ECT系統(tǒng)的工作原理是：非導(dǎo)電物質(zhì)內(nèi)介質(zhì)分布變化引起電容值的變化，利用測量電容值的變化來重建物場內(nèi)的介質(zhì)分布情況，最后從重建圖像信息中提取兩相流的相關(guān)參數(shù)，達(dá)到實(shí)時監(jiān)測控制的目的[4]。如圖1所示，16電極的環(huán)形傳感器中的物場在500 kBZ的激勵信號下，通過控制激勵測量開關(guān)，采集物場信息并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后通過現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)將信號的幅值信息解調(diào)出來。最后，借助靈敏度系數(shù)矩陣成像算法將物場信息的圖像呈現(xiàn)在PC上[5]。

2 系統(tǒng)信號完整性的分析

2.1 USB信號的反射處理

圖2所示為傳輸線反射模型，Vs和Zs分別為驅(qū)動源電壓和內(nèi)阻，Z0為傳輸線特征阻抗，Zt為負(fù)載阻抗。它們之間的關(guān)系如下

(1)

(2)

式中 ρ為反射系數(shù)。當(dāng)驅(qū)動器發(fā)射一個信號進(jìn)入傳輸線時，A點(diǎn)電壓Vi取決于驅(qū)動源電壓，內(nèi)阻和傳輸線的特征阻抗。這個電壓將沿著傳輸線傳播到負(fù)載端。若傳輸線末端負(fù)載阻抗與線的特征阻抗相等，則反射為0；若傳輸線末端負(fù)載阻抗與線特征阻抗不相等，則會有反射現(xiàn)象發(fā)生[6]。

圖2 傳輸線反射模型Fig 2 Reflection model for transmission line

根據(jù)以上結(jié)論，F(xiàn)PGA將信號寫入USB的接口芯片時，由于寫入速度高達(dá)480 Mbps，須使傳輸線特征阻抗與信號的源端阻抗和負(fù)載阻抗匹配，否則信號會發(fā)生反射。如圖3所示，電路中FPGA端串入100 Ω電阻器來完成阻抗匹配，從而降低信號的反射程度。

圖3 Jog走線方式Fig 3 Wiring way of Jog

2.2 ECT系統(tǒng)串?dāng)_

在PCB中，串?dāng)_是指信號在傳輸線上傳播時，因電磁能量耦合對相鄰的傳輸線產(chǎn)生的不期望的噪聲干擾，它是由不同結(jié)構(gòu)引起的電磁場在同一區(qū)域里的相互租用而產(chǎn)生的。過多串?dāng)_，會改變總線中單根傳輸線的性能，比如傳輸線特征阻抗和傳輸速度等，從而影響系統(tǒng)時序和信號完整性；再者，串?dāng)_會將噪聲感應(yīng)耦合到其它的傳輸線上，這將進(jìn)一步降低信號完整性，導(dǎo)致噪聲裕量變小。由于串?dāng)_帶來諸多不利，故系統(tǒng)中采取了一些措施來抑制串?dāng)_的影響。

在布線資源允許的情況下，應(yīng)該盡可能地拉開線間距(差分信號線除外)，并減少兩根或者多根信號線的平行長度，必要時可以采取如圖3的Jog式走線[7]，即對于平行長度很長的兩根信號線，在布線時可以間斷式地將間距拉開。這樣既可以節(jié)省緊張的布線資源，又可以有效地抑制串?dāng)_。在ECT系統(tǒng)的底部PCB板上，由于兩根平行線的平行長度很長，因此，兼容了以上幾種方法的布線方式，既將線的間距拉寬到原來的2倍，又同時采用Jog走線的方式，收到了良好的效果。

