一种基于dsp的平面电容传感器测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于DSP的平面电容传感器测量系统，其特征是由平面电容传感器、由DDS和差分放大电路构成的驱动电路、调理电路、前级滤波电路、A/D、DSP、外扩SRAM、LCD、键盘、铁电存储、电源监测、数字电源以及模拟电源组成。本发明系统采用DSP控制DDS并经差分放大电路输出不同频率的正弦驱动信号，驱动平面电容传感器驱动电极；同步采样正弦驱动信号和平面电容传感器感应电极输出信号；采用频谱分析方法计算信号的幅值和相位差，并利用幅值比和相位差计算平面电容传感器极间电容和电导。该系统频率测量范围宽、运算速度快、测量精度高。
【专利说明】—种基于DSP的平面电容传感器测量系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及介电测量领域，为一种平面电容传感器测量系统，用于实现介电材料的物理特性，如含水量、多孔性、厚度、粘度等测量。
【背景技术】
[0002]平面电容传感器的电极分布在同一平面，具有单边穿透、信号强度可调和层析成像的优点，被广泛应用于工业过程控制中产品性能，如多孔性、含水量、密度、粘度等的无损测量。
[0003]平面电容传感器包括驱动电极和感应电极，在驱动电极上施加一定频率和幅值的正弦波驱动信号时，驱动电极与感应电极之间产生电场，电力线穿过被测材料，在两电极之间产生电容和电导，通过测量平面电容传感器电极间电容电导的变化实现介电材料物理特性的测量。由于介电材料的物理特性随着频率的变化而变化，为了准确测量物理特性，需要实现平面电容传感器在不同频率下的测量。平面电容传感器极间电场呈非线性分布，相对于传统的电容传感器，平面电容传感器的的输出阻抗很高，极间电容更小，易受外界杂散电容和噪声的干扰，要求测量系统具有较强的抗干扰特性。
[0004]目前存在的平面电容传感器测量系统大多数采用上位机控制信号发生器产生不同频率的正弦驱动信号，再利用数据采集卡采集正弦感应信号送入上位机计算，系统体积大、价格高、不易携带，现场测量多有不便；部分采用单片机控制模数转换器DA产生正弦驱动信号，但产生的频率范围有限且精度不高。对于平面电容传感器感应电极输出信号的测量大多数使用直流充放电电路或振荡电路，将正弦感应信号转换为直流信号，AD采样后直接计算幅值，然后通过查表获得幅值与电容之间的关系，其电路简单、成本低，但是无法消除杂散电容和电荷注入效应等干扰，不能同步采样正弦驱动信号和正弦感应信号，测量时间长，精度不高。
【发明内容】
[0005]本发明是为了克服现有技术所存在的不足之处，提供一种基于DSP的平面电容传感器测量系统。以数字信号处理器DSP为核心，控制直接数字频率合成器DDS产生频率可调的正弦驱动信号；以电容负反馈放大电路处理正弦感应信号，采用频谱分析方法计算并利用频谱校正提高精度。
[0006]本发明为解决技术问题采用技术方案是:
[0007]本发明基于DSP的平面电容传感器测量系统的特点是:
[0008]系统构成包括平面电容传感器、由直接数字频率合成器DDS和差分放大电路构成的驱动电路、调理电路、前级滤波电路、A/D电路、DSP、外扩SRAM、铁电存储以及电源监测电路；
[0009]设定测量系统利用平面电容传感器进行测量的起始频率为Fs、终止频率为Fe、总测量点数为N ;所述DSP根据设定的起始频率Fs、终止频率Fe及总测量点数N计算得到每一个测量点对应的频率fi，i=l，2，3...，N，控制所述DDS产生频率为的单极性正弦信号，并经所述差分放大电路输出幅值可调的正弦驱动信号，所述正弦驱动信号分别送至前级滤波电路和平面电容传感器的驱动电极；所述前级滤波电路对正弦驱动信号处理后送至A/D电路；所述平面电容传感器的驱动电极在正弦驱动信号的激励下，在其感应电极输出同频率正弦感应信号并经所述调理电路处理后送至前级滤波电路；所述前级滤波电路对正弦感应信号处理后送至A/D电路；
