专利名称：电磁层析成像系统的正交信号装置及解调方法
技术领域：
本发明属于测量类，尤其涉及电磁物质空间分布的测量装置及控制方法。
背景技术：
电磁层析成像(Electromagnetic Tomography，EMT)是一种二十世纪九十年代初期发展起来的基于电磁感应原理的新型过程层析成像技术，它是采用外加的交流激励磁场从不同的观测角度扫掠具有某种磁导率物质分布或电导率物质分布的被测物场。基于电磁感应原理，物场中的导磁物质会形成感应磁场，而导电物质则会产生电涡流，这些都会对原有激励磁场产生调制作用，二者叠加起来会在物场边界上的检测线圈中产生不同幅值和相位的感应电势。
对于电磁层析成像系统，物场对激励信号的调制反映在幅度和相位的变化上，这要求信号解调系统要具有鉴幅、鉴相功能。目前，常用信号解调主要方法有数字解调和模拟解调。
1，数字解调，采用微处理器处理信号离散化后的序列，使用数字信号处理算法解调信号的信息，它对A/D转换器转换速度要求高，而且处理机需要很强的数据处理和传输能力。但EMT系统对实时性的要求高，层析成像技术对数据信息量也要求大，因而激励与检测数据过程中对稳定性要求高。目前纯粹数字信号处理方法中的软、硬件条件还不适用在EMT系统的信号采集与处理单元中使用。
2，模拟解调，使用模拟器件将被测信号中的有用信息直接分解出来，经过模拟平均电路转换为对应的直流分量，通过A/D转换器由微机系统获得。目前使用的模拟解调方法包括开关解调、正弦波解调、自相乘解调等。
模拟解调中的方波解调和正弦波解调是一种相敏乘法解调，它将一个与被检测信号严格同相位的信号与被测信号相乘，从而测得信号的变化。相敏乘法解调要求标准信号与被解调信号相位相同，即过零点完全吻合。若只解调信号的幅度信息，最简单的方法是使用开关解调或自相乘解调。开关解调效果类似于全波整流，区别是开关解调准确，而全波整流受二极管导通电压及二极管压降的影响，不利于测量精密信号。
在EMT系统中，为获得物场足够多的信息，采取旋转激励磁场的方法按一定角度扫掠物场。由于被测物场中导电和导磁物质的调制，以及检测线圈分布的影响，在不同激励方向，甚至在同一激励方向时，各个不同检测线圈输出的信号都存在不同的相位差，这给信号的解调带来困难。例如，在某一固定磁场方向下，检测信号与激励信号相移的大小与检测线圈的位置有关，这样必须使用解调的标准信号与检测线圈的相位同步。而且相位信息本身也携带了物场信息，必须作为图像重建的依据之一。所以对EMT系统检测线圈信号的解调要求，同时要获得其模与相位两种信息，也就是信号的实部与虚部信息。一般的解调方法难以满足这种要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种电磁层析成像系统的正交信号装置及解调方法，以解决上述难题，满足电磁层析成像时快速、准确检测的需要。
本发明的目的是这样实现的电磁层析成像系统的正交信号装置，其中的数字正弦波发生器E由导线与传感器、多路开关M和放大器M的一端顺序连接，放大器M的另一端由导线与多路开关A、乘法器A、滤波器A、A/D转换器A和计算机顺序连接，放大器M的另一端并由导线与多路开关B、乘法器B、滤波器B、A/D转换器B和计算机顺序连接；数字正弦波发生器E由导线分别与多路开关A、多路开关B连接；数字正弦波发生器A由导线分别与计算机、乘法器A连接，数字正弦波发生器B由导线分别与计算机、乘法器B连接。
电磁层析成像系统的正交信号装置的解调方法，包括下列步骤1，开始，(基于相位反馈搜索的正交解调)；2，控制数字合成正弦波发生器E，使其产生激励信号E；3，a.控制数字合成正弦波发生器A，使其产生与激励信号同频率的解调信号，a1使多路开关A选通激励信号E，a2将解调信号A与选通信号A进行乘法、滤波和AD转换，得到直流信号A，a3把计算机采集直流信号A，分析选通信号A与激励信号A的相位相关性，根据直流信号A反馈控制正弦波发生器A，a4将解调信号A与选通信号A的相位同步，达到同步后的解调信号A就是正交解调的实部正交基，a5由计算机记录实部正交基的控制相位；b.