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基于FPGA的磁感应式电导率测量系统研究

作　者: 黑吉昌
导　师: 柯丽
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 磁感应测量技术电导率测量 FPGA 激励源相位检测
分类号: TM934.16
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

电磁特性是金属和电介质溶液等具有导电特性物质的重要性质,在物质含量变化的过程中将会有着明显的改变。电磁感应测量技术以及电磁层析成像技术能够获得目标导体的电导率信息,而且在测量时具有非接触和非侵入的特点,既避免了因接触而产生的测量误差,又扩大了电磁感应测量技术的应用领域,使其在工业、医疗、食品安全和产品质量检测领域都有着广泛的应用和发展前景。本文根据电磁感应测量原理,以FPGA为核心,设计了集激励源和鉴相模块于一体的磁感应式电导率测量系统,实现了对目标导体电导率的测量。主要工作包括：1、研究了电磁层析成像理论和电磁感应测量技术,确定了系统的激励-检测双侧双线圈模型,并且根据模型对激励线圈和检测线圈的不同要求,设计了能够提场强较大的激励线圈和足够灵敏的检测线圈。2、根据数字频率合成技术(DDS),以FPGA为核心,经过功能仿真和时序仿真,得到了较理想的正弦信号,并采用了两级放大和椭圆低通滤波器,实现了高稳定度的信号发生器,作为磁感应电导率测量系统的激励源。3、采用时间差计数法和锁相环技术,设计了系统的鉴相功能模块,实现了相位差的高精度测量。4、使用RS232串口通信技术,实现了FPGA系统与上位机的通信,并利用LabVIEW软件,设计了操作方便的上位机控制界面,实现了对系统参数的方便设置和结果显示。最后,以不同几何尺寸和不同电导率的盐溶液作为目标导体,分别进行了场域的敏感性分布分析、被测物体电导率与相位差的关系研究,以及系统对目标几何尺寸的分辨力的研究,测量结果均与电磁场理论相符,表明本系统可以实现非接触的导体电导率进行测量。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-17
  1.1 电导率测量的背景及意义  10-11
  1.2 非接触式电导率测量的方法  11-12
  1.3 国内外发展现状  12-16
    1.3.1 磁感应测量技术在工业领域的发展  12-13
    1.3.2 磁感应测量技术在生物医学工程领域的发展  13-16
  1.4 本文主要任务及结构安排  16-17
第二章磁感应式电导率测量系统的总体设计  17-24
  2.1 磁感应式电导率测量系统模型的选择  17-18
  2.2 双侧双线圈检测模型的基本原理  18-20
  2.3 激励与检测线圈设计  20-21
  2.4 磁感应式电导率测量系统的总体结构  21-23
  2.5 本章小结  23-24
第三章激励源的设计  24-42
  3.1 EDA工具介绍  24-28
    3.1.1 可编程逻辑器件简介  24-25
    3.1.2 Cyclone系列器件简介  25-26
    3.1.3 硬件描述语言  26-27
    3.1.4 FPGA的设计方法  27-28
  3.2 激励源的设计  28-41
    3.2.1 累加器的设计  29-30
    3.2.2 查找表的设计  30-35
    3.2.3 分段式DAC的应用  35-38
    3.2.4 椭圆滤波器的设计  38
    3.2.5 放大模块的设计  38-41
  3.3 本章小结  41-42
第四章鉴相模块的设计  42-54
  4.1 鉴相模块的设计  42-46
  4.2 串口通信  46-49
  4.3 上位机控制界面设计  49-53
  4.4 本章小结  53-54
第五章实验与结果分析  54-63
  5.1 DDS性能测试  54-56
  5.2 鉴相模块功能验证  56-57
  5.3 被测物体电导率与相位差关系的研究  57-60
  5.4 对目标几何尺寸分辨力的分析  60
  5.5 场域敏感性分布的分析  60-62
  5.6 本章小结  62-63
第六章结论  63-64
参考文献  64-67
在学研究成果  67-68
致谢  68

基于FPGA的磁感应式电导率测量系统研究

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