一種振蕩回路中基于阻尼振蕩波的電阻、電感和電容的測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于傳感器測量技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種振蕩回路中基于阻尼振蕩波的電 阻、電感和電容的測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電阻、電感和電容是Ξ種最基本的電子元件。在傳感器測量領(lǐng)域，許多物理量都可 W轉(zhuǎn)化為對(duì)電阻值、電感值和電容值的測量。例如，溫度可W通過測量熱敏電阻的阻值測 得；通過測量線圈電感值可W計(jì)算出該線圈與金屬物體的距離；測量電容值可W獲取兩個(gè) 金屬極板間的距離。通常，電阻、電感和電容可W采用電橋電路進(jìn)行精確測量。但是，在一 些特殊場合，如電阻值非常小或被測元件與測量電路不能共地的場合，電橋測量方法不能 適用。
[0003][0004][0005] 上述兩種方法，均可用于電阻的非接觸測量場合，但測量精度有限。此外，電感、電 容的非接觸式精確測量方法也是傳感器測量領(lǐng)域的重要方向，在生產(chǎn)實(shí)踐中具有一定價(jià)值 和意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供了一種振蕩回路中基于阻尼振 蕩波的電阻、電感和電容的測量方法，同時(shí)適用于接觸式測量和非接觸式測量，且用于非接 觸測量能夠有效提高電阻、電感和電容的測量精度。
[0007] -種振蕩回路中基于阻尼振蕩波的電阻、電感和電容的測量方法，包括如下步 驟：
[0008] (1)通過連續(xù)采樣獲得振蕩回路中電阻、電感和電容任一元件的電壓序列 V,：{X〇, Xi,……，? J ;其中，N為大于10的自然數(shù)，X。~Xw 1依次為電壓序列Vw中的各電壓 值；
[0009] (2)從上述電壓序列Vw中提取分別從第S1個(gè)采樣點(diǎn)和第S2個(gè)采樣點(diǎn)開始的m個(gè) 電壓值，組成電壓序列VmI:找S1，XsW，……，X…mJ和電壓序列Vm2:化2,Xs2………，Xs2+mJ;其 中，Si、S2和m均為自然數(shù)且 0《Si<N，Si+m<N，0《S2<N，S2+m<N;
[0010] 做根據(jù)電壓序列VmI和Vm2組合得到序列f Μ:找slXs2+m 1，XswXs2+m 2,……，Xsbm Azl ;
[0011] (4)對(duì)上述序列fw添加窗口函數(shù)，得到加窗序列FΜ:找slX祖mΛ,XswX曲m2胖1，…… ，XsUm?ΧΛJ;其中：W。~Wm1依次為窗口函數(shù)中的各函數(shù)值；
[0012] (5)對(duì)上述加窗序列Fm進(jìn)行離散傅里葉變換，得到該序列的頻譜；從頻譜中提取 出兩個(gè)幅度峰值所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)相鄰離散頻率點(diǎn)Κι和K1+1，并根據(jù)兩者的幅度值A(chǔ)化1)和 A化+1)對(duì)加窗序列Fm的頻率和幅度值進(jìn)行修正，得到加窗序列Fm精確的頻率fir和幅度值 Air；
[001引（6)根據(jù)步驟似從電壓序列V沖提取分別從第S3個(gè)采樣點(diǎn)和第S4個(gè)采樣點(diǎn)開 始的m個(gè)電壓值，組成電壓序列Vm3和Vm4;其中，S3和S4均為自然數(shù)且0《S3<N，S3+m<N， ο《S4<N，S4+m<N，S1+S2聲s3+S4;
[0014] 進(jìn)而根據(jù)電壓序列Vm3和Vm4通過步驟（3)和（4)得到另一個(gè)加窗序列，并根據(jù)步 驟（5)求得該加窗序列精確的頻率f2f和幅度值A(chǔ)2f;
[001引 （7)根據(jù)頻率fir和f2山及幅度值A(chǔ)ir和A2r，計(jì)算出振蕩回路的阻尼振蕩頻率f和 阻尼系數(shù)b;進(jìn)而根據(jù)阻尼振蕩頻率f和阻尼系數(shù)b，在已知振蕩回路中電阻、電感和電容其 中一個(gè)元件參數(shù)值的情況下，求取另外兩個(gè)元件的參數(shù)值。
[0016] 所述步驟（4)中的窗口函數(shù)采用漢寧窗和Blackman窗。
