基于ECT系统的信号完整性分析*

马 敏， 陆成超， 江 锋

(中国民航大学 航空自动化学院，天津 300300)

基于ECT系统的信号完整性分析*

马 敏， 陆成超， 江 锋

(中国民航大学 航空自动化学院，天津 300300)

为了进一步提高电学层析成像(ECT)采集系统的测量精度，分析研究了ECT信号的完整性对测量结果的影响。针对测量电容信号微弱、值在pF级别的特点，设计出一种考虑信号完整性的ECT采集系统，其传感器占空比为81 %。利用上述系统来分析信号完整性对测量结果的影响。实验结果表明：当正弦激励信号的峰峰值为18.7 V时，采集到的最大信号经过电流/电压(C/V)转换后的电压峰峰值为921 mV，与理论计算结果基本吻合；运用灵敏度矩阵系数算法，在PC上得出了清晰的ECT图像。表明该测量系统满足精度要求。

电学层析成像采集系统； 信号完整性； 占空比； 电流/电压转换； 灵敏度矩阵系数算法

0 引 言

电学层析成像(electrical capacitance tomography，ECT)是目前电学成像技术最为成熟的一种工作模态。由于ECT成像的辨识率和实时性较高，满足了实际应用当中对两相流可视化测量的要求。

ECT成像技术作为一种非侵入、无辐射、快速响应的过程层析成像技术在工业过程参数可视化的检测应用中已成为一项极具发展潜力的技术[1]。但是ECT系统的传感器电极是成环形地均匀分配在测量管道上，测量的对象是物场的电容，其值的大小在pF级。当激励传感器的某个电极时，测量电极的电压幅值信号就会很微弱。另外，测量电压幅值的最大值和最小值之间相差达到十几倍之多，再加上系统的信号采集过程中往往伴有干扰，这严重制约了该技术测量的精度，给ECT成像带来困难，有时候甚至得不到图像，或者得到的图像伪影很多，图像不清晰[2]。

针对测量精度不准的事实和ECT图像伪影多的问题，为了得到更加清晰的ECT图像，使其成像质量进一步提高，本文通过分析电流/电压(C/V)转换电路的原理，提出一种融合PCB信号完整性的方法，即阻抗匹配，减少激励信号线串扰，降低地弹效应[3]。本系统的检测能够满足实时成像的要求，可以应用到气固两相流的检测设备当中。

1 检测原理与采集电路结构

ECT系统的工作原理是：非导电物质内介质分布变化引起电容值的变化，利用测量电容值的变化来重建物场内的介质分布情况，最后从重建图像信息中提取两相流的相关参数，达到实时监测控制的目的[4]。如图1所示，16电极的环形传感器中的物场在500 kBZ的激励信号下，通过控制激励测量开关，采集物场信息并将其转换成电压信号，然后通过现场可编程门阵列(FPGA)将信号的幅值信息解调出来。最后，借助灵敏度系数矩阵成像算法将物场信息的图像呈现在PC上[5]。

2 系统信号完整性的分析

2.1 USB信号的反射处理

图2所示为传输线反射模型，Vs和Zs分别为驱动源电压和内阻，Z0为传输线特征阻抗，Zt为负载阻抗。它们之间的关系如下

(1)

(2)

式中 ρ为反射系数。当驱动器发射一个信号进入传输线时，A点电压Vi取决于驱动源电压，内阻和传输线的特征阻抗。这个电压将沿着传输线传播到负载端。若传输线末端负载阻抗与线的特征阻抗相等，则反射为0；若传输线末端负载阻抗与线特征阻抗不相等，则会有反射现象发生[6]。

图2 传输线反射模型Fig 2 Reflection model for transmission line

根据以上结论，FPGA将信号写入USB的接口芯片时，由于写入速度高达480 Mbps，须使传输线特征阻抗与信号的源端阻抗和负载阻抗匹配，否则信号会发生反射。如图3所示，电路中FPGA端串入100 Ω电阻器来完成阻抗匹配，从而降低信号的反射程度。

