一种可变频率的非接触的水泥阻抗测试仪的制作方法

本发明涉及水泥阻抗测试仪，尤其涉及一种可变频率的非接触的水泥阻抗测试仪。

背景技术：

水泥主要用于生产混凝土、砂浆和混凝土制品。当今社会，水泥混凝土是最大的人造工程材料。水泥混凝土应用于建筑、农业、工业和军事等各个领域，在经济发展中起着重要作用。今后相当长的时间内，水泥混凝土仍将是应用最广、用量最大的建筑材料但是水泥混凝土的复杂性和多变性往往让研究者感到棘手。

水泥是具有复杂结构的非均质、多相(气相、液相、固相)和多层次(微观、细观、宏观)的复合体系。水泥中含有多种矿物组分，同时这些矿物组分的性质会因掺杂、热历史等而改，水泥的细度、混合材、外加剂、水灰比、养护的湿度和温度等也会对水泥的凝结硬化产生影响。另外是浆体形态的多变性，水泥混凝土在加入水后会发生粘塑体到粘弹性的转变，形态由液态逐渐转变成固液态乃至固态，同时伴随着放热、体积收缩、强度增长等现象，随着技术的不断进步，新的方法不断的被开发应用。电学的方法即是新方法之一，属于无损检测法(non-destructivetests,ndt)的一种，具有无损检测法的优点。相比于声波、微波等方法，电学的方法可从物理(孔隙率、孔分布、孔结构等)、化学(离子浓度、电离度)等的角度观察、研究早龄期水泥混凝土性能变化，因此有极好的前景。

目前，在众多电学方法测量水泥基材料微观孔结构变化的技术中，基于监测水泥水化过程中电性质变化的方法尤为重要。通过检测水泥基材料在水化过程中的电阻率变化情况，可以用于水泥基材料的水化特性研究。虽然应用于分析水泥基材料孔结构的非接触式阻抗测量仪可以避免因为腐蚀、锈蚀造、松动成测量电阻不准确的缺点，但由于主要采用固定频率励磁1khz源，固定电压输出+-36v，电压不恒定，电压太大，严重影响水泥水化过程，对水化过程中离子运动施加过多影响，干扰正常水化过程，电压太小，因为水泥水化过程对应电阻范围从200ω-20kω，过小励磁电压造成水泥环电流过小，电流传感器无法检测出电流或者造成过大的测量误差。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种电压恒定，检测精度高的可变频率的非接触的水泥阻抗测试仪。

本发明的实施例提供一种可变频率的非接触的水泥阻抗测试仪，包括可变频率可变幅度的频率合成器、功率放大器、励磁变压器、检测变压器和中央arm控制器，所述可变频率可变幅度的频率合成器可以输出频率为1khz-200khz、幅度为-40v～+40v的交流信号，所述励磁变压器由磁芯分别与初级线圈和水泥环样品耦合而成，所述水泥环样品上放置有一单匝线圈，所述单匝线圈与环电压测量器连接，所述水泥环样品与检测变压器耦合成电流互感器，所述检测变压器连接环电流测量器，所述环电流测量器通过检测电流互感器的输出电流得到水泥环样品的感应电流，所述环电压测量器测出水泥环样品的感应电压，所述频率合成器输出的交流信号经功率放大器放大，通过环电压测量器采用数字式增量pid偏差控制输出的dds信号源幅度来实现闭环水泥环样品的电压的稳定控制，使经过功率放大器放大后的交流信号加载在励磁变压器的初级线圈上输出的电压大小保持恒定，从而让水泥环样品的感应电压的大小保持恒定，所述中央arm控制器根据测得的水泥环样品的感应电流，得到水泥环样品电阻的复阻抗。