控制数字合成正弦波发生器B，使其产生与激励信号同频率的解调信号，b.1使多路开关B选通激励信号E，b.2将解调信号B与选通信号B进行乘法、滤波和AD转换，得到直流信号B，b.3把计算机采集直流信号B，分析选通信号B与激励信号B的相位相关性，根据直流信号B反馈控制正弦波发生器B，b.4将解调信号B与选通信号B的相位差为90度，此时解调信号B就是正交解调的虚部正交基，b.5由计算机记录虚部正交基的控制相位；4，控制多路开关M，使其逐个选通传感器输出的检测信号；5，选通的监测信号经过放大得到监测信号M；6，使得多路开关A和多路开关B选通监测信号M；7，a.控制正弦波信号发生器A，使其输出实部正交基，a1解调信号A(此刻是实部正交基)与选通信号A(此刻是检测信号M)经过乘法、滤波和AD转换，a2计算机采集AD转换器输出的直流信号A，此时直流信号A就是要解调的实部信号；b.控制正弦波信号发生器B，使其输出虚部正交基，b.1解调信号B(此刻是虚部正交基)与选通信号B(此刻是检测信号M)经过乘法、滤波和AD转换，
b.2计算机采集AD转换器输出的直流信号B，此时直流信号B就是要解调的虚部信号；8，由此完成了EMT检测信号的实部信号和虚部信号的解调，并可计算出检测信号得模和幅角，解调完成。
由于本发明采用了以上的技术方案，因而具有1，在EMT系统检测信号解调中，采用检测信号实部和虚部的正交全部解调，数据解调快速准确，可在30mS内全部完成信号的检测工作。
2，利用非接触、非介入和无危害的EMT系统测量，易于构成现场工作状况下长期可靠的检测系统，开辟了物质的电磁特性态分布进行在线检测技术的新领域。
3，在冶金过程的检测、控制、异物监测和定位，化工分离过程检测，生物医学研究等领域中，有着广阔的应用前景。
图1是本发明的一种电路原理框图；图2是图1的一种解调方法的程序流程图。
图中1，计算机 2，数字正弦波发生器E 3，传感器 4，多路开关M5，放大器M 6，多路开关A 7，多路开关B 8，数字正弦波发生器A9，乘法器A 10，滤波器A 11，A/D转换器A12，数字正弦波发生器B13，乘法器B14，滤波器B 15，A/D转换器B具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施作如下详述在图1中，电磁层析成像系统的正交信号装置，由计算机1、数字正弦波发生器E2、传感器3、多路开关M4、放大器M5、多路开关A6、多路开关B7、数字正弦波发生器A8、乘法器A9、滤波器A10、A/D转换器A11、乘法器B13、滤波器B14、A/D转换器B15构成。
其数字正弦波发生器E2由导线与传感器3、多路开关M4和放大器M5的一端顺序连接。放大器M5的另一端由导线与多路开关A6、乘法器A9、滤波器A10、A/D转换器A11和计算机1顺序连接；放大器M5的另一端并由导线与多路开关B7、乘法器B13、滤波器B14、A/D转换器B15和计算机1顺序连接。数字正弦波发生器E2由导线分别与多路开关A6、多路开关B7连接。数字正弦波发生器A8由导线分别与计算机1、乘法器A9连接，数字正弦波发生器B12由导线分别与计算机1、乘法器B13连接。
在上述电路中，计算机1、数字正弦波发生器E2、传感器3、多路开关M4、放大器M5、多路开关A6、数字正弦波发生器A8、乘法器A9、滤波器A10和A/D转换器A11构成正交解调的实部正交基的解调控制电路。
计算机1、数字正弦波发生器E2、传感器3、多路开关M4、放大器M5、多路开关B7、数字正弦波发生器B12、乘法器B13、滤波器B14、A/D转换器B15构成正交解调的虚部正交基的解调控制电路。
其中，计算机1，用于控制信号发生器产生激励解调信号，米集A/D转换结果；其内的A/D转换器可采AD1674型号。
传感器3，用于检测被测导电、导磁物质，其中激励系统可采用了柔性激励极板构成。
多路开关M4，用于选择检测信号和激励信号，采用多路模拟开关芯片MAX308。
放大器M5，采用PGA202型号，用于放大多路开关选择的微小检测信号，并放大为便于检测的检测信号M。
