专利名称：一种非电学量测定系统及方法
技术领域：
本发明涉及非电学量测定领域，更准确的说是涉及一种非电学量测定系统及方 法。
背景技术：
电容传感器被广泛应用，但是电容传感器具有非线性的特性，而且其非线性特性 随温度的变化而变化。为了保证电容传感器的检测精度，现有技术中，在常温下应用分段线性的方法得 出输入信号与输出信号之间的折线关系。即为将输入信号分成若干段，在每一段上都可以 认为输入信号与输出信号之间是线性关系，对于这些量而言，在整个量程范围内是非线性 的，但是就输入的某一局部范围之内，其输出信号和输入信号可以近似的认为是线性关系。 分段数量越多，检测精度越高。但是在实际应用中，因为增加分段的数量会增加成本，所以分段的数量不宜太多， 因而使用分段线性方法的精度不能很高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种非电学量测定系统及方法，不用进行分段操作，能够 降低成本且检测精度较高。本发明提供了一种非电学量测定系统，包括采集非电学量并转换为电容信号值的电容传感器；连接所述电容传感器、将所述电容信号值转换为频率信号值的频率转换模块；采集温度信号值的温度采集模块；连接所述频率转换模块和温度采集模块的微控制单元MCU模块，该MCU模块依据 预设的高阶非线性特征方程处理所述频率信号值和所述温度信号值，得到所述非电学量的值。优选的，所述预设的高阶非线性特征方程为Y = F4* (A1*T4+A2*T3+A3*T2+A4*T+A5) +F3* (B 1*T4+B2*T3+B3*T2+B4*T+B5) +F2* (C 1*T4+C2*T3+C3*T2+C4*T+C5) +F* (D1*T4+D2*T3+D3*T2+D4*T+D5) +(E1*T4+E2*T3+E3*T2+E4*T+E5)，其中，Y为所述非电学量的计算值，F为所述频率信号值，T为所述温度信号值， Al A5、Bl B5、Cl C5、Dl D5和El E5为所述高阶非线性特征方程的系数。优选的，所述频率转换模块为RC振荡电路。优选的，本发明提供的系统还包括数字接口模块，所述非电学量的计算值通过数 字接口模块输出。
优选的，所述数字接口模块为串行外围设备接口 SPI模块。本发明还提供了一种非电学量测定方法，包括采集多个已知非电学量、多个温度信号值和多个由所述已知非电学量经电容信号 转换而来的频率信号值；将所述已知非电学量、温度信号值和频率信号值输入所述非电学量与频率信号 值、温度信号值之间的含有待定系数的高阶非线性特征方程并利用高阶非线性拟合算法计 算出高阶非线性特征方程的待定系数；采集未知非电学量并将所述非电学量转换为电容信号值，再将所述电容信号值转 换为频率信号值，采集温度信号值；将所述温度信号值和频率信号值代入已确定系数的所述高阶非线性特征方程并 计算出所述未知非电学量的值。优选的，所述高阶非线性特征方程为Y = F4* (A1*T4+A2*T3+A3*T2+A4*T+A5) +F3 氺(B1*T4+B2*T3+B3*T2+B4*T+B5) +F2* (C1*T4+C2*T3+C3*T2+C4*T+C5) +F 氺(Dl 氺 T4+D2 氺 T3+D3 氺 T2+D4 氺 T+D5) +
(E1*T4+E2*T3+E3*T2+E4*T+E5)其中，Y为非电学量的计算值，F为所述频率信号值，T为所述温度信号值，Al A5、Bl B5、Cl C5、Dl D5和El E5为所述高阶非线性特征方程的系数。优选的，所述采集多个已知非电学量、多个温度信号值和多个由所述已知非电学 量经电容信号转换而来的频率信号值为采集不低于10万个已知非电学量、不低于10万个 温度信号值和不低于10万个由所述已知非电学量经电容信号转换而来的频率信号值。优选的，所述采集多个温度信号值的过程包括按照预设规律改变环境温度，分别采集不同环境温度下的温度信号值。优选的，所述多个已知非电学量在数值上均勻分布；所述多个温度信号值在被采 集的时间上均勻分布。优选的，所述多个已知非电学量为整数；所述多个温度信号值为整数。本发明提供的一种非电学量测定系统及方法能够将非电学量变换为频率信号值， 并采集温度信号值，将所述频率量和温度输入已经确定系数的所述高阶非线性特征方程， 计算出所检测的非电学量。由于本发明采用的是高阶非线性特征方程，不用进行分段计算， 能够降低成本。并且，由于高阶非线性特征方程的系数根据大量的数据用高阶非线性拟合 算法计算得出，所以精度较高。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明实施例一的一种非电学量测定系统；