进一步，所述磁芯为高磁导率低功耗的微晶铁氧体，所述初级线圈的线匝数为24，所述检测变压器采用1j85坡莫合金，所述检测变压器的线匝数为100。

进一步，所述频率合成器输出的频率范围在1khz～200khz，幅度在-40v～+40v自由调节，所述频率合成器采用dds信号源，并将其输出信号通过所述功率放大器放大从而构成两级模式，所述dds信号源输出-5v～+5v的可变频率交流信号，再通过所述功率放大器将信号放大到-40v～+40v，所述dds信号源采用ad9852芯片作为信号发生器的信号发生器输出，所述ad9852芯片的信号波形、频率和幅值输出由单片机动态自由的控制，所述ad9852芯片输出的差分信号经由低通滤波器、差分仪表放大器输出给所述功率放大器，从而让输出信号的频率范围在1khz～200khz之间，所述功率放大器的输出级采用功率mosfet管，其输出电流与输入电压成正比，其电路高端和低端相对于正负电源作对称连接，其驱动信号是在高位与低位间对称的非线性电流从而让其工作在甲乙类，所述功率放大器设置了反馈电路和比例积分电路的积分器从而改善输出特性，并把因负荷变化和内部参数变化引起的增益误差及dc偏移控制在最小状态，所述功率放大器的电路构成从直流信号起放大100倍的反相放大器，从而获得从±2v～±40v的输出；频率合成器和功率放大器在200ω负荷输出400vp－p，可获得从1khz～200khz的平直特性，而高次谐波仅为0.05％。

进一步，所述初级线圈上的分压设为u1，则

式中：r0为功率放大器的内阻，u0为功率放大器的输出电压，l1为电感量，f为频率，r1+2πfl1为初级线圈的阻抗；

当初级线圈的线匝数为24时，r0＝8欧姆，r1＝0欧姆，l1＝2.54mh，频率合成器输出的交流信号的频率为1khz，初级线圈的阻抗为16欧姆，当频率合成器输出的交流信号的频率为200khz时，初级线圈的阻抗为3200欧姆，所述水泥环样品的感应电压的大小保持恒定，在变频过程中需要调整dds信号源输出的交流信号。

进一步，所述初级线圈上的分压u1与水泥环样品的感应电压u2满足：

u1/u2＝n1/n2

式中：n1为初级线圈的线匝数，n2为水泥环样品上线圈的匝数，通过检测水泥环样品的感应电压可以反求初级线圈的分压，水泥环样品的给定电压为上位机设定电压，通过环电压测量器获得水泥环样品的电压实际值un，采用数字式增量pid偏差控制来实现闭环控制。

进一步，所述中央arm控制器为双arm单片机硬件结构设计，整个硬件结构包括主控芯片、网口、第一arm单片机、第二arm单片机、第一a/d采样芯片、第二a/d采样芯片和电源，所述电源为主控芯片、第一arm单片机、第二arm单片机、第一a/d采样芯片和第二a/d采样芯片供电，所述第一arm单片机分别控制第一a/d采样芯片和第二a/d采样芯片采集和存储水泥环样品的感应电压和感应电压，所述第二arm单片机控制主控芯片输出交流信号，所述第一arm单片机和第二arm单片机之间通过spi接口实现高速数据交换，所述第一arm单片机将水泥环样品感应电压的数据传输给第二arm单片机，所述第二arm单片机通过控制主控芯片调整输出的交流信号。

进一步，所述第一arm单片机和第二arm单片机中移植嵌入式以太网，实现上下位机网络数据通讯，所述第一arm单片机和第二arm单片机通过和dma9000搭建嵌入式网络硬件平台，并根据tcp/ip协议栈进行嵌入式网络移植。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过采用数字式增量pid偏差控制来实现闭环控制，通过对频率合成器输出的频率进行放大，使水泥环样品的感应电压保持恒定，避免由于频率变化引起内外阻抗变化造成水泥环样品电压的波动，同时，便于对水泥环样品的感应电流的测量，使对感应电流的测量精度大大提高，进而大大提高水泥环样品阻抗的测量精度，稳压精度好，有效降低测量误差；

