基于阻抗分析儀的多極板電容在線測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于阻抗分析儀的多極板電容在線測量系統(tǒng)，屬于測量裝置領域，該系統(tǒng)由多極板電容傳感器、基于ARM的多路切換系統(tǒng)、WK65120B型阻抗分析儀、計算機，串口線，GPIB總線和雙向四端口BNC線組成。本實用新型可實現(xiàn)多通道小電容在線測量，測量精度和單個測量一樣，并極大的提高了采集時間，減少了操作的過程，適于推廣應用。
【專利說明】基于阻抗分析儀的多極板電容在線測量系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于測量裝置領域，主要涉及一種多極板電容在線測量系統(tǒng)，特別是涉及一種基于阻抗分析儀的多極板電容在線測量系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]阻抗分析儀用于與精準檢測，其能在阻抗范圍和寬頻率范圍進行精確測量，它利用物體具有不同的導電作用，在物體表面加一固定的低電平電流時，通過阻抗計算出物體的各種器件、設備參數(shù)和性能優(yōu)劣。阻抗分析儀的優(yōu)點是:易用、指標和圖形相結合、參數(shù)準確、價格低廉、對生產的可指導性非常強、可用于微小電容檢測并能達到很高的精度等。阻抗分析儀的缺點是笨重、采樣率低、測量通道只有一個、對于多極板電容檢測，操作起來很是煩瑣，不便于實驗中的應用。
[0003]阻抗分析儀對小電容測量原理如圖1所示，其中He和Lc用來饋送測量電流到被測物體，Hp，Lp用來檢測被測物體的電壓降，通過電壓和電流之比計算測量物體上的電容數(shù)據(jù)。測量時采用四端子連接電路，對測試電纜和試樣進行屏蔽，對電流電壓變換部分進行控制，由此使試樣一端(Lp端子對)的電壓接近于零。即使Lc端子對上的電壓也接近于零。這樣連接可以抑制雜散電容，解決互感耦合問題，使系統(tǒng)不受溫差電動勢影響，抑制電磁感應的影響。
[0004]阻抗分析儀應用于測量小電容，能夠達到精準測量小電容的能力，精度遠高于交流C/V電路檢測法所采集的電容數(shù)據(jù)。但是其只能對單一測量數(shù)據(jù)進行測量，測量時需將傳感器的引線連接分別連接在倆夾口下，在阻抗分析儀儀器的面板上進行多次點擊設定，才能完成某對傳感器的電容值的測量。如要進行多極板的電容值測量，則需多步更改，多次連接，且需要多次校正，過程極為煩瑣。

【發(fā)明內容】

[0005]發(fā)明目的:
[0006]為了解決上述問題，本實用新型提出了一種基于阻抗分析儀的多極板電容在線測量系統(tǒng)，可以實現(xiàn)阻抗分析儀的方便運用，在保障實驗數(shù)據(jù)精確的前提下隨時進行通道切換，完成數(shù)據(jù)采集。
[0007]技術方案:
[0008]本實用新型是通過以下技術方案來實現(xiàn)的:
[0009]一種基于阻抗分析儀的多極板電容在線測量系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)由多極板電容傳感器、基于ARM的多路切換系統(tǒng)、WK65120B型阻抗分析儀、計算機，一條串口線，一條GPIB總線，一條雙向四端口 BNC線組成；多極板電容傳感器連接基于ARM的多路切換系統(tǒng)，基于ARM的多路切換系統(tǒng)通過雙向四端口 BNC線連接WK65120B型阻抗分析儀，WK65120B型阻抗分析儀通過GPIB總線連接計算機，基于ARM的多路切換系統(tǒng)通過串口線連接計算機。
[0010]所述基于ARM的多路切換系統(tǒng)采用NEC公司的UD2系列繼電器進行通道切換。[0011]所述多極板電容傳感器的一個傳感器對應兩個繼電器，與傳感器相連的一組繼電器用1-n標號表示，另一組繼電器與前組繼電器相連。
[0012]優(yōu)點及效果:
[0013]本實用新型是一種基于阻抗分析儀的多極板電容在線測量系統(tǒng)，能夠在不影響測量精度前提下，通過控制多路切換系統(tǒng)及阻抗分析儀完成測量，很好的提高了測量速度，減少了煩瑣的步驟，將所有步驟在電腦上實現(xiàn)，為以后基于阻抗分析儀的ECT系統(tǒng)構建提供了堅實基礎。
[0014]【專利附圖】

【附圖說明】:
[0015]圖1為四端口對接電路原理圖；
[0016]圖2為本實用新型結構示意圖；
[0017]圖3為UD2型繼電器示意圖；
[0018]圖4為圖3的側向視圖；
