一種基于dsp的平面電容傳感器測量系統(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和差分放大電路構成的驅動電路、調理電路、前級濾波電路、A/D、DSP、外擴SRAM、LCD、鍵盤、鐵電存儲、電源監(jiān)測、數字電源以及模擬電源組成。本發(fā)明系統(tǒng)采用DSP控制DDS并經差分放大電路輸出不同頻率的正弦驅動信號，驅動平面電容傳感器驅動電極；同步采樣正弦驅動信號和平面電容傳感器感應電極輸出信號；采用頻譜分析方法計算信號的幅值和相位差，并利用幅值比和相位差計算平面電容傳感器極間電容和電導。該系統(tǒng)頻率測量范圍寬、運算速度快、測量精度高。
【專利說明】—種基于DSP的平面電容傳感器測量系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及介電測量領域，為一種平面電容傳感器測量系統(tǒng)，用于實現介電材料的物理特性，如含水量、多孔性、厚度、粘度等測量。
【背景技術】
[0002]平面電容傳感器的電極分布在同一平面，具有單邊穿透、信號強度可調和層析成像的優(yōu)點，被廣泛應用于工業(yè)過程控制中產品性能，如多孔性、含水量、密度、粘度等的無損測量。
[0003]平面電容傳感器包括驅動電極和感應電極，在驅動電極上施加一定頻率和幅值的正弦波驅動信號時，驅動電極與感應電極之間產生電場，電力線穿過被測材料，在兩電極之間產生電容和電導，通過測量平面電容傳感器電極間電容電導的變化實現介電材料物理特性的測量。由于介電材料的物理特性隨著頻率的變化而變化，為了準確測量物理特性，需要實現平面電容傳感器在不同頻率下的測量。平面電容傳感器極間電場呈非線性分布，相對于傳統(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，要求測量系統(tǒng)具有較強的抗干擾特性。
[0004]目前存在的平面電容傳感器測量系統(tǒng)大多數采用上位機控制信號發(fā)生器產生不同頻率的正弦驅動信號，再利用數據采集卡采集正弦感應信號送入上位機計算，系統(tǒng)體積大、價格高、不易攜帶，現場測量多有不便；部分采用單片機控制模數轉換器DA產生正弦驅動信號，但產生的頻率范圍有限且精度不高。對于平面電容傳感器感應電極輸出信號的測量大多數使用直流充放電電路或振蕩電路，將正弦感應信號轉換為直流信號，AD采樣后直接計算幅值，然后通過查表獲得幅值與電容之間的關系，其電路簡單、成本低，但是無法消除雜散電容和電荷注入效應等干擾，不能同步采樣正弦驅動信號和正弦感應信號，測量時間長，精度不高。
【發(fā)明內容】
[0005]本發(fā)明是為了克服現有技術所存在的不足之處，提供一種基于DSP的平面電容傳感器測量系統(tǒng)。以數字信號處理器DSP為核心，控制直接數字頻率合成器DDS產生頻率可調的正弦驅動信號；以電容負反饋放大電路處理正弦感應信號，采用頻譜分析方法計算并利用頻譜校正提高精度。
[0006]本發(fā)明為解決技術問題采用技術方案是:
[0007]本發(fā)明基于DSP的平面電容傳感器測量系統(tǒng)的特點是:
[0008]系統(tǒng)構成包括平面電容傳感器、由直接數字頻率合成器DDS和差分放大電路構成的驅動電路、調理電路、前級濾波電路、A/D電路、DSP、外擴SRAM、鐵電存儲以及電源監(jiān)測電路；
[0009]設定測量系統(tǒng)利用平面電容傳感器進行測量的起始頻率為Fs、終止頻率為Fe、總測量點數為N ;所述DSP根據設定的起始頻率Fs、終止頻率Fe及總測量點數N計算得到每一個測量點對應的頻率fi，i=l，2，3...，N，控制所述DDS產生頻率為的單極性正弦信號，并經所述差分放大電路輸出幅值可調的正弦驅動信號，所述正弦驅動信號分別送至前級濾波電路和平面電容傳感器的驅動電極；所述前級濾波電路對正弦驅動信號處理后送至A/D電路；所述平面電容傳感器的驅動電極在正弦驅動信號的激勵下，在其感應電極輸出同頻率正弦感應信號并經所述調理電路處理后送至前級濾波電路；所述前級濾波電路對正弦感應信號處理后送至A/D電路；
[0010]所述A/D電路按照設定的采樣頻率，同步采樣所述濾波電路處理后的正弦驅動信號和正弦感應信號并傳送到所述DSP ;所述采樣頻率根據由所述起始頻率Fs和所述終止頻率Fe確定的頻率范圍進行分段設置；
