專利名稱：一種非電學(xué)量測定系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非電學(xué)量測定領(lǐng)域，更準(zhǔn)確的說是涉及一種非電學(xué)量測定系統(tǒng)及方 法。
背景技術(shù)：
電容傳感器被廣泛應(yīng)用，但是電容傳感器具有非線性的特性，而且其非線性特性 隨溫度的變化而變化。為了保證電容傳感器的檢測精度，現(xiàn)有技術(shù)中，在常溫下應(yīng)用分段線性的方法得 出輸入信號與輸出信號之間的折線關(guān)系。即為將輸入信號分成若干段，在每一段上都可以 認(rèn)為輸入信號與輸出信號之間是線性關(guān)系，對于這些量而言，在整個量程范圍內(nèi)是非線性 的，但是就輸入的某一局部范圍之內(nèi)，其輸出信號和輸入信號可以近似的認(rèn)為是線性關(guān)系。 分段數(shù)量越多，檢測精度越高。但是在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)樵黾臃侄蔚臄?shù)量會增加成本，所以分段的數(shù)量不宜太多， 因而使用分段線性方法的精度不能很高。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種非電學(xué)量測定系統(tǒng)及方法，不用進(jìn)行分段操作，能夠 降低成本且檢測精度較高。本發(fā)明提供了一種非電學(xué)量測定系統(tǒng)，包括采集非電學(xué)量并轉(zhuǎn)換為電容信號值的電容傳感器；連接所述電容傳感器、將所述電容信號值轉(zhuǎn)換為頻率信號值的頻率轉(zhuǎn)換模塊；采集溫度信號值的溫度采集模塊；連接所述頻率轉(zhuǎn)換模塊和溫度采集模塊的微控制單元MCU模塊，該MCU模塊依據(jù) 預(yù)設(shè)的高階非線性特征方程處理所述頻率信號值和所述溫度信號值，得到所述非電學(xué)量的值。優(yōu)選的，所述預(yù)設(shè)的高階非線性特征方程為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為所述非電學(xué)量的計(jì)算值，F(xiàn)為所述頻率信號值，T為所述溫度信號值， Al A5、Bl B5、Cl C5、Dl D5和El E5為所述高階非線性特征方程的系數(shù)。優(yōu)選的，所述頻率轉(zhuǎn)換模塊為RC振蕩電路。優(yōu)選的，本發(fā)明提供的系統(tǒng)還包括數(shù)字接口模塊，所述非電學(xué)量的計(jì)算值通過數(shù) 字接口模塊輸出。
優(yōu)選的，所述數(shù)字接口模塊為串行外圍設(shè)備接口 SPI模塊。本發(fā)明還提供了一種非電學(xué)量測定方法，包括采集多個已知非電學(xué)量、多個溫度信號值和多個由所述已知非電學(xué)量經(jīng)電容信號 轉(zhuǎn)換而來的頻率信號值；將所述已知非電學(xué)量、溫度信號值和頻率信號值輸入所述非電學(xué)量與頻率信號 值、溫度信號值之間的含有待定系數(shù)的高階非線性特征方程并利用高階非線性擬合算法計(jì) 算出高階非線性特征方程的待定系數(shù)；采集未知非電學(xué)量并將所述非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電容信號值，再將所述電容信號值轉(zhuǎn) 換為頻率信號值，采集溫度信號值；將所述溫度信號值和頻率信號值代入已確定系數(shù)的所述高階非線性特征方程并 計(jì)算出所述未知非電學(xué)量的值。優(yōu)選的，所述高階非線性特征方程為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為非電學(xué)量的計(jì)算值，F(xiàn)為所述頻率信號值，T為所述溫度信號值，Al A5、Bl B5、Cl C5、Dl D5和El E5為所述高階非線性特征方程的系數(shù)。優(yōu)選的，所述采集多個已知非電學(xué)量、多個溫度信號值和多個由所述已知非電學(xué) 量經(jīng)電容信號轉(zhuǎn)換而來的頻率信號值為采集不低于10萬個已知非電學(xué)量、不低于10萬個 溫度信號值和不低于10萬個由所述已知非電學(xué)量經(jīng)電容信號轉(zhuǎn)換而來的頻率信號值。優(yōu)選的，所述采集多個溫度信號值的過程包括按照預(yù)設(shè)規(guī)律改變環(huán)境溫度，分別采集不同環(huán)境溫度下的溫度信號值。優(yōu)選的，所述多個已知非電學(xué)量在數(shù)值上均勻分布；所述多個溫度信號值在被采 集的時間上均勻分布。優(yōu)選的，所述多個已知非電學(xué)量為整數(shù)；所述多個溫度信號值為整數(shù)。本發(fā)明提供的一種非電學(xué)量測定系統(tǒng)及方法能夠?qū)⒎请妼W(xué)量變換為頻率信號值， 并采集溫度信號值，將所述頻率量和溫度輸入已經(jīng)確定系數(shù)的所述高階非線性特征方程， 計(jì)算出所檢測的非電學(xué)量。由于本發(fā)明采用的是高階非線性特征方程，不用進(jìn)行分段計(jì)算， 能夠降低成本。并且，由于高階非線性特征方程的系數(shù)根據(jù)大量的數(shù)據(jù)用高階非線性擬合 算法計(jì)算得出，所以精度較高。