[0019]圖5為ARM的多路切換系統(tǒng)原理圖；
[0020]圖6為GPIB命令結構圖；
[0021]圖7為命令路徑圖；
[0022]圖8為流程圖；
[0023]圖9為相同極板對數(shù)據(jù)對比示意圖；
[0024]圖10為不同極板電容測量數(shù)據(jù)對比示意圖；
[0025]圖11為單一極板切換原理圖；
[0026]圖12為本實用新型電路結構圖。
[0027]【具體實施方式】:
[0028]下面結合附圖對本實用新型加做進一步的說明:
[0029]本實用新型涉及一種基于阻抗分析儀的多極板電容在線測量系統(tǒng)，如圖2和圖12中所示，其特征在于:該系統(tǒng)由多極板電容傳感器、基于ARM的多路切換系統(tǒng)、WK65120B型阻抗分析儀、計算機，一條串口線，一條GPIB總線和一條雙向四端口 BNC線組成；多極板電容傳感器連接基于ARM的多路切換系統(tǒng)，基于ARM的多路切換系統(tǒng)通過雙向四端口 BNC線連接WK65120B型阻抗分析儀，WK65120B型阻抗分析儀通過GPIB總線連接計算機，基于ARM的多路切換系統(tǒng)通過串口線連接計算機。
[0030]本實用新型可運用QT軟件進行程序編寫，使上述設備能夠在計算機上進行控制達到所要實現(xiàn)的不同的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理等目標。
[0031]本實用新型中對于多極板電容的在線測量通過以ARM為核心的多通道切換系統(tǒng)(即基于ARM的多路切換系統(tǒng))進行通道切換，選用NEC公司的UD2系列繼電器如圖3和圖4所示，其特點是體積小，功耗低，反應速度快等特點，繼電器通過ARM芯片的IO 口進行控制，測量時可由上位機放送命令，由下位機控制打開任意繼電器，從而測量其對應的想要得到的某對傳感器的電容值。
[0032]通過繼電器使得各極板接地做閑置極板，接Hp做激勵極板或接Lp做檢測極板。在保障實驗數(shù)據(jù)精確的前提下隨時進行通道切換，完成阻抗分析儀對所需極板對的電容值采集。
[0033]由于阻抗分析儀一次只能測量一個極板對間的電容，由n個極板構成的三維ECT系統(tǒng)每一幀數(shù)據(jù)要求對n個極板輪流切換，總共測量n* (n-l)/2個極板對電容值。因此本實用新型采用以ARM芯片為核心的多通道切換系統(tǒng)，由ARM芯片IO引腳控制繼電器進行極板切換。測量時可由上位機放送命令，由ARM芯片接受命令控制相應的繼電器，從而測量想要得到的某對傳感器的電容值。
[0034]ARM的多路切換系統(tǒng)原理如圖5中所示，多極板電容傳感器的一個傳感器對應兩個繼電器，與傳感器相連的一組繼電器用1-n標號表不，另一組繼電器(用Al-An標號表不)與前組繼電器相連。繼電器1-繼電器n斷電狀態(tài)時與地相接，當給一個高電平信號時，繼電器吸合，與繼電器Al-繼電器An導通,繼電器Al-繼電器An斷電狀態(tài)時與Lp, Lc端口相連，當給一個高電平信號時，可與Hc，Hp端口相導通，以此完成測量。例如:如要測量傳感器1、2間的電容值，只需讓上位機發(fā)送命令使繼電器1、2，A1得到高電平信號導通即可達到測量目的。
[0035]每個極板有三種狀態(tài)分別是接地，接阻抗分析儀的Hp(high voltage teminal)端和接阻抗分析儀Lp (low voltage teminal)端。單一極板切換的原理圖如圖11所示。以一個極板為例說明極板狀態(tài)切換過程。電容極板由第一個繼電器通過控制位I選通或者接地，第二繼電器由控制位2來選擇接阻抗分析儀的Hp (high voltage teminal)端還是Lp(low volatage teminal)端。例如要測量傳感器1、2間的電容值,只需讓上位機發(fā)送命令使繼電器選通極板I接Hp端，選通極板2接Lp端其他極板全部接地，可達到測量極板I和極板2間電容的目的。
[0036]本實用新型通過GPIB轉USB總線與WK65120B型阻抗分析儀(resolution 0.1fF)進行通信，來控制阻抗分析儀工作進行測量，通過USB與ARM主控芯片進行通信，來控制繼電器的切換；其接受的指令如圖6所示。實現(xiàn)自動測量的程序流程圖如圖8所示。本實用新型的控制系統(tǒng)通常采集66組電容值耗時2分12秒，整個過程將手動采集數(shù)據(jù)的煩瑣步驟全部簡化，并且提高了采集數(shù)據(jù)的速度。
