一種基于dsp的平面電容傳感器測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于DSP的平面電容傳感器測(cè)量系統(tǒng)，其特征是由平面電容傳感器、由DDS和差分放大電路構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路、調(diào)理電路、前級(jí)濾波電路、A/D、DSP、外擴(kuò)SRAM、LCD、鍵盤、鐵電存儲(chǔ)、電源監(jiān)測(cè)、數(shù)字電源以及模擬電源組成。本發(fā)明系統(tǒng)采用DSP控制DDS并經(jīng)差分放大電路輸出不同頻率的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)平面電容傳感器驅(qū)動(dòng)電極；同步采樣正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)和平面電容傳感器感應(yīng)電極輸出信號(hào)；采用頻譜分析方法計(jì)算信號(hào)的幅值和相位差，并利用幅值比和相位差計(jì)算平面電容傳感器極間電容和電導(dǎo)。該系統(tǒng)頻率測(cè)量范圍寬、運(yùn)算速度快、測(cè)量精度高。
【專利說明】—種基于DSP的平面電容傳感器測(cè)量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及介電測(cè)量領(lǐng)域，為一種平面電容傳感器測(cè)量系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)介電材料的物理特性，如含水量、多孔性、厚度、粘度等測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002]平面電容傳感器的電極分布在同一平面，具有單邊穿透、信號(hào)強(qiáng)度可調(diào)和層析成像的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制中產(chǎn)品性能，如多孔性、含水量、密度、粘度等的無損測(cè)量。
[0003]平面電容傳感器包括驅(qū)動(dòng)電極和感應(yīng)電極，在驅(qū)動(dòng)電極上施加一定頻率和幅值的正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電極與感應(yīng)電極之間產(chǎn)生電場(chǎng)，電力線穿過被測(cè)材料，在兩電極之間產(chǎn)生電容和電導(dǎo)，通過測(cè)量平面電容傳感器電極間電容電導(dǎo)的變化實(shí)現(xiàn)介電材料物理特性的測(cè)量。由于介電材料的物理特性隨著頻率的變化而變化，為了準(zhǔn)確測(cè)量物理特性，需要實(shí)現(xiàn)平面電容傳感器在不同頻率下的測(cè)量。平面電容傳感器極間電場(chǎng)呈非線性分布，相對(duì)于傳統(tǒng)的電容傳感器，平面電容傳感器的的輸出阻抗很高，極間電容更小，易受外界雜散電容和噪聲的干擾，要求測(cè)量系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾特性。
[0004]目前存在的平面電容傳感器測(cè)量系統(tǒng)大多數(shù)采用上位機(jī)控制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)，再利用數(shù)據(jù)采集卡采集正弦感應(yīng)信號(hào)送入上位機(jī)計(jì)算，系統(tǒng)體積大、價(jià)格高、不易攜帶，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量多有不便；部分采用單片機(jī)控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器DA產(chǎn)生正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)，但產(chǎn)生的頻率范圍有限且精度不高。對(duì)于平面電容傳感器感應(yīng)電極輸出信號(hào)的測(cè)量大多數(shù)使用直流充放電電路或振蕩電路，將正弦感應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，AD采樣后直接計(jì)算幅值，然后通過查表獲得幅值與電容之間的關(guān)系，其電路簡(jiǎn)單、成本低，但是無法消除雜散電容和電荷注入效應(yīng)等干擾，不能同步采樣正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)和正弦感應(yīng)信號(hào)，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，精度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種基于DSP的平面電容傳感器測(cè)量系統(tǒng)。以數(shù)字信號(hào)處理器DSP為核心，控制直接數(shù)字頻率合成器DDS產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)；以電容負(fù)反饋放大電路處理正弦感應(yīng)信號(hào)，采用頻譜分析方法計(jì)算并利用頻譜校正提高精度。
[0006]本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用技術(shù)方案是:
[0007]本發(fā)明基于DSP的平面電容傳感器測(cè)量系統(tǒng)的特點(diǎn)是:
[0008]系統(tǒng)構(gòu)成包括平面電容傳感器、由直接數(shù)字頻率合成器DDS和差分放大電路構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路、調(diào)理電路、前級(jí)濾波電路、A/D電路、DSP、外擴(kuò)SRAM、鐵電存儲(chǔ)以及電源監(jiān)測(cè)電路；
[0009]設(shè)定測(cè)量系統(tǒng)利用平面電容傳感器進(jìn)行測(cè)量的起始頻率為Fs、終止頻率為Fe、總測(cè)量點(diǎn)數(shù)為N ;所述DSP根據(jù)設(shè)定的起始頻率Fs、終止頻率Fe及總測(cè)量點(diǎn)數(shù)N計(jì)算得到每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率fi，i=l，2，3...，N，控制所述DDS產(chǎn)生頻率為的單極性正弦信號(hào)，并經(jīng)所述差分放大電路輸出幅值可調(diào)的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別送至前級(jí)濾波電路和平面電容傳感器的驅(qū)動(dòng)電極；所述前級(jí)濾波電路對(duì)正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)處理后送至A/D電路；所述平面電容傳感器的驅(qū)動(dòng)電極在正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)的激勵(lì)下，在其感應(yīng)電極輸出同頻率正弦感應(yīng)信號(hào)并經(jīng)所述調(diào)理電路處理后送至前級(jí)濾波電路；所述前級(jí)濾波電路對(duì)正弦感應(yīng)信號(hào)處理后送至A/D電路；
[0010]所述A/D電路按照設(shè)定的采樣頻率，同步采樣所述濾波電路處理后的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)和正弦感應(yīng)信號(hào)并傳送到所述DSP ;所述采樣頻率根據(jù)由所述起始頻率Fs和所述終止頻率Fe確定的頻率范圍進(jìn)行分段設(shè)置；