[0017] 所述的步驟（6)中，若窗口函數(shù)采用漢寧窗則通過W下公式對(duì)加窗序列Fm的頻率 和幅度值進(jìn)行修正，從而得到精確的頻率fif和幅度值A(chǔ)If:
[0020] 其中：ki為離散頻率點(diǎn)Κ1所對(duì)應(yīng)的頻率值，f歷電壓序列Vw的采樣頻率。
[0021] 所述的步驟（6)中，若窗口函數(shù)采用Blackman窗則通過W下方法對(duì)加窗序列Fm的 頻率和幅度值進(jìn)行修正，從而得到精確的頻率fif和幅度值A(chǔ)If:
[0022]首先，由W下方程式求解出一個(gè)滿足Ο<δ< 1的解δ1:
[0023]
[0024] 然后，根據(jù)W下公式求解出頻率fif和幅度值A(chǔ)If:
[0027] 其中：ki為離散頻率點(diǎn)Κ1所對(duì)應(yīng)的頻率值，f歷電壓序列Vw的采樣頻率。
[0028] 所述的步驟（7)中通過W下關(guān)系式計(jì)算振蕩回路的阻尼振蕩頻率f和阻尼系數(shù) b：
[0029]f= 0. 5fir或 0. 5f化
[0030] 其中：Ts為電壓序列Vn的采樣周期。
[0031] 所述的步驟（7)中，在已知振蕩回路中電阻、電感和電容其中一個(gè)元件參數(shù)值的 情況下，求取另外兩個(gè)元件的參數(shù)值，具體計(jì)算方法如下：
[0032] 若振蕩回路為串聯(lián)振蕩回路且已知其中電阻的阻值R，則通過W下算式求取電感 的感值L和電容的容值C:
[0033]
[0034] 若振蕩回路為串聯(lián)振蕩回路且已知其中電感的感值以則通過W下算式求取電阻 的阻值R和電容的容值C:
[0035]
[0036] 若振蕩回路為串聯(lián)振蕩回路且已知其中電容的容值C，則通過W下算式求取電阻 的阻值R和電感的感值L:
[0037]
[0038] 若振蕩回路為并聯(lián)振蕩回路且已知其中電阻的阻值R，則通過W下算式求取電感 的感值L和電容的容值C:
[0039]
[0040] 若振蕩回路為并聯(lián)振蕩回路且已知其中電感的感值以則通過W下算式求取電阻 的阻值R和電容的容值C:
[0041]
[0042] 若振蕩回路為并聯(lián)振蕩回路且已知其中電容的容值C，則通過W下算式求取電阻 的阻值R和電感的感值L:
[0043]
[0044] 本發(fā)明的有益技術(shù)效果在于：
[004引 （1)本發(fā)明基于阻尼振蕩波的電阻、電感和電容測量方法，實(shí)現(xiàn)了在特殊應(yīng)用場合 (如：有隔離要求、待測元件處于密閉狹小空間等）對(duì)電阻、電感和電容Ξ種基本電參數(shù)的 非接觸式測量；同時(shí)，無需改變測量裝置的硬件配置，即可實(shí)現(xiàn)Ξ種參數(shù)的測量，電路結(jié)構(gòu) 簡單，使用方便。
[004引似本發(fā)明采用了改進(jìn)的離散傅里葉算法，實(shí)現(xiàn)了電阻、電感和電容參數(shù)的高精度 測量；其中，對(duì)檢測電壓信號(hào)進(jìn)行窗函數(shù)處理，可W有效的抑制標(biāo)準(zhǔn)離散傅里葉變換中截?cái)?效應(yīng)的影響，提高傅里葉變換精度，進(jìn)而提高電阻、電感和電容參數(shù)的測量精度。
[0047] (3)本發(fā)明測量方法在檢測電壓信號(hào)經(jīng)過窗函數(shù)處理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用了單 譜線插值算法，對(duì)非整數(shù)周期采樣造成的頻率計(jì)算誤差進(jìn)行修正，同時(shí)對(duì)截?cái)嘈?yīng)產(chǎn)生的 頻譜幅值誤差進(jìn)行了修正，進(jìn)一步提高了測量方法的精度。
【附圖說明】