[0037]本實用新型的上位機可以采用QT軟件進行編程(用其它軟件也可以)，用GPIB與阻抗分析儀進行通信，制作繼電器實現(xiàn)由上位機控制?？梢詫崿F(xiàn)阻抗分析儀的方便運用，在保障實驗數(shù)據(jù)精確的前提下隨時進行通道切換，完成數(shù)據(jù)采集。
[0038]運用QT軟件制作的控制面板及系統(tǒng)實物可參見參考文件里的電容測量系統(tǒng)圖片，控制面板主要分為三大部分:WK65120B型阻抗分析儀，串口控制，多路切換系統(tǒng)，程序流程圖如圖8所不。
[0039]在阻抗分析儀部分可以在面板上實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)類型選擇，測量速度選擇，頻率設定，開始測量以及連續(xù)測量等功能，并且所得數(shù)據(jù)在面板上直接顯示。以上的功能均可以通過QT軟件編寫程序通過GPIB通信達到預期效果。
[0040]串口設置部分是完成上位機與下位機ARM的通信，在完成串口號，波特率，數(shù)據(jù)位等參數(shù)調整后點擊打開串口則可實現(xiàn)通信，為后續(xù)發(fā)送指令提供保證。
[0041]多路切換系統(tǒng)部分是實現(xiàn)測量時通道切換的控制，在下位機編寫好程序的基礎上(如接收到十六進制數(shù)17的信號則管腳PIN 55給一個高電平，管腳PIN 55對應繼電器1，以此類推)上位機只需在發(fā)送數(shù)據(jù)欄寫數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)即可完成各通道的切換，其中自動鍵還可實現(xiàn)連續(xù)切換通道以此依次測量各極板電容值。
[0042]本實用新型進行實際測量時，首先選取要測量的電容極板對，再通過繼電器控制中發(fā)送指令，打開對應的2個繼電器(詳細情況見圖5)，最后調整好阻抗分析儀的參數(shù)點擊測量即可獲得所要測量值，操作方便，大大的節(jié)省了時間和精力。
[0043]比對測量結果:
[0044]對同一極板對的電容值分別使用直接用阻抗分析儀測量電容值與加入多路切換系統(tǒng)運用電腦直接測量電容值兩種方法，分別進行了采集55次電容值，結果如圖9所示，曲線s代表直接測量，曲線t代表加入多路切換系統(tǒng)測量，由曲線可知兩組數(shù)據(jù)浮動不大，從而表明加入多路切換系統(tǒng)基本可以保證采集得到的數(shù)據(jù)的精度和準確性。
[0045]對不同極板對電容值進行測量對比，直接用wk6500測量和加上通道切換在電腦直接讀出的數(shù)據(jù)比較如表1所述(單位fF)，從圖10可以看出兩種方法測量的電容值曲線基本重合，數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，圖中曲線m代表阻抗分析儀直接測量，曲線n代表加入多路切換系統(tǒng)測量。
[0046]
【權利要求】
1.一種基于阻抗分析儀的多極板電容在線測量系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)由多極板電容傳感器、基于ARM的多路切換系統(tǒng)、WK65120B型阻抗分析儀、計算機，一條串口線，一條GPIB總線，一條雙向四端口 BNC線組成；多極板電容傳感器連接基于ARM的多路切換系統(tǒng)，基于ARM的多路切換系統(tǒng)通過雙向四端口 BNC線連接WK65120B型阻抗分析儀，WK65120B型阻抗分析儀通過GPIB總線連接計算機，基于ARM的多路切換系統(tǒng)通過串口線連接計算機。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于阻抗分析儀的多極板電容在線測量系統(tǒng)，其特征在于:所述基于ARM的多路切換系統(tǒng)采用NEC公司的UD2系列繼電器進行通道切換。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的基于阻抗分析儀的多極板電容在線測量系統(tǒng)，其特征在于:多極板電容傳感器的一個傳感器對應兩個繼電器，與傳感器相連的一組繼電器用1-n標號表示，另一組繼電器與前組繼電器相連。
【文檔編號】G01R27/26GK203396846SQ201320515652
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年8月22日 優(yōu)先權日:2013年8月22日
【發(fā)明者】周英鋼, 顏華, 劉德龍, 王伊凡 申請人:沈陽工業(yè)大學