本發(fā)明涉及水泥阻抗測試儀，尤其涉及一種可變頻率的非接觸的水泥阻抗測試儀。

背景技術(shù)：

水泥主要用于生產(chǎn)混凝土、砂漿和混凝土制品。當(dāng)今社會，水泥混凝土是最大的人造工程材料。水泥混凝土應(yīng)用于建筑、農(nóng)業(yè)、工業(yè)和軍事等各個(gè)領(lǐng)域，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要作用。今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，水泥混凝土仍將是應(yīng)用最廣、用量最大的建筑材料但是水泥混凝土的復(fù)雜性和多變性往往讓研究者感到棘手。

水泥是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)、多相(氣相、液相、固相)和多層次(微觀、細(xì)觀、宏觀)的復(fù)合體系。水泥中含有多種礦物組分，同時(shí)這些礦物組分的性質(zhì)會因摻雜、熱歷史等而改，水泥的細(xì)度、混合材、外加劑、水灰比、養(yǎng)護(hù)的濕度和溫度等也會對水泥的凝結(jié)硬化產(chǎn)生影響。另外是漿體形態(tài)的多變性，水泥混凝土在加入水后會發(fā)生粘塑體到粘彈性的轉(zhuǎn)變，形態(tài)由液態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變成固液態(tài)乃至固態(tài)，同時(shí)伴隨著放熱、體積收縮、強(qiáng)度增長等現(xiàn)象，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，新的方法不斷的被開發(fā)應(yīng)用。電學(xué)的方法即是新方法之一，屬于無損檢測法(non-destructivetests,ndt)的一種，具有無損檢測法的優(yōu)點(diǎn)。相比于聲波、微波等方法，電學(xué)的方法可從物理(孔隙率、孔分布、孔結(jié)構(gòu)等)、化學(xué)(離子濃度、電離度)等的角度觀察、研究早齡期水泥混凝土性能變化，因此有極好的前景。

目前，在眾多電學(xué)方法測量水泥基材料微觀孔結(jié)構(gòu)變化的技術(shù)中，基于監(jiān)測水泥水化過程中電性質(zhì)變化的方法尤為重要。通過檢測水泥基材料在水化過程中的電阻率變化情況，可以用于水泥基材料的水化特性研究。雖然應(yīng)用于分析水泥基材料孔結(jié)構(gòu)的非接觸式阻抗測量儀可以避免因?yàn)楦g、銹蝕造、松動成測量電阻不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)，但由于主要采用固定頻率勵(lì)磁1khz源，固定電壓輸出+-36v，電壓不恒定，電壓太大，嚴(yán)重影響水泥水化過程，對水化過程中離子運(yùn)動施加過多影響，干擾正常水化過程，電壓太小，因?yàn)樗嗨^程對應(yīng)電阻范圍從200ω-20kω，過小勵(lì)磁電壓造成水泥環(huán)電流過小，電流傳感器無法檢測出電流或者造成過大的測量誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種電壓恒定，檢測精度高的可變頻率的非接觸的水泥阻抗測試儀。

本發(fā)明的實(shí)施例提供一種可變頻率的非接觸的水泥阻抗測試儀，包括可變頻率可變幅度的頻率合成器、功率放大器、勵(lì)磁變壓器、檢測變壓器和中央arm控制器，所述可變頻率可變幅度的頻率合成器可以輸出頻率為1khz-200khz、幅度為-40v～+40v的交流信號，所述勵(lì)磁變壓器由磁芯分別與初級線圈和水泥環(huán)樣品耦合而成，所述水泥環(huán)樣品上放置有一單匝線圈，所述單匝線圈與環(huán)電壓測量器連接，所述水泥環(huán)樣品與檢測變壓器耦合成電流互感器，所述檢測變壓器連接環(huán)電流測量器，所述環(huán)電流測量器通過檢測電流互感器的輸出電流得到水泥環(huán)樣品的感應(yīng)電流，所述環(huán)電壓測量器測出水泥環(huán)樣品的感應(yīng)電壓，所述頻率合成器輸出的交流信號經(jīng)功率放大器放大，通過環(huán)電壓測量器采用數(shù)字式增量pid偏差控制輸出的dds信號源幅度來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)水泥環(huán)樣品的電壓的穩(wěn)定控制，使經(jīng)過功率放大器放大后的交流信號加載在勵(lì)磁變壓器的初級線圈上輸出的電壓大小保持恒定，從而讓水泥環(huán)樣品的感應(yīng)電壓的大小保持恒定，所述中央arm控制器根據(jù)測得的水泥環(huán)樣品的感應(yīng)電流，得到水泥環(huán)樣品電阻的復(fù)阻抗。