图2为本发明实施例一的高阶非线性特征方程系数的确定方法；图3为本发明实施例二的一种非电学量测定系统；图4为本发明实施例三的一种非电学量测定系统；图5为本发明实施例四的一种非电学量测定方法。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。为方便理解，现对某些词汇进行解释性说明高阶非线性拟合算法先假设某一含有待定系数的高阶非线性特征方程符合所 述特征方程中各参量之间的特征曲线或者曲面，然后采集大量已知的各参数数据，利用 matlab拟合计算出所述特征方程的待定系数的数值，从而确定各参数的特征方程。在所述 高阶非线性拟合算法中，采集的数据越多，采集的数据分布越均勻，则确定的特征方程所描 述的特征曲线或曲面越接近各参量之间真正的特征曲线或者曲面。MCU 是英文Micro Control Unit的缩写，中文意思是微控制单元。SPI 是英文Serial Peripheral Interface的缩写，中文意思是串行外围设备接□。参照图1，为本发明实施例一的一种非电学量测定系统。如图1所示，本实施例所述的一种非电学量测定系统包括电容传感器模块101、 频率转换模块102、温度采集模块103、MCU模块104 ；所述电容传感器模块101采集非电学量，并转换为电容信号值输出给频率转换模 块102，所述频率转换模块102将所述电容信号值转换为频率信号值并输出给所述MCU模 块104，所述温度采集模块103采集温度信号值，并将得到的温度信号值输出给所述MCU模 块104，所述MCU模块104将所述频率信号值、温度信号值带入所述非电学量与所述频率信 号值、温度信号值之间的高阶非线性特征方程Y = F4* (A1*T4+A2*T3+A3*T2+A4*T+A5) +F3* (B1*T4+B2*T3+B3*T2+B4*T+B5) +F2* (C1*T4+C2*T3+C3*T2+C4*T+C5) +F 氺(Dl 氺 T4+D2 氺 T3+D3 氺 T2+D4 氺 T+D5) +(E1*T4+E2*T3+E3*T2+E4*T+E5)，并计算得出所述非电学量的数值3其中，Y为所述非电学量的计算值，F为所述频率信号值，T为所述温度信号值， Al A5、Bl B5、Cl C5、Dl D5和El E5为所述高阶非线性特征方程的系数。所述高阶非线性特征方程中，所述频率信号值F和所述温度信号值T均为已知， 要求出所述非电学量的值，还需要确定所述高阶非线性特征方程的系数Al A5、B1 B5、 Cl C5、D1 D5 禾口 El E5。参照图2，为本发明实施例一的高阶非线性特征方程系数的确定方法。
该方法包括采集多个已知非电学量、多个温度信号值和多个由非电学量经电容信号值转换而 来的频率信号值；将所述已知非电学量、温度信号值和频率信号值输入所述非电学量与频率信号 值、温度信号值之间的含有待定系数的高阶非线性特征方程Y = F4* (A1*T4+A2*T3+A3*T2+A4*T+A5) +F3 氺(B1*T4+B2*T3+B3*T2+B4*T+B5) +F2* (C1*T4+C2*T3+C3*T2+C4*T+C5) +F 氺(Dl 氺 T4+D2 氺 T3+D3 氺 T2+D4 氺 T+D5) +(E1*T4+E2*T3+E3*T2+E4*T+E5)并利用高阶非线性拟合算法计算出所述高阶非线性特征方程的系数；其中，Y为所述非电学量的计算值，F为所述频率信号值，T为所述温度信号值， Al A5、B 1 B5、Cl C5、Dl D5和El E5为所述高阶非线性特征方程的系数。本实施例所述的系统能够将非电学量变换为频率信号值，并采集温度信号值，将 所述频率信号值和温度信号值输入已经确定系数的所述高阶非线性特征方程，计算出所述 非电学量。由于本发明采用的是高阶非线性拟合算法，不用进行分段操作，能够降低成本， 且精度较高。参照图3，为本发明实施例二的一种非电学量测定系统。如图3所示，本实施例所 述的一种非电学量测定系统与实施例一所述的系统的区别在于，还包括数字接口模块105， 所述频率转换模块为RC振荡电路102。