[0010]所述A/D电路按照设定的采样频率，同步采样所述滤波电路处理后的正弦驱动信号和正弦感应信号并传送到所述DSP ;所述采样频率根据由所述起始频率Fs和所述终止频率Fe确定的频率范围进行分段设置；
[0011]所述DSP对同步采样得到的可能混有噪声的正弦驱动信号和正弦感应信号进行数字滤波，再采用基于快速傅里叶变换FFT的功率谱分析方法对滤波后的数据做功率谱计算和频谱校正，得到正弦驱动信号和正弦感应信号的幅值和相位；利用正弦驱动信号和正弦感应信号之间的幅值比A和相位差P计算频率fi; i=l, 2，3...，N,条件下平面电容传感器极间电容Ci,和电导Gi, i=l, 2, 3-, N；
[0012]所述系统在完成一个频率的测量之后更新频率重复测量过程，直至完成N个测量点的测量。
[0013]本发明基于DSP的平面电容传感器测量系统的特点也在于:
[0014]所述单极性正弦信号的频率&由式⑴获得
[0015]
【权利要求】
1.一种基于DSP的平面电容传感器测量系统，其特征是: 系统构成包括平面电容传感器、由直接数字频率合成器DDS和差分放大电路构成的驱动电路、调理电路、前级滤波电路、A/D电路、DSP、外扩SRAM、铁电存储以及电源监测电路； 设定测量系统利用平面电容传感器进行测量的起始频率为Fs、终止频率为Fe、总测量点数为N ;所述DSP根据设定的起始频率Fs、终止频率Fe及总测量点数N计算得到每一个测量点对应的频率fi，i=l, 2，3...，N，控制所述DDS产生频率为&的单极性正弦信号，并经所述差分放大电路输出幅值可调的正弦驱动信号，所述正弦驱动信号分别送至前级滤波电路和平面电容传感器的驱动电极；所述前级滤波电路对正弦驱动信号处理后送至A/D电路；所述平面电容传感器的驱动电极在正弦驱动信号的激励下，在其感应电极输出同频率正弦感应信号并经所述调理电路处理后送至前级滤波电路；所述前级滤波电路对正弦感应信号处理后送至A/D电路； 所述A/D电路按照设定的采样频率，同步采样所述滤波电路处理后的正弦驱动信号和正弦感应信号并传送到所述DSP ;所述采样频率根据由所述起始频率Fs和所述终止频率Fe确定的频率范围进行分段设置； 所述DSP对同步采样得到的可能混有噪声的正弦驱动信号和正弦感应信号进行数字滤波，再采用基于快速傅里叶变换FFT的功率谱分析方法对滤波后的数据做功率谱计算和频谱校正，得 到正弦驱动信号和正弦感应信号的幅值和相位；利用正弦驱动信号和正弦感应信号之间的幅值比A和相位差F计算频率fp i=l, 2，3...，N,条件下平面电容传感器极间电容 Ci,和电导 Gi, i=l, 2, 3-, N； 所述系统在完成一个频率的测量之后更新频率重复测量过程，直至完成N个测量点的测量。
2.根据权利要求1所述的基于DSP的平面电容传感器测量系统，其特征是:所述单极性正弦信号的频率fi由式(I)获得
3.根据权利要求1所述的基于DSP的平面电容传感器测量系统，其特征是: 设置所述调理电路为电容负反馈放大电路，所述电容负反馈放大电路中的反馈回路由并联设置的反馈电容和反馈电阻构成；所述平面电容传感器在所述频率4条件下的极间电容Ci和电导Gi分别按式(2)和式(3)获得:
4.根据权利要求1所述的基于DSP的平面电容传感器测量系统，其特征是:所述差分放大电路由运算放大器U4B构成，在所述运算放大器U4B的反向输入端设置由运算放大器U4A构成的跟随电路，用于去除所述单极性正弦信号的直流偏置。
5.根据权利要求1所述的基于DSP的平面电容传感器测量系统，其特征是:所述DSP利用其内部事件管理器中PWM输出信号的上升沿启动A/D转换，所述PWM输出信号的频率即为采样频率；所述A/D在一次采样完成后，向DSP发送中断请求，由所述DSP内部SPI模块读取数据；当所述A/D采样点数小于或等于512点时,所述数据存储到DSP上的SRAM,当所述A/D采样点数大于512点时，所述`数据存储到外扩SRAM。
【文档编号】G01D5/24GK103697919SQ201310743347
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】黄云志, 徐成林, 郑亮, 方敏, 单开 申请人:合肥工业大学