進(jìn)一步，所述磁芯為高磁導(dǎo)率低功耗的微晶鐵氧體，所述初級線圈的線匝數(shù)為24，所述檢測變壓器采用1j85坡莫合金，所述檢測變壓器的線匝數(shù)為100。

進(jìn)一步，所述頻率合成器輸出的頻率范圍在1khz～200khz，幅度在-40v～+40v自由調(diào)節(jié)，所述頻率合成器采用dds信號源，并將其輸出信號通過所述功率放大器放大從而構(gòu)成兩級模式，所述dds信號源輸出-5v～+5v的可變頻率交流信號，再通過所述功率放大器將信號放大到-40v～+40v，所述dds信號源采用ad9852芯片作為信號發(fā)生器的信號發(fā)生器輸出，所述ad9852芯片的信號波形、頻率和幅值輸出由單片機(jī)動態(tài)自由的控制，所述ad9852芯片輸出的差分信號經(jīng)由低通濾波器、差分儀表放大器輸出給所述功率放大器，從而讓輸出信號的頻率范圍在1khz～200khz之間，所述功率放大器的輸出級采用功率mosfet管，其輸出電流與輸入電壓成正比，其電路高端和低端相對于正負(fù)電源作對稱連接，其驅(qū)動信號是在高位與低位間對稱的非線性電流從而讓其工作在甲乙類，所述功率放大器設(shè)置了反饋電路和比例積分電路的積分器從而改善輸出特性，并把因負(fù)荷變化和內(nèi)部參數(shù)變化引起的增益誤差及dc偏移控制在最小狀態(tài)，所述功率放大器的電路構(gòu)成從直流信號起放大100倍的反相放大器，從而獲得從±2v～±40v的輸出；頻率合成器和功率放大器在200ω負(fù)荷輸出400vp－p，可獲得從1khz～200khz的平直特性，而高次諧波僅為0.05％。

進(jìn)一步，所述初級線圈上的分壓設(shè)為u1，則

式中：r0為功率放大器的內(nèi)阻，u0為功率放大器的輸出電壓，l1為電感量，f為頻率，r1+2πfl1為初級線圈的阻抗；

當(dāng)初級線圈的線匝數(shù)為24時(shí)，r0＝8歐姆，r1＝0歐姆，l1＝2.54mh，頻率合成器輸出的交流信號的頻率為1khz，初級線圈的阻抗為16歐姆，當(dāng)頻率合成器輸出的交流信號的頻率為200khz時(shí)，初級線圈的阻抗為3200歐姆，所述水泥環(huán)樣品的感應(yīng)電壓的大小保持恒定，在變頻過程中需要調(diào)整dds信號源輸出的交流信號。

進(jìn)一步，所述初級線圈上的分壓u1與水泥環(huán)樣品的感應(yīng)電壓u2滿足：

u1/u2＝n1/n2

式中：n1為初級線圈的線匝數(shù)，n2為水泥環(huán)樣品上線圈的匝數(shù)，通過檢測水泥環(huán)樣品的感應(yīng)電壓可以反求初級線圈的分壓，水泥環(huán)樣品的給定電壓為上位機(jī)設(shè)定電壓，通過環(huán)電壓測量器獲得水泥環(huán)樣品的電壓實(shí)際值un，采用數(shù)字式增量pid偏差控制來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