2、本发明将加在初级线圈上的信号频率由以前的1khz最大可提高到200khz，有效提高仪器的检测精度，检测范围增大，适用范围广泛，水泥环样品电组的最佳测量范围200ω-5kω，可以测量到10kω，并采用电阻网络校正后自动计算校正模型，采用充分实验基础上建立的的数学模型来自动校正相位，大大提高相位补偿的精度和智能度；

3、交流阻抗谱法是研究一定频率谱下的浆体导电特性，水泥水化过程中，水泥颗粒表面形成扩散双电层，该双电层厚度及电位随水化时间而改变；此外颗粒表面对电场响应特性也会随频率发生变化，在高频或超高频下，颗粒表面对电场的响应会有滞后，本发明通过研究不同频率下的浆体导电特性随水化时间的变化来研究水泥水化，更能准确反映水泥水化过程的阻抗；

4、本发明水泥环样品的电压和电流均采用2mhz，16位精度的a/d转换芯片，转换速度快精度高。

附图说明

图1是本发明一种可变频率的非接触的水泥阻抗测试仪的结构示意图。

图2是图1中处理器的内部硬件电路的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种可变频率的非接触的水泥阻抗测试仪，包括可变频率可变幅度的频率合成器1、功率放大器2、励磁变压器3、检测变压器5和中央arm控制器8。

可变频率可变幅度的频率合成器1可以输出频率为1khz-200khz、幅度为-40v～+40v的交流信号。

请参考图2，中央arm控制器8为双arm单片机硬件结构设计，整个硬件结构包括主控芯片81、网口82、第一arm单片机83、第二arm单片机84、第一a/d采样芯片85、第二a/d采样芯片86和电源87，电源87为主控芯片81、第一arm单片机83、第二arm单片机84、第一a/d采样芯片85和第二a/d采样芯片86供电，第一arm单片机83分别控制第一a/d采样芯片85和第二a/d采样芯片86采集和存储水泥环样品33的感应电压和感应电压，第二arm单片机84控制主控芯片81输出交流信号，第一arm单片机83和第二arm单片机84之间通过spi接口实现高速数据交换,第一arm单片机83将水泥环样品33感应电压的数据传输给第二arm单片机84，第二arm单片机84通过控制主控芯片81调整输出的交流信号。

在一实施例中，第一arm单片机83和第二arm单片机84中移植嵌入式以太网，实现上下位机网络数据通讯，第一arm单片机83和第二arm单片机84通过和dma9000搭建嵌入式网络硬件平台，并根据tcp/ip协议栈进行嵌入式网络移植。

励磁变压器3由磁芯31分别与初级线圈32和水泥环样品33耦合而成，在一实施例中，磁芯为高磁导率低功耗的微晶铁氧体，所述初级线圈的线匝数为24，水泥环样品33上放置有一单匝线圈34，单匝线圈34与环电压测量器4连接，环电压测量器测出水泥环样品的感应电压，水泥环样品33与检测变压器5耦合成电流互感器，在一实施例中，检测变压器5采用1j85坡莫合金，检测变压器5的线匝数为100，检测变压器5连接环电流测量器6，环电流测量器6通过检测电流互感器的输出电流得到水泥环样品33的感应电流。

设初级线圈32上的分压设为u1，则

式中：r0为功率放大器2的内阻，u0为功率放大器2的输出电压，l1为电感量，f为频率，r1+2πfl1为初级线圈32的阻抗；

当初级线圈32的线匝数为24时，r0＝8欧姆，r1＝0欧姆，l1＝2.54mh，频率合成器1输出的交流信号的频率为1khz，初级线圈32的阻抗为16欧姆，当频率合成器1输出的交流信号的频率为200khz时，初级线圈32的阻抗为3200欧姆，因此，在变频过程中需要调整dds信号源输出的交流信号，使水泥环样品的感应电压的大小保持恒定。