除此之外，本实施例所述系统与实施例一所述系统相同。所述电容传感器模块101采集非电学量，并转换为电容信号值输出给RC振荡电 路102，所述RC振荡电路102将所述电容信号值转换为频率信号值并输出给所述MCU模块 104，所述温度采集模块103采集温度信号值，并将得到的温度信号值输出给所述MCU模块 104。所述MCU模块104在计算出所述非电学量的数值后，通过数字接口模块105输出所述 非电学量的数值。参照图4，为本发明实施例三的一种非电学量测定系统。如图4所示，本实施例所述的一种非电学量测定系统与实施例二所述的系统的区 别在于，所述数字接口模块为SPI模块105。所述非电学量的数值通过所述SPI模块105输
出ο除此之外，本实施例所述系统与实施例二所述系统相同。参照图5，为本发明实施例四的一种非电学量测定方法。如图5所示，本实施例所述的方法包括采集多个已知非电学量、多个温度信号值和多个由非电学量经电容信号值转换而 来的频率信号值；将所述已知非电学量、温度信号值和频率信号值输入所检测的非电学量与频率信 号值、温度信号值之间的含有待定系数的高阶非线性特征方程Y = F4* (A1*T4+A2*T3+A3*T2+A4*T+A5) +F3 氺(B1*T4+B2*T3+B3*T2+B4*T+B5) +
F2* (C1*T4+C2*T3+C3*T2+C4*T+C5) +F 氺(Dl 氺 T4+D2 氺 T3+D3 氺 T2+D4 氺 T+D5) +(E1*T4+E2*T3+E3*T2+E4*T+E5)其中，Y为所述非电学量的计算值，F为所述频率信号值，T为所述温度信号值，其 中，Al A5、Bl B5、C1 C5、D1 D5和El E5为所述高阶非线性特征方程的系数。在实际应用中，为了提高检测的精度，所述高阶非线性特征方程还可以增加频率F 的幂的多项式，例如，所述高阶非线性特征方程可以为Y = F5* (G1*T4+G2*T3+G3*T2+G4*T+G5) +
F4* (A1*T4+A2*T3+A3*T2+A4*T+A5) +F3 氺(B1*T4+B2*T3+B3*T2+B4*T+B5) +F2* (C1*T4+C2*T3+C3*T2+C4*T+C5) +F 氺(Dl 氺 T4+D2 氺 T3+D3 氺 T2+D4 氺 T+D5) +(E1*T4+E2*T3+E3*T2+E4*T+E5)其中，Y为所述非电学量的计算值，F为所述频率信号值，T为所述温度信号值，其 中，Al A5、B1 B5、C1 C5、D1 D5、E1 E5和Gl G5为所述高阶非线性特征方程 的系数。利用高阶非线性拟合算法计算出高阶非线性特征方程的系数；采集未知非电学量并将所述非电学量转换为电容信号值，再将所述电容信号值转 换为频率信号值，采集温度信号值。将所述温度信号值和频率信号值代入已确定系数的所述高阶非线性特征方程并 计算出所述非电学量的值。优选的，本方法中，所述采集多个已知非电学量、多个温度信号值和多个由所述已 知非电学量经电容信号转换而来的频率信号值为采集不低于10万个已知非电学量、不低 于10万个温度信号值和不低于10万个由所述已知非电学量经电容信号转换而来的频率信号值。优选的，本方法中，所述采集多个温度信号值的过程包括按照预设规律改变环境 温度，分别采集不同环境温度下的温度信号值。具体的，所述预设规律为将环境温度从室温 缓慢变化到零下40°C，到零下40°C之后维持此温度两个小时，然后升温到85°C，到85°C之 后维持此温度两个小时，然后降温到室温。优选的，本方法中，所述多个已知非电学量在数值上均勻分布；所述多个温度信号 值在被采集的时间上均勻分布。优选的，本方法中，所述多个已知非电学量为整数；所述多个温度信号值为整数。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的 一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明 将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。
权利要求