[0048] 圖1為本發(fā)明電阻、電感和電容的非接觸測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0049] 圖2為本發(fā)明電阻、電感和電容的非接觸測量裝置的電路原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0050] 為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的測量方法 進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0051] 如圖1和圖2所示，本實(shí)施方式提供了一種電阻、電感和電容的非接觸測量裝置， 包括：控制器、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電路101、諧振電路102、信號(hào)檢測電路104和串聯(lián)振蕩回路 103。
[0052] 驅(qū)動(dòng)電路與控制器相連，其將控制器提供的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大后輸出；本實(shí) 施例中，驅(qū)動(dòng)電路采用InternationalRectifier公司的IRF2110忍片。
[0053] 開關(guān)電路101與驅(qū)動(dòng)電路相連，其根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路提供的兩路放大后的驅(qū)動(dòng)信號(hào)， 輸出方波信號(hào)；本實(shí)施例中，開關(guān)電路101由兩個(gè)M0S管Q1~Q2和兩個(gè)二極管D1~D2構(gòu) 成；其中，M0S管Q1的源極接+12V的電源電壓，柵極為開關(guān)電路101的第一輸入端并接收 驅(qū)動(dòng)電路輸出的第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)，漏極與二極管D1的陽極相連;M0S管Q2的源極接地，柵極 為開關(guān)電路101的第二輸入端并接收驅(qū)動(dòng)電路輸出的第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)，漏極與二極管D2的陰 極相連；二極管D1的陰極與二極管D2的陽極相連構(gòu)成開關(guān)電路101的輸出端并輸出方波 信號(hào)。
[0054] 諧振電路102與開關(guān)電路101相連，其將方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成交流電壓信號(hào)；本實(shí)施例 中，諧振電路102采用串聯(lián)式諧振電路，包括一個(gè)電阻R2、一個(gè)電容C2和一個(gè)電感L2 ;其 中，電阻R2的一端與電容C2的一端相連構(gòu)成諧振電路102的輸入端并接收開關(guān)電路101 輸出的方波信號(hào)，電容C2的另一端與電感L2的一端相連，電感L2的另一端與電阻R2的另 一端相連并接地。
[0055] 串聯(lián)振蕩回路103與諧振電路102禪合，其將從諧振電路102中的電感L2上禪合 得到的交流電壓信號(hào)作為初始電激勵(lì)；串聯(lián)振蕩回路103為由一個(gè)電感^一個(gè)電容C和一 個(gè)電阻R串聯(lián)構(gòu)成的電路，電感L與諧振電路102中電感L2相禪合。
[0056] 信號(hào)檢測電路104與諧振電路102相連，其采集諧振電路102接收到的包含電阻、 電感和電容信息的阻尼振蕩波信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行調(diào)理整形，輸出檢測電壓信號(hào)；本實(shí)施 例中，信號(hào)檢測電路104由四個(gè)電阻R3~R6、一個(gè)電容C3和一個(gè)運(yùn)算放大器U構(gòu)成；其中， 電阻R3的一端為信號(hào)檢測電路104的輸入端且與諧振電路102中的電感L2的一端相連W 采集諧振電路102接收到的阻尼振蕩波信號(hào)，電阻R3的另一端與電阻R4的一端和運(yùn)算放 大器U的正相輸入端相連，電阻R4的另一端與電阻R5的一端相連并接地，電阻R5的另一 端與運(yùn)算放大器U的反相輸入端、電阻R6的一端和電容C3的一端相連，運(yùn)算放大器U的正 電源端接巧V的電源電壓，運(yùn)算放大器U的負(fù)電源端接-5V的電源電壓，運(yùn)算放大器U的輸 出端與電阻R6的另一端和電容C3的另一端相連構(gòu)成信號(hào)檢測電路104的輸出端并輸出檢 測電壓信號(hào)。
[0057] 控制器