為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明實(shí)施例一的一種非電學(xué)量測定系統(tǒng)；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例一的高階非線性特征方程系數(shù)的確定方法；圖3為本發(fā)明實(shí)施例二的一種非電學(xué)量測定系統(tǒng)；圖4為本發(fā)明實(shí)施例三的一種非電學(xué)量測定系統(tǒng)；圖5為本發(fā)明實(shí)施例四的一種非電學(xué)量測定方法。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于 本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。為方便理解，現(xiàn)對某些詞匯進(jìn)行解釋性說明高階非線性擬合算法先假設(shè)某一含有待定系數(shù)的高階非線性特征方程符合所 述特征方程中各參量之間的特征曲線或者曲面，然后采集大量已知的各參數(shù)數(shù)據(jù)，利用 matlab擬合計(jì)算出所述特征方程的待定系數(shù)的數(shù)值，從而確定各參數(shù)的特征方程。在所述 高階非線性擬合算法中，采集的數(shù)據(jù)越多，采集的數(shù)據(jù)分布越均勻，則確定的特征方程所描 述的特征曲線或曲面越接近各參量之間真正的特征曲線或者曲面。MCU 是英文Micro Control Unit的縮寫，中文意思是微控制單元。SPI 是英文Serial Peripheral Interface的縮寫，中文意思是串行外圍設(shè)備接□。參照圖1，為本發(fā)明實(shí)施例一的一種非電學(xué)量測定系統(tǒng)。如圖1所示，本實(shí)施例所述的一種非電學(xué)量測定系統(tǒng)包括電容傳感器模塊101、 頻率轉(zhuǎn)換模塊102、溫度采集模塊103、MCU模塊104 ；所述電容傳感器模塊101采集非電學(xué)量，并轉(zhuǎn)換為電容信號值輸出給頻率轉(zhuǎn)換模 塊102，所述頻率轉(zhuǎn)換模塊102將所述電容信號值轉(zhuǎn)換為頻率信號值并輸出給所述MCU模 塊104，所述溫度采集模塊103采集溫度信號值，并將得到的溫度信號值輸出給所述MCU模 塊104，所述MCU模塊104將所述頻率信號值、溫度信號值帶入所述非電學(xué)量與所述頻率信 號值、溫度信號值之間的高階非線性特征方程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)，并計(jì)算得出所述非電學(xué)量的數(shù)值3其中，Y為所述非電學(xué)量的計(jì)算值，F(xiàn)為所述頻率信號值，T為所述溫度信號值， Al A5、Bl B5、Cl C5、Dl D5和El E5為所述高階非線性特征方程的系數(shù)。所述高階非線性特征方程中，所述頻率信號值F和所述溫度信號值T均為已知， 要求出所述非電學(xué)量的值，還需要確定所述高階非線性特征方程的系數(shù)Al A5、B1 B5、 Cl C5、D1 D5 禾口 El E5。參照圖2，為本發(fā)明實(shí)施例一的高階非線性特征方程系數(shù)的確定方法。
該方法包括采集多個已知非電學(xué)量、多個溫度信號值和多個由非電學(xué)量經(jīng)電容信號值轉(zhuǎn)換而 來的頻率信號值；將所述已知非電學(xué)量、溫度信號值和頻率信號值輸入所述非電學(xué)量與頻率信號 值、溫度信號值之間的含有待定系數(shù)的高階非線性特征方程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)并利用高階非線性擬合算法計(jì)算出所述高階非線性特征方程的系數(shù)；其中，Y為所述非電學(xué)量的計(jì)算值，F(xiàn)為所述頻率信號值，T為所述溫度信號值， Al A5、B 1 B5、Cl C5、Dl D5和El E5為所述高階非線性特征方程的系數(shù)。本實(shí)施例所述的系統(tǒng)能夠?qū)⒎请妼W(xué)量變換為頻率信號值，并采集溫度信號值，將 所述頻率信號值和溫度信號值輸入已經(jīng)確定系數(shù)的所述高階非線性特征方程，計(jì)算出所述 非電學(xué)量。由于本發(fā)明采用的是高階非線性擬合算法，不用進(jìn)行分段操作，能夠降低成本， 且精度較高。參照圖3，為本發(fā)明實(shí)施例二的一種非電學(xué)量測定系統(tǒng)。