离心机粒子分布检测的无线阻抗层析成像系统开发及实验验证

摘要

离心机是分离不同性质颗粒的一种分离机器，为了提高分离效率，那么一种能够对离心机内粒子分布成像的技术是很有必要的。通过对比，本文选用电阻抗层析成像(EIT)技术，其特点是设备成本低，具有实时性、非侵入性、可视化、分辨率较高。EIT成像技术最初是应用在生物组织的检测中，但是应用于工业中，则要求成像硬件系统具有小型化、便携化、无线传输数据的特点。基于以上考虑，开发了一种基于Red Pitaya STEMlab的EIT成像系统，最终达到识别物质的位置和识别两种不同物质的目的。 EIT系统的设计包括两部分，即硬件部分和软件部分。硬件部分的目的是测量物理场域内电极的电压。硬件采用模块化设计，包括Red Pitaya STEMlab开发板、电压控制电流源模块、模拟多路复用器模块、8电极传感器水槽和个人电脑。软件部分主要解决了EIT系统的正问题和逆问题。正问题就是求解灵敏度矩阵的问题，逆问题是根据灵敏度矩阵和硬件部分测量的电压数据进行计算物理场域内电导率的分布，从而根据计算的电导率分布进行图像重建。本文选用图像相关IC和电压误差UE作为图像重建质量评价标准。图像重建算法采用广义矢量模式匹配法(GVSPM)和Tikhonov正则化这两种图像重建算法，通过仿真和实验验证，Tikhonov正则化算法的图像重建质量更高。 本文首先通过单组分分布成像的实验，验证了本系统可以在200KHz的频率范围内进行清晰成像出物质的位置，满足EIT系统对工业中的测量要求。然后，通过研究电化学阻抗谱(EIS)分析方法结合EIT仿真，仿真结果表明寻找各物质之间最大差异频率为其对应物质的图像重建频率，然后进行多频图像叠加，得到最终的双组分分布图像。最后，通过实验验证，从双组分分布实验的图像重建结果来看，此分析方法是可行的，可用于多组分分布成像检测。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外发展现状

（1）英国谢菲尔德（Sheffield）大学研究小组

（2）英国其他研究小组

（4）国内研究现状

1.3 面临问题及难点

1.4 论文主要内容及各章安排

第2章 EIT系统理论基础

2.1 EIT系统成像的基本原理及数学描述

2.2 EIT系统的正问题

2.2.1 EIT系统的信号激励与测量策略

2.2.2 EIT系统的正问题求解

2.3 EIT系统的逆问题

2.3.1 GVSPM算法

2.3.2 Tikhonov正则化算法

2.3.3 图像质量评价标准

2.4 本章小结

第3章 EIT系统的硬件设计

3.1 EIT硬件系统组成

3.2Red Pitaya

3.3 电压控制电流源模块设计

3.3.1 双运放电流源

3.3.2 改进型Howland电流源

3.4 传感器电极设计

3.5 模拟多路复用器模块设计

3.6 与LCR测试仪对比验证实验

3.7 本章小结

第4章 EIT系统单组分分布成像及研究

4.1 EIT系统单组分仿真分布成像及分析

4.1.1 仿真的建模及求解过程

4.1.2 单组分图像重建仿真模型

4.1.3 单组分图像重建仿真的条件、方法及图像评价

4.1.4 单组分图像重建仿真结果及分析

4.2 EIT系统单组分实验分布成像及分析

4.3 验证开发EIT系统的可靠性

4.3.1 单组分多频成像实验

4.3.2 LCR测试仪实验

4.4 本章小结

第5章 EIT系统双组分分布成像及研究

5.1 EIS理论研究

5.2 双组分分布仿真研究

5.2.1 仿真模型建立及条件设置

5.2.2 仿真结果及分析

5.2.3 仿真结果图像重建及分析

5.3 双组分分布实验验证

5.3.1 实验材料及设备

5.3.2 实验条件设置及方法

5.3.3 实验结果及分析

5.3.4 实验结果图像重建及分析

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间主要研究成果