3 實(shí)驗結(jié)果

如圖4所示為ECT采集系統(tǒng)工作圖。

圖4 ECT采集系統(tǒng)工作圖Fig 4 Working diagram of ECT collecting system

通過實(shí)驗，證明了信號完整性對ECT系統(tǒng)的重要性。實(shí)驗中,玻璃棒的介電常數(shù)ε=3.5，直徑有兩種，分別為d0=3.5 cm，d1=7.5 cm。分別在ECT傳感器管道中放入1，2，3根玻璃棒。將ECT采集到的數(shù)據(jù)，在Matlab中應(yīng)用靈敏度矩陣系數(shù)法，得出了信噪比為84 dB的圖像。如圖5所示。激勵信號的頻率為500 kBZ，為了保證系統(tǒng)成像的實(shí)時性，成像算法采用的是靈敏度系數(shù)矩陣法，但是系統(tǒng)的成像精度就會降低，這是由于算法本身的特點(diǎn)決定的。

圖5 成像效果圖Fig 5 Imaging effect diagram

圖5中，圖像清晰可見，將塑料玻璃棒在管道當(dāng)中的橫截面圖清晰地呈現(xiàn)出來。但由于系統(tǒng)采集到的信號比較弱，不可避免地會受到周圍環(huán)境的影響，加之算法本身的病

態(tài)性，致使圖像出現(xiàn)偽影，玻璃棒的截面圖不是完全的圓形，而是出現(xiàn)橢圓的形狀。

4 結(jié) 論

ECT采集系統(tǒng)可將玻璃棒的圖像清晰地呈現(xiàn)在PC的界面當(dāng)中?？紤]ECT系統(tǒng)信號完整，與激勵信號相鄰的測量信號經(jīng)過C/V轉(zhuǎn)換后的電壓幅值由原來的11.5 V降為921 mV，受激勵信號的影響明顯下降。從而得到清晰的ECT圖像，證明了ECT系統(tǒng)信號完整性對采集系統(tǒng)的精度的影響確實(shí)很大。

[1] 彭珍瑞，殷 紅，董海棠.電容層析成像技術(shù)的研究現(xiàn)狀綜述[J].傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(9):5-9.

[2] 何永勃.電阻抗(ECT/ERT)雙模態(tài)層析成像技術(shù)研究[D].天津：天津大學(xué)，2006.

[3] 李小平.高速PCB的信號完整性、電源完整性和電磁兼容性研究[D].成都：四川大學(xué)，2005.

[4] 馬 敏，周苗苗，李新建.基于ECT技術(shù)的航空發(fā)動機(jī)尾氣監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015，34(5): 88-91.

[5] 崔自強(qiáng).數(shù)字化雙模態(tài)(ECT/ERT)系統(tǒng)設(shè)計[D].天津：天津大學(xué)，2007.

[6] 陳建華. PCB傳輸線信號完整性及電磁兼容特性研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

[7] 張木水. 高速電路電源分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與電源完整性分析[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

Analysis on signal integrity based on ECT system*

MA Min， LU Cheng-chao， JIANG Feng

(College of Aerospace Automation,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China)

In order to further improve measuring precision of electrical capacitance tomography(ECT)acquiring system,analyze and research on effect of integrity of ECT signal on measurement results.Aiming at characteristics of weak measuring capacity signal, and the value is in pF level,an ECT acquisition system designed considering signal integrity,duty ratio of sensor is 81 %.Then,the above system is used to analyze the effect of signal integrity on measured results.Experimental results show that when the peak-to-peak value of sine excitation signal is 18.7 V,after current voltage(C/V)conversion,the voltage peak-to-peak value of the collected biggest signal is 921 mV,which is consistent with the theoretical calculation results;by using sensitivity matrix coefficient algorithm, clear ECT images are obtained on PC.The results show that the system meets the requirements of measurement precision of system.

ECT acquisition system; signal integrity; duty ratio; current/voltage(C/V) conversion; sensitivity matrix coefficient algorithm

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0030—02

2015—11—02

國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目(61102096，61401466)；中國民航大學(xué)中央高校基金資金項目(ZXH2012D002)

TP 212.9

A

1000—9787(2016)07—0030—02

馬 敏(1971-)，女，安徽霍邱人，教授，主要從事過程參數(shù)檢測和信息處理技術(shù)方面的研究工作。