一种振荡回路中基于阻尼振荡波的电阻、电感和电容的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于传感器测量技术领域，具体设及一种振荡回路中基于阻尼振荡波的电 阻、电感和电容的测量方法。
【背景技术】
[0002] 电阻、电感和电容是Ξ种最基本的电子元件。在传感器测量领域，许多物理量都可 W转化为对电阻值、电感值和电容值的测量。例如，溫度可W通过测量热敏电阻的阻值测 得；通过测量线圈电感值可W计算出该线圈与金属物体的距离；测量电容值可W获取两个 金属极板间的距离。通常，电阻、电感和电容可W采用电桥电路进行精确测量。但是，在一 些特殊场合，如电阻值非常小或被测元件与测量电路不能共地的场合，电桥测量方法不能 适用。
[0003][0004][0005] 上述两种方法，均可用于电阻的非接触测量场合，但测量精度有限。此外，电感、电 容的非接触式精确测量方法也是传感器测量领域的重要方向，在生产实践中具有一定价值 和意义。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种振荡回路中基于阻尼振 荡波的电阻、电感和电容的测量方法，同时适用于接触式测量和非接触式测量，且用于非接 触测量能够有效提高电阻、电感和电容的测量精度。
[0007] -种振荡回路中基于阻尼振荡波的电阻、电感和电容的测量方法，包括如下步 骤：
[0008] (1)通过连续采样获得振荡回路中电阻、电感和电容任一元件的电压序列 V,：{X〇, Xi,……，? J ;其中，N为大于10的自然数，X。~Xw 1依次为电压序列Vw中的各电压 值；
[0009] (2)从上述电压序列Vw中提取分别从第S1个采样点和第S2个采样点开始的m个 电压值，组成电压序列VmI:找S1，XsW，……，X…mJ和电压序列Vm2:化2,Xs2………，Xs2+mJ;其 中，Si、S2和m均为自然数且 0《Si<N，Si+m<N，0《S2<N，S2+m<N;
[0010] 做根据电压序列VmI和Vm2组合得到序列f Μ:找slXs2+m 1，XswXs2+m 2,……，Xsbm Azl ;
[0011] (4)对上述序列fw添加窗口函数，得到加窗序列FΜ:找slX祖mΛ,XswX曲m2胖1，…… ，XsUm?ΧΛJ;其中：W。~Wm1依次为窗口函数中的各函数值；
[0012] (5)对上述加窗序列Fm进行离散傅里叶变换，得到该序列的频谱；从频谱中提取 出两个幅度峰值所对应的两个相邻离散频率点Κι和K1+1，并根据两者的幅度值A化1)和 A化+1)对加窗序列Fm的频率和幅度值进行修正，得到加窗序列Fm精确的频率fir和幅度值 Air；
[001引（6)根据步骤似从电压序列V冲提取分别从第S3个采样点和第S4个采样点开 始的m个电压值，组成电压序列Vm3和Vm4;其中，S3和S4均为自然数且0《S3<N，S3+m<N， ο《S4<N，S4+m<N，S1+S2声s3+S4;
[0014] 进而根据电压序列Vm3和Vm4通过步骤（3)和（4)得到另一个加窗序列，并根据步 骤（5)求得该加窗序列精确的频率f2f和幅度值A2f;
[001引 （7)根据频率fir和f2山及幅度值Air和A2r，计算出振荡回路的阻尼振荡频率f和 阻尼系数b;进而根据阻尼振荡频率f和阻尼系数b，在已知振荡回路中电阻、电感和电容其 中一个元件参数值的情况下，求取另外两个元件的参数值。
[0016] 所述步骤（4)中的窗口函数采用汉宁窗和Blackman窗。
[0017] 所述的步骤（6)中，若窗口函数采用汉宁窗则通过W下公式对加窗序列Fm的频率 和幅度值进行修正，从而得到精确的频率fif和幅度值AIf:
[0020] 其中：ki为离散频率点Κ1所对应的频率值，f历电压序列Vw的采样频率。
[0021] 所述的步骤（6)中，若窗口函数采用Blackman窗则通过W下方法对加窗序列Fm的 频率和幅度值进行修正，从而得到精确的频率fif和幅度值AIf:
[0022]首先，由W下方程式求解出一个满足Ο<δ< 1的解δ1:
[0023]
[0024] 然后，根据W下公式求解出频率fif和幅度值AIf:
[0027] 其中：ki为离散频率点Κ1所对应的频率值，f历电压序列Vw的采样频率。
[0028] 所述的步骤（7)中通过W下关系式计算振荡回路的阻尼振荡频率f和阻尼系数 b：
[0029]f= 0. 5fir或 0. 5f化
[0030] 其中：Ts为电压序列Vn的采样周期。
[0031] 所述的步骤（7)中，在已知振荡回路中电阻、电感和电容其中一个元件参数值的 情况下，求取另外两个元件的参数值，具体计算方法如下：
[0032] 若振荡回路为串联振荡回路且已知其中电阻的阻值R，则通过W下算式求取电感 的感值L和电容的容值C:
[0033]