一种非电学量测定系统，其特征在于，包括采集非电学量并转换为电容信号值的电容传感器；连接所述电容传感器、将所述电容信号值转换为频率信号值的频率转换模块；采集温度信号值的温度采集模块；连接所述频率转换模块和温度采集模块的微控制单元MCU模块，该MCU模块依据预设的高阶非线性特征方程处理所述频率信号值和所述温度信号值，得到所述非电学量的值。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预设的高阶非线性特征方程为Y= F4* (A1*T4+A2*T3+A3*T2+A4*T+A5) +F3* (B1*T4+B2*T3+B3*T2+B4*T+B5) + F2* (C1*T4+C2*T3+C3*T2+C4*T+C5) + F* (D1*T4+D2*T3+D3*T2+D4*T+D5) + (E1*T4+E2*T3+E3*T2+E4*T+E5)，其中，Y为所述非电学量的计算值，F为所述频率信号值，T为所述温度信号值，Al A5、Bl B5、Cl C5、Dl D5和El E5为所述高阶非线性特征方程的系数。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述频率转换模块为RC振荡电路。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括数字接口模块， 所述非电学量的计算值通过数字接口模块输出。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述数字接口模块为串行外围设备接口 SPI模块。
6.一种非电学量测定方法，其特征在于，包括采集多个已知非电学量、多个温度信号值和多个由所述已知非电学量经电容信号转换 而来的频率信号值；将所述已知非电学量、温度信号值和频率信号值输入所述非电学量与频率信号值、温 度信号值之间的含有待定系数的高阶非线性特征方程并利用高阶非线性拟合算法计算出 高阶非线性特征方程的待定系数；采集未知非电学量并将所述非电学量转换为电容信号值，再将所述电容信号值转换为 频率信号值，采集温度信号值；将所述温度信号值和频率信号值代入已确定系数的所述高阶非线性特征方程并计算 出所述未知非电学量的值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述高阶非线性特征方程为 Y = F4*(A1*T4+A2*T3+A3*T2+A4*T+A5) +F3* (B1*T4+B2*T3+B3*T2+B4*T+B5) + F2* (C1*T4+C2*T3+C3*T2+C4*T+C5) + F* (D1*T4+D2*T3+D3*T2+D4*T+D5) + (E1*T4+E2*T3+E3*T2+E4*T+E5)其中，Y为非电学量的计算值，F为所述频率信号值，T为所述温度信号值，Al A5、 Bl B5、Cl C5、Dl D5和El E5为所述高阶非线性特征方程的系数。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述采集多个已知非电学量、多个温度信 号值和多个由所述已知非电学量经电容信号转换而来的频率信号值为采集不低于10万个已知非电学量、不低于10万个温度信号值和不低于10万个由所述已知非电学量经电容信 号转换而来的频率信号值。
9.根据权利要求6或8所述的方法，其特征在于，所述采集多个温度信号值的过程包括按照预设规律改变环境温度，分别采集不同环境温度下的温度信号值。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述多个已知非电学量在数值上均勻分 布；所述多个温度信号值在被采集的时间上均勻分布。
11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述多个已知非电学量为整数；所述多 个温度信号值为整数。
全文摘要
本发明公开了一种非电学量测定系统及方法，用于测定非电学量；本发明所述的系统及方法采用高阶非线性特征方程描述被检测非电学量与频率信号值和温度信号值之间的关系，同时，所述高阶非线性方程的系数使用高阶非线性拟合算法，通过大量的数据拟合算出，保证了检测的精度，避免了由于采用分段线性的方法而导致的检测精度不高的情况。
文档编号G01D3/028GK101936746SQ20101024309
公开日2011年1月5日 申请日期2010年8月2日 优先权日2010年8月2日
发明者常先明, 徐昭敏, 耿东汉, 陈小枫 申请人:北京华控技术有限责任公司