如圖3所示，本實(shí)施例所 述的一種非電學(xué)量測定系統(tǒng)與實(shí)施例一所述的系統(tǒng)的區(qū)別在于，還包括數(shù)字接口模塊105， 所述頻率轉(zhuǎn)換模塊為RC振蕩電路102。除此之外，本實(shí)施例所述系統(tǒng)與實(shí)施例一所述系統(tǒng)相同。所述電容傳感器模塊101采集非電學(xué)量，并轉(zhuǎn)換為電容信號值輸出給RC振蕩電 路102，所述RC振蕩電路102將所述電容信號值轉(zhuǎn)換為頻率信號值并輸出給所述MCU模塊 104，所述溫度采集模塊103采集溫度信號值，并將得到的溫度信號值輸出給所述MCU模塊 104。所述MCU模塊104在計(jì)算出所述非電學(xué)量的數(shù)值后，通過數(shù)字接口模塊105輸出所述 非電學(xué)量的數(shù)值。參照圖4，為本發(fā)明實(shí)施例三的一種非電學(xué)量測定系統(tǒng)。如圖4所示，本實(shí)施例所述的一種非電學(xué)量測定系統(tǒng)與實(shí)施例二所述的系統(tǒng)的區(qū) 別在于，所述數(shù)字接口模塊為SPI模塊105。所述非電學(xué)量的數(shù)值通過所述SPI模塊105輸
出ο除此之外，本實(shí)施例所述系統(tǒng)與實(shí)施例二所述系統(tǒng)相同。參照圖5，為本發(fā)明實(shí)施例四的一種非電學(xué)量測定方法。如圖5所示，本實(shí)施例所述的方法包括采集多個已知非電學(xué)量、多個溫度信號值和多個由非電學(xué)量經(jīng)電容信號值轉(zhuǎn)換而 來的頻率信號值；將所述已知非電學(xué)量、溫度信號值和頻率信號值輸入所檢測的非電學(xué)量與頻率信 號值、溫度信號值之間的含有待定系數(shù)的高階非線性特征方程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為所述非電學(xué)量的計(jì)算值，F(xiàn)為所述頻率信號值，T為所述溫度信號值，其 中，Al A5、Bl B5、C1 C5、D1 D5和El E5為所述高階非線性特征方程的系數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高檢測的精度，所述高階非線性特征方程還可以增加頻率F 的冪的多項(xiàng)式，例如，所述高階非線性特征方程可以為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為所述非電學(xué)量的計(jì)算值，F(xiàn)為所述頻率信號值，T為所述溫度信號值，其 中，Al A5、B1 B5、C1 C5、D1 D5、E1 E5和Gl G5為所述高階非線性特征方程 的系數(shù)。利用高階非線性擬合算法計(jì)算出高階非線性特征方程的系數(shù)；采集未知非電學(xué)量并將所述非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電容信號值，再將所述電容信號值轉(zhuǎn) 換為頻率信號值，采集溫度信號值。將所述溫度信號值和頻率信號值代入已確定系數(shù)的所述高階非線性特征方程并 計(jì)算出所述非電學(xué)量的值。優(yōu)選的，本方法中，所述采集多個已知非電學(xué)量、多個溫度信號值和多個由所述已 知非電學(xué)量經(jīng)電容信號轉(zhuǎn)換而來的頻率信號值為采集不低于10萬個已知非電學(xué)量、不低 于10萬個溫度信號值和不低于10萬個由所述已知非電學(xué)量經(jīng)電容信號轉(zhuǎn)換而來的頻率信號值。優(yōu)選的，本方法中，所述采集多個溫度信號值的過程包括按照預(yù)設(shè)規(guī)律改變環(huán)境 溫度，分別采集不同環(huán)境溫度下的溫度信號值。具體的，所述預(yù)設(shè)規(guī)律為將環(huán)境溫度從室溫 緩慢變化到零下40°C，到零下40°C之后維持此溫度兩個小時，然后升溫到85°C，到85°C之 后維持此溫度兩個小時，然后降溫到室溫。優(yōu)選的，本方法中，所述多個已知非電學(xué)量在數(shù)值上均勻分布；所述多個溫度信號 值在被采集的時間上均勻分布。優(yōu)選的，本方法中，所述多個已知非電學(xué)量為整數(shù)；所述多個溫度信號值為整數(shù)。對所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。 對這些實(shí)施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的 一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明 將不會被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一 致的最寬的范圍。
權(quán)利要求