進(jìn)一步，所述中央arm控制器為雙arm單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)包括主控芯片、網(wǎng)口、第一arm單片機(jī)、第二arm單片機(jī)、第一a/d采樣芯片、第二a/d采樣芯片和電源，所述電源為主控芯片、第一arm單片機(jī)、第二arm單片機(jī)、第一a/d采樣芯片和第二a/d采樣芯片供電，所述第一arm單片機(jī)分別控制第一a/d采樣芯片和第二a/d采樣芯片采集和存儲水泥環(huán)樣品的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電壓，所述第二arm單片機(jī)控制主控芯片輸出交流信號，所述第一arm單片機(jī)和第二arm單片機(jī)之間通過spi接口實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換，所述第一arm單片機(jī)將水泥環(huán)樣品感應(yīng)電壓的數(shù)據(jù)傳輸給第二arm單片機(jī)，所述第二arm單片機(jī)通過控制主控芯片調(diào)整輸出的交流信號。

進(jìn)一步，所述第一arm單片機(jī)和第二arm單片機(jī)中移植嵌入式以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊，所述第一arm單片機(jī)和第二arm單片機(jī)通過和dma9000搭建嵌入式網(wǎng)絡(luò)硬件平臺，并根據(jù)tcp/ip協(xié)議棧進(jìn)行嵌入式網(wǎng)絡(luò)移植。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明通過采用數(shù)字式增量pid偏差控制來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，通過對頻率合成器輸出的頻率進(jìn)行放大，使水泥環(huán)樣品的感應(yīng)電壓保持恒定，避免由于頻率變化引起內(nèi)外阻抗變化造成水泥環(huán)樣品電壓的波動，同時(shí)，便于對水泥環(huán)樣品的感應(yīng)電流的測量，使對感應(yīng)電流的測量精度大大提高，進(jìn)而大大提高水泥環(huán)樣品阻抗的測量精度，穩(wěn)壓精度好，有效降低測量誤差；

2、本發(fā)明將加在初級線圈上的信號頻率由以前的1khz最大可提高到200khz，有效提高儀器的檢測精度，檢測范圍增大，適用范圍廣泛，水泥環(huán)樣品電組的最佳測量范圍200ω-5kω，可以測量到10kω，并采用電阻網(wǎng)絡(luò)校正后自動計(jì)算校正模型，采用充分實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立的的數(shù)學(xué)模型來自動校正相位，大大提高相位補(bǔ)償?shù)木群椭悄芏龋?/p>

3、交流阻抗譜法是研究一定頻率譜下的漿體導(dǎo)電特性，水泥水化過程中，水泥顆粒表面形成擴(kuò)散雙電層，該雙電層厚度及電位隨水化時(shí)間而改變；此外顆粒表面對電場響應(yīng)特性也會隨頻率發(fā)生變化，在高頻或超高頻下，顆粒表面對電場的響應(yīng)會有滯后，本發(fā)明通過研究不同頻率下的漿體導(dǎo)電特性隨水化時(shí)間的變化來研究水泥水化，更能準(zhǔn)確反映水泥水化過程的阻抗；

4、本發(fā)明水泥環(huán)樣品的電壓和電流均采用2mhz，16位精度的a/d轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換速度快精度高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種可變頻率的非接觸的水泥阻抗測試儀的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1中處理器的內(nèi)部硬件電路的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地描述。

請參考圖1，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種可變頻率的非接觸的水泥阻抗測試儀，包括可變頻率可變幅度的頻率合成器1、功率放大器2、勵(lì)磁變壓器3、檢測變壓器5和中央arm控制器8。

可變頻率可變幅度的頻率合成器1可以輸出頻率為1khz-200khz、幅度為-40v～+40v的交流信號。

請參考圖2，中央arm控制器8為雙arm單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)包括主控芯片81、網(wǎng)口82、第一arm單片機(jī)83、第二arm單片機(jī)84、第一a/d采樣芯片85、第二a/d采樣芯片86和電源87，電源87為主控芯片81、第一arm單片機(jī)83、第二arm單片機(jī)84、第一a/d采樣芯片85和第二a/d采樣芯片86供電，第一arm單片機(jī)83分別控制第一a/d采樣芯片85和第二a/d采樣芯片86采集和存儲水泥環(huán)樣品33的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電壓，第二arm單片機(jī)84控制主控芯片81輸出交流信號，第一arm單片機(jī)83和第二arm單片機(jī)84之間通過spi接口實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換,第一arm單片機(jī)83將水泥環(huán)樣品33感應(yīng)電壓的數(shù)據(jù)傳輸給第二arm單片機(jī)84，第二arm單片機(jī)84通過控制主控芯片81調(diào)整輸出的交流信號。