初级线圈32上的分压u1与水泥环样品33的感应电压u2满足：

u1/u2＝n1/n2

式中：n1为初级线圈32的线匝数，n2为水泥环样品33上线圈的匝数，通过检测水泥环样品33的感应电压可以反求初级线圈32的分压，水泥环样品33的给定电压为上位机设定电压，通过环电压测量器4获得水泥环样品33的电压实际值un，采用数字式增量pid偏差控制来实现闭环控制。

故，频率合成器1输出的交流信号经功率放大器2放大，通过环电压测量器4采用数字式增量pid偏差控制输出的dds信号源幅度来实现闭环水泥环样品33的电压的稳定控制，使经过功率放大器2放大后的交流信号加载在励磁变压器3的初级线圈32上输出的电压大小保持恒定，从而让水泥环样品33的感应电压的大小保持恒定，中央arm控制器8根据测得的水泥环样品33的感应电流，得到水泥环样品电阻的复阻抗。

在一实施例中，频率合成器1输出的频率范围在1khz～200khz，幅度在-40v～+40v自由调节，频率合成器1采用dds信号源，并将其输出信号通过所述功率放大器2放大从而构成两级模式，dds信号源输出-5v～+5v的可变频率交流信号，再通过所述功率放大器2将信号放大到-40v～+40v，dds信号源采用ad9852芯片作为信号发生器的信号发生器输出，ad9852芯片的信号波形、频率和幅值输出由一单片机动态自由的控制，ad9852芯片输出的差分信号经由低通滤波器、差分仪表放大器输出给所述功率放大器2，从而让输出信号的频率范围在1khz～200khz之间，功率放大器2的输出级采用功率mosfet管，其输出电流与输入电压成正比，其电路高端和低端相对于正负电源作对称连接，其驱动信号是在高位与低位间对称的非线性电流从而让其工作在甲乙类，所述功率放大器2设置了反馈电路和比例积分电路的积分器从而改善输出特性，并把因负荷变化和内部参数变化引起的增益误差及dc偏移控制在最小状态，所述功率放大器2的电路构成从直流信号起放大100倍的反相放大器，从而获得从±2v～±40v的输出；频率合成器1和功率放大器2在200ω负荷输出400vp－p，可获得从1khz～200khz的平直特性，而高次谐波仅为0.05％。

工作过程：频率合成器1输出交流信号，交流信号经功率放大器2加在初级线圈32上，初级线圈32产生一定频率的交变磁场，由水泥环样品33构成的次级线圈相当于一个变压器二次绕组，产生相应感应电压，环电压检测4测出水泥环样品33的电压实际值，并由第一arm单片机83控制的第一a/d采样芯片85采集，并通过第一arm单片机83和第二arm单片机84之间的高速数据交换，第一arm单片机83将水泥环样品33感应电压的数据传输给第二arm单片机84，第二arm单片机84通过控制主控芯片81调整输出的交流信号，将交流信号经功率放大器2放大，再次加在初级线圈32上，因为u1/u2＝n1/n2，从而通过调整电压u1的大小让u2基本保持恒定，从而实现对u2进行数字式增量pid偏差控制，再通过环电流检测6检测感应电流，即能得到准确的水泥环样品电阻的复阻抗。

本发明通过采用数字式增量pid偏差控制来实现闭环控制，通过对输出的正弦波信号的功放进行调整，使水泥环样品的感应电压保持恒定，便于对水泥环样品的感应电流的测量，使对感应电流的测量精度大大提高，进而大大提高水泥环样品阻抗的测量精度，稳压精度好，有效降低测量误差；本发明将加在初级线圈上的信号频率由以前的1khz最大可提高到200khz，有效提高仪器的检测精度，检测范围增大，适用范围广泛，水泥环样品电组的最佳测量范围200ω-5kω，可以测量到10kω，采用充分实验基础上建立的的数学模型来自动校正相位，大大提高相位补偿的精度和智能度；本发明通过研究不同频率下的浆体导电特性随水化时间的变化来研究水泥水化，更能准确反映水泥水化过程的阻抗；本发明水泥环样品的电压和电流均采用2mhz，16位精度的a/d转换芯片，转换速度快精度高。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。