[0011]所述DSP對同步采樣得到的可能混有噪聲的正弦驅動信號和正弦感應信號進行數字濾波，再采用基于快速傅里葉變換FFT的功率譜分析方法對濾波后的數據做功率譜計算和頻譜校正，得到正弦驅動信號和正弦感應信號的幅值和相位；利用正弦驅動信號和正弦感應信號之間的幅值比A和相位差P計算頻率fi; i=l, 2，3...，N,條件下平面電容傳感器極間電容Ci,和電導Gi, i=l, 2, 3-, N；
[0012]所述系統(tǒng)在完成一個頻率的測量之后更新頻率重復測量過程，直至完成N個測量點的測量。
[0013]本發(fā)明基于DSP的平面電容傳感器測量系統(tǒng)的特點也在于:
[0014]所述單極性正弦信號的頻率&由式⑴獲得
[0015]
【權利要求】
1.一種基于DSP的平面電容傳感器測量系統(tǒng)，其特征是: 系統(tǒng)構成包括平面電容傳感器、由直接數字頻率合成器DDS和差分放大電路構成的驅動電路、調理電路、前級濾波電路、A/D電路、DSP、外擴SRAM、鐵電存儲以及電源監(jiān)測電路； 設定測量系統(tǒng)利用平面電容傳感器進行測量的起始頻率為Fs、終止頻率為Fe、總測量點數為N ;所述DSP根據設定的起始頻率Fs、終止頻率Fe及總測量點數N計算得到每一個測量點對應的頻率fi，i=l, 2，3...，N，控制所述DDS產生頻率為&的單極性正弦信號，并經所述差分放大電路輸出幅值可調的正弦驅動信號，所述正弦驅動信號分別送至前級濾波電路和平面電容傳感器的驅動電極；所述前級濾波電路對正弦驅動信號處理后送至A/D電路；所述平面電容傳感器的驅動電極在正弦驅動信號的激勵下，在其感應電極輸出同頻率正弦感應信號并經所述調理電路處理后送至前級濾波電路；所述前級濾波電路對正弦感應信號處理后送至A/D電路； 所述A/D電路按照設定的采樣頻率，同步采樣所述濾波電路處理后的正弦驅動信號和正弦感應信號并傳送到所述DSP ;所述采樣頻率根據由所述起始頻率Fs和所述終止頻率Fe確定的頻率范圍進行分段設置； 所述DSP對同步采樣得到的可能混有噪聲的正弦驅動信號和正弦感應信號進行數字濾波，再采用基于快速傅里葉變換FFT的功率譜分析方法對濾波后的數據做功率譜計算和頻譜校正，得 到正弦驅動信號和正弦感應信號的幅值和相位；利用正弦驅動信號和正弦感應信號之間的幅值比A和相位差F計算頻率fp i=l, 2，3...，N,條件下平面電容傳感器極間電容 Ci,和電導 Gi, i=l, 2, 3-, N； 所述系統(tǒng)在完成一個頻率的測量之后更新頻率重復測量過程，直至完成N個測量點的測量。
2.根據權利要求1所述的基于DSP的平面電容傳感器測量系統(tǒng)，其特征是:所述單極性正弦信號的頻率fi由式(I)獲得
3.根據權利要求1所述的基于DSP的平面電容傳感器測量系統(tǒng)，其特征是: 設置所述調理電路為電容負反饋放大電路，所述電容負反饋放大電路中的反饋回路由并聯設置的反饋電容和反饋電阻構成；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Gi分別按式(2)和式(3)獲得:
4.根據權利要求1所述的基于DSP的平面電容傳感器測量系統(tǒng)，其特征是:所述差分放大電路由運算放大器U4B構成，在所述運算放大器U4B的反向輸入端設置由運算放大器U4A構成的跟隨電路，用于去除所述單極性正弦信號的直流偏置。
5.根據權利要求1所述的基于DSP的平面電容傳感器測量系統(tǒng)，其特征是:所述DSP利用其內部事件管理器中PWM輸出信號的上升沿啟動A/D轉換，所述PWM輸出信號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)送中斷請求，由所述DSP內部SPI模塊讀取數據；當所述A/D采樣點數小于或等于512點時,所述數據存儲到DSP上的SRAM,當所述A/D采樣點數大于512點時，所述`數據存儲到外擴SRAM。
【文檔編號】G01D5/24GK103697919SQ201310743347
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權日:2013年12月30日
【發(fā)明者】黃云志, 徐成林, 鄭亮, 方敏, 單開 申請人:合肥工業(yè)大學