图3 Jog走线方式Fig 3 Wiring way of Jog

2.2 ECT系统串扰

在PCB中，串扰是指信号在传输线上传播时，因电磁能量耦合对相邻的传输线产生的不期望的噪声干扰，它是由不同结构引起的电磁场在同一区域里的相互租用而产生的。过多串扰，会改变总线中单根传输线的性能，比如传输线特征阻抗和传输速度等，从而影响系统时序和信号完整性；再者，串扰会将噪声感应耦合到其它的传输线上，这将进一步降低信号完整性，导致噪声裕量变小。由于串扰带来诸多不利，故系统中采取了一些措施来抑制串扰的影响。

在布线资源允许的情况下，应该尽可能地拉开线间距(差分信号线除外)，并减少两根或者多根信号线的平行长度，必要时可以采取如图3的Jog式走线[7]，即对于平行长度很长的两根信号线，在布线时可以间断式地将间距拉开。这样既可以节省紧张的布线资源，又可以有效地抑制串扰。在ECT系统的底部PCB板上，由于两根平行线的平行长度很长，因此，兼容了以上几种方法的布线方式，既将线的间距拉宽到原来的2倍，又同时采用Jog走线的方式，收到了良好的效果。

3 实验结果

如图4所示为ECT采集系统工作图。

图4 ECT采集系统工作图Fig 4 Working diagram of ECT collecting system

通过实验，证明了信号完整性对ECT系统的重要性。实验中,玻璃棒的介电常数ε=3.5，直径有两种，分别为d0=3.5 cm，d1=7.5 cm。分别在ECT传感器管道中放入1，2，3根玻璃棒。将ECT采集到的数据，在Matlab中应用灵敏度矩阵系数法，得出了信噪比为84 dB的图像。如图5所示。激励信号的频率为500 kBZ，为了保证系统成像的实时性，成像算法采用的是灵敏度系数矩阵法，但是系统的成像精度就会降低，这是由于算法本身的特点决定的。

图5 成像效果图Fig 5 Imaging effect diagram

图5中，图像清晰可见，将塑料玻璃棒在管道当中的横截面图清晰地呈现出来。但由于系统采集到的信号比较弱，不可避免地会受到周围环境的影响，加之算法本身的病

态性，致使图像出现伪影，玻璃棒的截面图不是完全的圆形，而是出现椭圆的形状。

4 结 论

ECT采集系统可将玻璃棒的图像清晰地呈现在PC的界面当中。考虑ECT系统信号完整，与激励信号相邻的测量信号经过C/V转换后的电压幅值由原来的11.5 V降为921 mV，受激励信号的影响明显下降。从而得到清晰的ECT图像，证明了ECT系统信号完整性对采集系统的精度的影响确实很大。

[1] 彭珍瑞，殷 红，董海棠.电容层析成像技术的研究现状综述[J].传感器与微系统，2009，28(9):5-9.

[2] 何永勃.电阻抗(ECT/ERT)双模态层析成像技术研究[D].天津：天津大学，2006.

[3] 李小平.高速PCB的信号完整性、电源完整性和电磁兼容性研究[D].成都：四川大学，2005.

[4] 马 敏，周苗苗，李新建.基于ECT技术的航空发动机尾气监测系统设计[J].传感器与微系统，2015，34(5): 88-91.

[5] 崔自强.数字化双模态(ECT/ERT)系统设计[D].天津：天津大学，2007.

[6] 陈建华. PCB传输线信号完整性及电磁兼容特性研究[D].西安：西安电子科技大学，2010.

[7] 张木水. 高速电路电源分配网络设计与电源完整性分析[D].西安：西安电子科技大学，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

国家自然科学基金青年基金资助项目(61102096，61401466)；中国民航大学中央高校基金资金项目(ZXH2012D002)

TP 212.9

A

1000—9787(2016)07—0030—02

马 敏(1971-)，女，安徽霍邱人，教授，主要从事过程参数检测和信息处理技术方面的研究工作。