在一實(shí)施例中，第一arm單片機(jī)83和第二arm單片機(jī)84中移植嵌入式以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊，第一arm單片機(jī)83和第二arm單片機(jī)84通過和dma9000搭建嵌入式網(wǎng)絡(luò)硬件平臺，并根據(jù)tcp/ip協(xié)議棧進(jìn)行嵌入式網(wǎng)絡(luò)移植。

勵(lì)磁變壓器3由磁芯31分別與初級線圈32和水泥環(huán)樣品33耦合而成，在一實(shí)施例中，磁芯為高磁導(dǎo)率低功耗的微晶鐵氧體，所述初級線圈的線匝數(shù)為24，水泥環(huán)樣品33上放置有一單匝線圈34，單匝線圈34與環(huán)電壓測量器4連接，環(huán)電壓測量器測出水泥環(huán)樣品的感應(yīng)電壓，水泥環(huán)樣品33與檢測變壓器5耦合成電流互感器，在一實(shí)施例中，檢測變壓器5采用1j85坡莫合金，檢測變壓器5的線匝數(shù)為100，檢測變壓器5連接環(huán)電流測量器6，環(huán)電流測量器6通過檢測電流互感器的輸出電流得到水泥環(huán)樣品33的感應(yīng)電流。

設(shè)初級線圈32上的分壓設(shè)為u1，則

式中：r0為功率放大器2的內(nèi)阻，u0為功率放大器2的輸出電壓，l1為電感量，f為頻率，r1+2πfl1為初級線圈32的阻抗；

當(dāng)初級線圈32的線匝數(shù)為24時(shí)，r0＝8歐姆，r1＝0歐姆，l1＝2.54mh，頻率合成器1輸出的交流信號的頻率為1khz，初級線圈32的阻抗為16歐姆，當(dāng)頻率合成器1輸出的交流信號的頻率為200khz時(shí)，初級線圈32的阻抗為3200歐姆，因此，在變頻過程中需要調(diào)整dds信號源輸出的交流信號，使水泥環(huán)樣品的感應(yīng)電壓的大小保持恒定。

初級線圈32上的分壓u1與水泥環(huán)樣品33的感應(yīng)電壓u2滿足：

u1/u2＝n1/n2

式中：n1為初級線圈32的線匝數(shù)，n2為水泥環(huán)樣品33上線圈的匝數(shù)，通過檢測水泥環(huán)樣品33的感應(yīng)電壓可以反求初級線圈32的分壓，水泥環(huán)樣品33的給定電壓為上位機(jī)設(shè)定電壓，通過環(huán)電壓測量器4獲得水泥環(huán)樣品33的電壓實(shí)際值un，采用數(shù)字式增量pid偏差控制來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

故，頻率合成器1輸出的交流信號經(jīng)功率放大器2放大，通過環(huán)電壓測量器4采用數(shù)字式增量pid偏差控制輸出的dds信號源幅度來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)水泥環(huán)樣品33的電壓的穩(wěn)定控制，使經(jīng)過功率放大器2放大后的交流信號加載在勵(lì)磁變壓器3的初級線圈32上輸出的電壓大小保持恒定，從而讓水泥環(huán)樣品33的感應(yīng)電壓的大小保持恒定，中央arm控制器8根據(jù)測得的水泥環(huán)樣品33的感應(yīng)電流，得到水泥環(huán)樣品電阻的復(fù)阻抗。