数字正弦波发生器E2、数字正弦波发生器A8、数字正弦波发生器B12，均采用AD7008型号，用于产生激励解调信号。激励解调时，输出信号频率为187.5KHz；三路信号发生器可采用直接数字合成正弦波发生器芯片AD7008，作为CMOS型DDS集成芯片，AD7008不仅具有精确的分辨率和内在的稳定性。而且所产生的正弦波频率、相位、幅值易于控制。每一路信号发生器产生的信号幅度、相位和频率由计算机单独控制。
多路开关A6、多路开关B7，采用MAX313，用于选择传感器3的输出信号。
乘法器A9、乘法器B13，采用AD734，用于将输入的两路信号进行模拟相乘。
滤波器A10、滤波器B14，采用有源四阶巴特沃斯低通滤波器，滤波器中的放大器采用LF411，用于将乘法器的输出信号进行滤波，滤除高频信号，提取信号中的直流分量。
A/D转换器A11、A/D转换器B15，采用12位100KHz转换频率模数转换器AD1674，用于将滤波器输出的直流信号进行AD转换。
在图2中，电磁层析成像系统的正交信号装置的解调方法，包括下列步骤1，开始基于相位反馈搜索的正交解调；2，控制直接数字合成正弦波发生器E，使其产生激励信号E；3，a.控制直接数字合成正弦波发生器A，使其产生与激励信号同频率的解调信号，a1使多路开关A选通激励信号E，a2将解调信号A与选通信号A进行乘法、滤波和AD转换，得到直流信号A，a3把计算机采集直流信号A，分析选通信号A与激励信号A的相位相关性，根据直流信号A反馈控制正弦波发生器A，a4将解调信号A与选通信号A的相位同步，达到同步后的解调信号A就是正交解调的实部正交基，a5由计算机记录实部正交基的控制相位b.控制直接数字合成正弦波发生器B，使其产生与激励信号同频率的解调信号，b.1使多路开关B选通激励信号E，b.2将解调信号B与选通信号B进行乘法、滤波和AD转换，得到直流信号B，b.3把计算机采集直流信号B，分析选通信号B与激励信号B的相位相关性，根据直流信号B反馈控制正弦波发生器B，b.4将解调信号B与选通信号B的相位差为90度，此时解调信号B就是正交解调的虚部正交基，b.5由计算机记录虚部正交基的控制相位；
4，控制多路开关M，使其逐个选通传感器输出的检测信号；5，选通的监测信号经过放大得到监测信号M；6，使得多路开关A和多路开关B选通监测信号M；7，a.控制正弦波信号发生器A，使其输出实部正交基，a1解调信号A(此刻是实部正交基)与选通信号A(此刻是检测信号M)经过乘法、滤波和AD转换，a2计算机采集AD转换器输出的直流信号A，此时直流信号A就是要解调的实部信号；b.控制正弦波信号发生器B，使其输出虚部正交基，b.1解调信号B(此刻是实部正交基)与选通信号B(此刻是检测信号M)经过乘法、滤波和AD转换，b.2计算机采集AD转换器输出的直流信号B，此时直流信号B就是要解调的虚部信号；8，至此完成了EMT检测信号的实部信号和虚部信号的解调，并由此计算出检测信号得模和幅角，解调完成。
在上述电磁层析成像系统的正交信号装置及解调方法中，1.由计算机分别输出的控制信号E、A、B，用于控制正弦波信号发生器E2、正弦波信号发生器A8、正弦波信号发生器B12，分别输出控制信号的频率、幅度和相位。控制信号可采用计算机ISA总线扩展。
2.由正弦波信号发生器E2产生和输出的激励信号E，频率为1875KHz，幅度为2V，相位为0。
3.由正弦波信号发生器A8、正弦波信号发生器B12产生的激励信号E，频率为1875KHz，幅度为2V。经过相位反馈搜索后，解调信号A的相位与激励信号E同步，而解调信号B的相位与激励信号E相位差90度。
4.经过传感器3、放大器5的放大输出信号检测信号M，频率为187.5KHz，相位随传感器3上检测线圈的位置而改变，变化范围为一70度到70度。
5.由多路开关A、多路开关B分别输出的选通信号A、B，是输入信号中的一个选择。
6.由滤波器A10、滤波器B14分别输出的直流信号A、直流信号B，用于将输入信号经过滤波，滤除了高频分量，留下直流分量，并经A/D转换器A11、A/D转换器B15分别转换后输入计算机1。