[0034] 若振荡回路为串联振荡回路且已知其中电感的感值以则通过W下算式求取电阻 的阻值R和电容的容值C:
[0035]
[0036] 若振荡回路为串联振荡回路且已知其中电容的容值C，则通过W下算式求取电阻 的阻值R和电感的感值L:
[0037]
[0038] 若振荡回路为并联振荡回路且已知其中电阻的阻值R，则通过W下算式求取电感 的感值L和电容的容值C:
[0039]
[0040] 若振荡回路为并联振荡回路且已知其中电感的感值以则通过W下算式求取电阻 的阻值R和电容的容值C:
[0041]
[0042] 若振荡回路为并联振荡回路且已知其中电容的容值C，则通过W下算式求取电阻 的阻值R和电感的感值L:
[0043]
[0044] 本发明的有益技术效果在于：
[004引 （1)本发明基于阻尼振荡波的电阻、电感和电容测量方法，实现了在特殊应用场合 (如：有隔离要求、待测元件处于密闭狭小空间等）对电阻、电感和电容Ξ种基本电参数的 非接触式测量；同时，无需改变测量装置的硬件配置，即可实现Ξ种参数的测量，电路结构 简单，使用方便。
[004引似本发明采用了改进的离散傅里叶算法，实现了电阻、电感和电容参数的高精度 测量；其中，对检测电压信号进行窗函数处理，可W有效的抑制标准离散傅里叶变换中截断 效应的影响，提高傅里叶变换精度，进而提高电阻、电感和电容参数的测量精度。
[0047] (3)本发明测量方法在检测电压信号经过窗函数处理的基础上，进一步采用了单 谱线插值算法，对非整数周期采样造成的频率计算误差进行修正，同时对截断效应产生的 频谱幅值误差进行了修正，进一步提高了测量方法的精度。
【附图说明】
[0048] 图1为本发明电阻、电感和电容的非接触测量装置的结构示意图。
[0049] 图2为本发明电阻、电感和电容的非接触测量装置的电路原理图。
【具体实施方式】
[0050] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及【具体实施方式】对本发明的测量方法 进行详细说明。
[0051] 如图1和图2所示，本实施方式提供了一种电阻、电感和电容的非接触测量装置， 包括：控制器、驱动电路、开关电路101、谐振电路102、信号检测电路104和串联振荡回路 103。
[0052] 驱动电路与控制器相连，其将控制器提供的两路驱动信号进行放大后输出；本实 施例中，驱动电路采用InternationalRectifier公司的IRF2110忍片。
[0053] 开关电路101与驱动电路相连，其根据驱动电路提供的两路放大后的驱动信号， 输出方波信号；本实施例中，开关电路101由两个M0S管Q1~Q2和两个二极管D1~D2构 成；其中，M0S管Q1的源极接+12V的电源电压，栅极为开关电路101的第一输入端并接收 驱动电路输出的第一驱动信号，漏极与二极管D1的阳极相连;M0S管Q2的源极接地，栅极 为开关电路101的第二输入端并接收驱动电路输出的第二驱动信号，漏极与二极管D2的阴 极相连；二极管D1的阴极与二极管D2的阳极相连构成开关电路101的输出端并输出方波 信号。
[0054] 谐振电路102与开关电路101相连，其将方波信号转换成交流电压信号；本实施例 中，谐振电路102采用串联式谐振电路，包括一个电阻R2、一个电容C2和一个电感L2 ;其 中，电阻R2的一端与电容C2的一端相连构成谐振电路102的输入端并接收开关电路101 输出的方波信号，电容C2的另一端与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与电阻R2的另 一端相连并接地。
[0055] 串联振荡回路103与谐振电路102禪合，其将从谐振电路102中的电感L2上禪合 得到的交流电压信号作为初始电激励；串联振荡回路103为由一个电感^一个电容C和一 个电阻R串联构成的电路，电感L与谐振电路102中电感L2相禪合。
[0056] 信号检测电路104与谐振电路102相连，其采集谐振电路102接收到的包含电阻、 电感和电容信息的阻尼振荡波信号，并对该信号进行调理整形，输出检测电压信号；本实施 例中，信号检测电路104由四个电阻R3~R6、一个电容C3和一个运算放大器U构成；其中， 电阻R3的一端为信号检测电路104的输入端且与谐振电路102中的电感L2的一端相连W 采集谐振电路102接收到的阻尼振荡波信号，电阻R3的另一端与电阻R4的一端和运算放 大器U的正相输入端相连，电阻R4的另一端与电阻R5的一端相连并接地，电阻R5的另一 端与运算放大器U的反相输入端、电阻R6的一端和电容C3的一端相连，运算放大器U的正 电源端接巧V的电源电压，运算放大器U的负电源端接-5V的电源电压，运算放大器U的输 出端与电阻R6的另一端和电容C3的另一端相连构成信号检测电路104的输出端并输出检 测电压信号。
[0057] 控制器