在一實(shí)施例中，頻率合成器1輸出的頻率范圍在1khz～200khz，幅度在-40v～+40v自由調(diào)節(jié)，頻率合成器1采用dds信號源，并將其輸出信號通過所述功率放大器2放大從而構(gòu)成兩級模式，dds信號源輸出-5v～+5v的可變頻率交流信號，再通過所述功率放大器2將信號放大到-40v～+40v，dds信號源采用ad9852芯片作為信號發(fā)生器的信號發(fā)生器輸出，ad9852芯片的信號波形、頻率和幅值輸出由一單片機(jī)動態(tài)自由的控制，ad9852芯片輸出的差分信號經(jīng)由低通濾波器、差分儀表放大器輸出給所述功率放大器2，從而讓輸出信號的頻率范圍在1khz～200khz之間，功率放大器2的輸出級采用功率mosfet管，其輸出電流與輸入電壓成正比，其電路高端和低端相對于正負(fù)電源作對稱連接，其驅(qū)動信號是在高位與低位間對稱的非線性電流從而讓其工作在甲乙類，所述功率放大器2設(shè)置了反饋電路和比例積分電路的積分器從而改善輸出特性，并把因負(fù)荷變化和內(nèi)部參數(shù)變化引起的增益誤差及dc偏移控制在最小狀態(tài)，所述功率放大器2的電路構(gòu)成從直流信號起放大100倍的反相放大器，從而獲得從±2v～±40v的輸出；頻率合成器1和功率放大器2在200ω負(fù)荷輸出400vp－p，可獲得從1khz～200khz的平直特性，而高次諧波僅為0.05％。

工作過程：頻率合成器1輸出交流信號，交流信號經(jīng)功率放大器2加在初級線圈32上，初級線圈32產(chǎn)生一定頻率的交變磁場，由水泥環(huán)樣品33構(gòu)成的次級線圈相當(dāng)于一個(gè)變壓器二次繞組，產(chǎn)生相應(yīng)感應(yīng)電壓，環(huán)電壓檢測4測出水泥環(huán)樣品33的電壓實(shí)際值，并由第一arm單片機(jī)83控制的第一a/d采樣芯片85采集，并通過第一arm單片機(jī)83和第二arm單片機(jī)84之間的高速數(shù)據(jù)交換，第一arm單片機(jī)83將水泥環(huán)樣品33感應(yīng)電壓的數(shù)據(jù)傳輸給第二arm單片機(jī)84，第二arm單片機(jī)84通過控制主控芯片81調(diào)整輸出的交流信號，將交流信號經(jīng)功率放大器2放大，再次加在初級線圈32上，因?yàn)閡1/u2＝n1/n2，從而通過調(diào)整電壓u1的大小讓u2基本保持恒定，從而實(shí)現(xiàn)對u2進(jìn)行數(shù)字式增量pid偏差控制，再通過環(huán)電流檢測6檢測感應(yīng)電流，即能得到準(zhǔn)確的水泥環(huán)樣品電阻的復(fù)阻抗。

本發(fā)明通過采用數(shù)字式增量pid偏差控制來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，通過對輸出的正弦波信號的功放進(jìn)行調(diào)整，使水泥環(huán)樣品的感應(yīng)電壓保持恒定，便于對水泥環(huán)樣品的感應(yīng)電流的測量，使對感應(yīng)電流的測量精度大大提高，進(jìn)而大大提高水泥環(huán)樣品阻抗的測量精度，穩(wěn)壓精度好，有效降低測量誤差；本發(fā)明將加在初級線圈上的信號頻率由以前的1khz最大可提高到200khz，有效提高儀器的檢測精度，檢測范圍增大，適用范圍廣泛，水泥環(huán)樣品電組的最佳測量范圍200ω-5kω，可以測量到10kω，采用充分實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立的的數(shù)學(xué)模型來自動校正相位，大大提高相位補(bǔ)償?shù)木群椭悄芏?；本發(fā)明通過研究不同頻率下的漿體導(dǎo)電特性隨水化時(shí)間的變化來研究水泥水化，更能準(zhǔn)確反映水泥水化過程的阻抗；本發(fā)明水泥環(huán)樣品的電壓和電流均采用2mhz，16位精度的a/d轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換速度快精度高。

在不沖突的情況下，本文中上述實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互結(jié)合。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。