由以上方法解调得到EMT传感器输出信号的幅度和相位后，用于图像重建的计算机就可以根据这些数据计算出分布在传感器中被测物质的空间分布位置，从而确定在空间中有导电或导磁特性的被测物质的分布位置。例如，在矿石精选过程中，本发明可用于分辨金属矿石中非金属导磁材料的存在；也可检测关键结构件内部组成构造，如检测房屋结构中的钢材用量及分布情况，为建筑质量评价提供科学依据；在食品工业中，还可作为异物检测的一种装置，检测出食品中的异物，如在面包生产线上，可快速检测到面包中混有的金属异物。因而本发明具有广阔的应用前景，经济和社会效率显著。
权利要求
1.一种电磁层析成像系统的正交信号装置，其特征在于，数字正弦波发生器E由导线与传感器、多路开关M和放大器M的一端顺序连接，放大器M的另一端由导线与多路开关A、乘法器A、滤波器A、A/D转换器A和计算机顺序连接，放大器M的另一端并由导线与多路开关B、乘法器B、滤波器B、A/D转换器B和计算机顺序连接；数字正弦波发生器E由导线分别与多路开关A、多路开关B连接；数字正弦波发生器A由导线分别与计算机、乘法器A连接，数字正弦波发生器B由导线分别与计算机、乘法器B连接。
2.根据权利要求1所述的一种电磁层析成像系统的正交信号装置的解调方法，包括下列步骤1)开始；2)控制数字合成正弦波发生器E，使其产生激励信号E；3)a.控制数字合成正弦波发生器A，使其产生与激励信号同频率的解调信号，a1使多路开关A选通激励信号E，a2将解调信号A与选通信号A进行乘法、滤波和AD转换，得到直流信号A，a3计算机采集直流信号A，分析选通信号A与激励信号A的相位相关性，根据直流信号A反馈控制正弦波发生器A，a4将解调信号A与选通信号A的相位同步，同步后的解调信号A就是正交解调的实部正交基，a5由计算机记录实部正交基的控制相位；b.控制数字合成正弦波发生器B，使其产生与激励信号同频率的解调信号，b.1使多路开关B选通激励信号E，b.2将解调信号B与选通信号B进行乘法、滤波和AD转换，得到直流信号B，b.3计算机采集直流信号B，分析选通信号B与激励信号B的相位相关性，根据直流信号B反馈控制正弦波发生器B，b.4将解调信号B与选通信号B的相位差为90度，此时解调信号B就是正交解调的虚部正交基，b.5由计算机记录虚部正交基的控制相位；4)控制多路开关M，使其逐个选通传感器输出的检测信号；5)选通的监测信号经过放大得到监测信号M；6)使得多路开关A和多路开关B选通监测信号M；7)a.控制正弦波信号发生器A，使其输出实部正交基，a1解调信号A与选通信号A，经过乘法、滤波和AD转换，a2计算机采集AD转换器输出的直流信号A，此时直流信号A就是要解调的实部信号；b.控制正弦波信号发生器B，使其输出虚部正交基，b.1解调信号B与选通信号B，经过乘法、滤波和AD转换，b.2计算机采集AD转换器输出的直流信号B，此时直流信号B就是要解调的虚部信号；8)由此完成EMT检测信号的实部和虚部的信号解调，并计算出检测信号得模和幅角，解调完成。
全文摘要
本发明中的数字正弦波发生器E与传感器、多路开关M和放大器M的一端顺序连接,放大器M的另一端与多路开关A、乘法器A、滤波器A、A/D转换器A和计算机顺序连接,放大器M的另一端并与多路开关B、乘法器B、滤波器B、A/D转换器B和计算机顺序连接;数字正弦波发生器E分别与多路开关A、多路开关B连接;数字正弦波发生器A分别与计算机、乘法器A连接,数字正弦波发生器B分别与计算机、乘法器B连接。解调时,计算机控制正弦波发生器E、A、B分别输出激励信号E、A、B,经多路开关、乘法器、滤波器、A/D转换器,向计算机输出检测信号的实部和虚部的正交解调直流信号,由此得到在空间中有导电或导磁特性的被测物质的分布位置。
文档编号G01N27/72GK1380546SQ0211690
公开日2002年11月20日 申请日期2002年4月26日 优先权日2002年4月26日
发明者徐苓安, 刘泽 申请人:天津大学