[0011]所述DSP對(duì)同步采樣得到的可能混有噪聲的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)和正弦感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，再采用基于快速傅里葉變換FFT的功率譜分析方法對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)做功率譜計(jì)算和頻譜校正，得到正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)和正弦感應(yīng)信號(hào)的幅值和相位；利用正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)和正弦感應(yīng)信號(hào)之間的幅值比A和相位差P計(jì)算頻率fi; i=l, 2，3...，N,條件下平面電容傳感器極間電容Ci,和電導(dǎo)Gi, i=l, 2, 3-, N；
[0012]所述系統(tǒng)在完成一個(gè)頻率的測(cè)量之后更新頻率重復(fù)測(cè)量過程，直至完成N個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量。
[0013]本發(fā)明基于DSP的平面電容傳感器測(cè)量系統(tǒng)的特點(diǎn)也在于:
[0014]所述單極性正弦信號(hào)的頻率&由式⑴獲得
[0015]
【權(quán)利要求】
1.一種基于DSP的平面電容傳感器測(cè)量系統(tǒng)，其特征是: 系統(tǒng)構(gòu)成包括平面電容傳感器、由直接數(shù)字頻率合成器DDS和差分放大電路構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路、調(diào)理電路、前級(jí)濾波電路、A/D電路、DSP、外擴(kuò)SRAM、鐵電存儲(chǔ)以及電源監(jiān)測(cè)電路； 設(shè)定測(cè)量系統(tǒng)利用平面電容傳感器進(jìn)行測(cè)量的起始頻率為Fs、終止頻率為Fe、總測(cè)量點(diǎn)數(shù)為N ;所述DSP根據(jù)設(shè)定的起始頻率Fs、終止頻率Fe及總測(cè)量點(diǎn)數(shù)N計(jì)算得到每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率fi，i=l, 2，3...，N，控制所述DDS產(chǎn)生頻率為&的單極性正弦信號(hào)，并經(jīng)所述差分放大電路輸出幅值可調(diào)的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所述正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別送至前級(jí)濾波電路和平面電容傳感器的驅(qū)動(dòng)電極；所述前級(jí)濾波電路對(duì)正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)處理后送至A/D電路；所述平面電容傳感器的驅(qū)動(dòng)電極在正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)的激勵(lì)下，在其感應(yīng)電極輸出同頻率正弦感應(yīng)信號(hào)并經(jīng)所述調(diào)理電路處理后送至前級(jí)濾波電路；所述前級(jí)濾波電路對(duì)正弦感應(yīng)信號(hào)處理后送至A/D電路； 所述A/D電路按照設(shè)定的采樣頻率，同步采樣所述濾波電路處理后的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)和正弦感應(yīng)信號(hào)并傳送到所述DSP ;所述采樣頻率根據(jù)由所述起始頻率Fs和所述終止頻率Fe確定的頻率范圍進(jìn)行分段設(shè)置； 所述DSP對(duì)同步采樣得到的可能混有噪聲的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)和正弦感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，再采用基于快速傅里葉變換FFT的功率譜分析方法對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)做功率譜計(jì)算和頻譜校正，得 到正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)和正弦感應(yīng)信號(hào)的幅值和相位；利用正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)和正弦感應(yīng)信號(hào)之間的幅值比A和相位差F計(jì)算頻率fp i=l, 2，3...，N,條件下平面電容傳感器極間電容 Ci,和電導(dǎo) Gi, i=l, 2, 3-, N； 所述系統(tǒng)在完成一個(gè)頻率的測(cè)量之后更新頻率重復(fù)測(cè)量過程，直至完成N個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP的平面電容傳感器測(cè)量系統(tǒng)，其特征是:所述單極性正弦信號(hào)的頻率fi由式(I)獲得
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP的平面電容傳感器測(cè)量系統(tǒng)，其特征是: 設(shè)置所述調(diào)理電路為電容負(fù)反饋放大電路，所述電容負(fù)反饋放大電路中的反饋回路由并聯(lián)設(shè)置的反饋電容和反饋電阻構(gòu)成；所述平面電容傳感器在所述頻率4條件下的極間電容Ci和電導(dǎo)Gi分別按式(2)和式(3)獲得:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP的平面電容傳感器測(cè)量系統(tǒng)，其特征是:所述差分放大電路由運(yùn)算放大器U4B構(gòu)成，在所述運(yùn)算放大器U4B的反向輸入端設(shè)置由運(yùn)算放大器U4A構(gòu)成的跟隨電路，用于去除所述單極性正弦信號(hào)的直流偏置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP的平面電容傳感器測(cè)量系統(tǒng)，其特征是:所述DSP利用其內(nèi)部事件管理器中PWM輸出信號(hào)的上升沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，所述PWM輸出信號(hào)的頻率即為采樣頻率；所述A/D在一次采樣完成后，向DSP發(fā)送中斷請(qǐng)求，由所述DSP內(nèi)部SPI模塊讀取數(shù)據(jù)；當(dāng)所述A/D采樣點(diǎn)數(shù)小于或等于512點(diǎn)時(shí),所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到DSP上的SRAM,當(dāng)所述A/D采樣點(diǎn)數(shù)大于512點(diǎn)時(shí)，所述`數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外擴(kuò)SRAM。
【文檔編號(hào)】G01D5/24GK103697919SQ201310743347
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】黃云志, 徐成林, 鄭亮, 方敏, 單開 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)