一種非電學(xué)量測定系統(tǒng)，其特征在于，包括采集非電學(xué)量并轉(zhuǎn)換為電容信號值的電容傳感器；連接所述電容傳感器、將所述電容信號值轉(zhuǎn)換為頻率信號值的頻率轉(zhuǎn)換模塊；采集溫度信號值的溫度采集模塊；連接所述頻率轉(zhuǎn)換模塊和溫度采集模塊的微控制單元MCU模塊，該MCU模塊依據(jù)預(yù)設(shè)的高階非線性特征方程處理所述頻率信號值和所述溫度信號值，得到所述非電學(xué)量的值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)設(shè)的高階非線性特征方程為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為所述非電學(xué)量的計(jì)算值，F(xiàn)為所述頻率信號值，T為所述溫度信號值，Al A5、Bl B5、Cl C5、Dl D5和El E5為所述高階非線性特征方程的系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述頻率轉(zhuǎn)換模塊為RC振蕩電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括數(shù)字接口模塊， 所述非電學(xué)量的計(jì)算值通過數(shù)字接口模塊輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字接口模塊為串行外圍設(shè)備接口 SPI模塊。
6.一種非電學(xué)量測定方法，其特征在于，包括采集多個已知非電學(xué)量、多個溫度信號值和多個由所述已知非電學(xué)量經(jīng)電容信號轉(zhuǎn)換 而來的頻率信號值；將所述已知非電學(xué)量、溫度信號值和頻率信號值輸入所述非電學(xué)量與頻率信號值、溫 度信號值之間的含有待定系數(shù)的高階非線性特征方程并利用高階非線性擬合算法計(jì)算出 高階非線性特征方程的待定系數(shù)；采集未知非電學(xué)量并將所述非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電容信號值，再將所述電容信號值轉(zhuǎn)換為 頻率信號值，采集溫度信號值；將所述溫度信號值和頻率信號值代入已確定系數(shù)的所述高階非線性特征方程并計(jì)算 出所述未知非電學(xué)量的值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述高階非線性特征方程為 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為非電學(xué)量的計(jì)算值，F(xiàn)為所述頻率信號值，T為所述溫度信號值，Al A5、 Bl B5、Cl C5、Dl D5和El E5為所述高階非線性特征方程的系數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述采集多個已知非電學(xué)量、多個溫度信 號值和多個由所述已知非電學(xué)量經(jīng)電容信號轉(zhuǎn)換而來的頻率信號值為采集不低于10萬個已知非電學(xué)量、不低于10萬個溫度信號值和不低于10萬個由所述已知非電學(xué)量經(jīng)電容信 號轉(zhuǎn)換而來的頻率信號值。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或8所述的方法，其特征在于，所述采集多個溫度信號值的過程包括按照預(yù)設(shè)規(guī)律改變環(huán)境溫度，分別采集不同環(huán)境溫度下的溫度信號值。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述多個已知非電學(xué)量在數(shù)值上均勻分 布；所述多個溫度信號值在被采集的時間上均勻分布。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述多個已知非電學(xué)量為整數(shù)；所述多 個溫度信號值為整數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非電學(xué)量測定系統(tǒng)及方法，用于測定非電學(xué)量；本發(fā)明所述的系統(tǒng)及方法采用高階非線性特征方程描述被檢測非電學(xué)量與頻率信號值和溫度信號值之間的關(guān)系，同時，所述高階非線性方程的系數(shù)使用高階非線性擬合算法，通過大量的數(shù)據(jù)擬合算出，保證了檢測的精度，避免了由于采用分段線性的方法而導(dǎo)致的檢測精度不高的情況。
文檔編號G01D3/028GK101936746SQ20101024309
公開日2011年1月5日 申請日期2010年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月2日
發(fā)明者常先明, 徐昭敏, 耿東漢, 陳小楓 申請人:北京華控技術(shù)有限責(zé)任公司