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专利号: 2021101410643
申请人: 湖北工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种绝对值检波式的涂层复阻抗的测量装置,其特征在于,包括:方波信号的产生电路:用于所产生的设定频率的方波信号;

两次二阶低通滤波电路:用于将方波信号进行两次二阶低通滤波后形成畸变小的基频正弦信号;

差分放大电路:用于将基频正弦信号的正弦信号幅值降压到设定比例后形成激励信号,加载到涂层传感器与标准电阻的两端,并对涂层传感器两端的电压进行差分放大;

绝对值及放大滤波电路:获得放大的差分信号绝对值结果;

绝对值检波电路:获得放大的差分信号绝对值检波结果;

阻抗测量结果获取模块:根据绝对值与绝对值检波结果的输出,在AD转换与测量标定的基础上,计算涂层复阻抗的大小;

绝对值检波电路包括运算放大器九、运算放大器十、运算放大器十一、运算放大器十二、电阻R27至电阻R40、电容C12至电容C19、二极管D5至二极管D8;电容C12一端串接电阻R27后与运算放大器九的反相输入端、电阻R30连接;电容C13串接电阻R28后与电阻R31、运算放大器十反相输入端连接;电容C14串接电阻R29后与二极管的反相端连接;电阻R30一端接运算放大器九的输出端再与电容C15串接;电阻R31一端串接电阻R33,还与二极管D6正向端连接;电阻R32一端与电容C15串接,另一端接于电阻R34、运算放大器十一反相输入端、二极管D7正向端、电阻R35;电阻R33一端接于电阻R36、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻R40、电容C18;电阻R34一端串接电容C16;电阻R35一端接于二极管D8反向端、电阻R36;电阻R38一端串接电容C17;电阻R39一端接于电容C19、运算放大器十二输出端;电阻R40一端接于运算放大器十二反相输入端、电容C19。

2.根据权利要求1所述的一种绝对值检波式的涂层复阻抗的测量装置,其特征在于,方波信号的产生电路包括型号是NE555的芯片、二极管D1、二极管D2、电阻R1、电阻R2、电容C1以及电容C2;电阻R1一端接芯片脚4,另一端经二极管D1后接芯片脚6;电阻R1另一端还依次串接电阻R2、二极管D2后接芯片脚6;电容C1一端与电容C2一端连接后接芯片脚1,另一端接芯片脚5;电容C2另一端接芯片脚2;芯片脚4和脚8之间接直流电源;芯片脚1接地;芯片脚3为输出端。

3.根据权利要求1所述的一种绝对值检波式的涂层复阻抗的测量装置,其特征在于,两次二阶低通滤波电路包括运算放大器一、运算放大器二、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C3、电容C4、电容C5以及电容C6;电阻R3串接电阻R4后接运算放大器一同相输入端,电容C3一端接电阻R3与R4另一端接运算放大器一反相输入端与输出端;电容C5一端连接运算放大器一同相输入端;运算放大器一的输出端串接电阻R5后串接R6再与运算放大器二的同相输入端相连;电容C6一端接R5与R6另一端接运算放大器二的输出端;电容C4一端接电阻R6与运算放大器二同相输入端;两个运算放大器的4脚均接直流电源;11脚均接地。

4.根据权利要求1所述的一种绝对值检波式的涂层复阻抗的测量装置,其特征在于,差分放大电路包括降压处理电路和高输入阻抗差分放大电路,其中,降压处理电路包括运算放大器三、电阻R7、电阻R8、电阻R9、以及电容C7;电阻R7与电容C7串接后接运算放大器三反向输入端,运算放大器三反向输入端还同时与电阻R8一端、电阻R9一端连接,电阻R8另一端接直流电源,电阻R9另一端接地;运算放大器三同向输入端与输出端连接,高输入阻抗差分放大电路包括运算放大器四、运算放大器五、运算放大器六、电阻R10至电阻R20以及电容C8;电阻R10一端接运算放大器四同相输入端;电阻R11与电阻R12串接后与运算放大器五的同相输入端连接,电阻R12一端接直流电源;电阻R13一端与R16串接,另一端与电容C8、运算放大器四的反相输入端连接;电阻R14一端与R15串接、与运算放大器五的反相输入端连接,另一端与电容C8串接;电阻R15一端与R17串接后接于电阻R20、运算放大器六同相输入端;电阻R18一端接直流电源;电阻R20一端与运算放大器六输出端连接。

5.根据权利要求1所述的一种绝对值检波式的涂层复阻抗的测量装置,其特征在于,绝对值及放大滤波电路包括运算放大器七、运算放大器八、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电阻R26、电容C9、电容C10、电容C11、二极管D3以及二极管D4;电阻R21一端与电容C10串接后与电容C9连接,另一端接于电阻R22、运算放大器七反向输入端;电阻R22一端与二极管D3反向端相连后与二极管D4反向端连接,另一端与二极管D4的正向端连接;电阻R23一端与电容C9连接,另一端与电阻R25、电容C11连接;电阻R24一端与电阻R22、二极管D4正向端连接,另一端与电阻R26、运算放大器八反相输入端连接;电阻R25一端接直流电源;电阻R26一端接运算放大器八输出端;电容C11一端接运算放大器八输出端。

6.一种绝对值检波式的涂层复阻抗的测量方法,适用于权利要求1所述的测量装置,其特征在于,包括:步骤1、时基器产生的1kHz左右的方波信号,经过两次二阶低通滤波后,形成畸变小的基频正弦信号,步骤2、正弦信号幅值降压到一定比例后形成激励信号,加载到涂层传感器与标准电阻的两端;然后对涂层传感器两端的电压进行差分放大;并分别获得差分信号的绝对值、以及它的绝对值检波结果,步骤3、根据绝对值与绝对值检波结果的输出,在AD转换与测量标定的基础上,计算涂层复阻抗的大小。

7.根据权利要求6所述的一种绝对值检波式的涂层复阻抗的测量方法,其特征在于,所述步骤2中,激励信号由滤波生成的正弦信号降压形成,定义降压比例因子为k1,降压前的正弦信号幅值为A,即激励信号表达为:Vi(t)=k1Asin(ωt)(1)

ω是方波频率

若差分放大倍数为k2,差分放大电路的输出Vo与输入Vi满足如下的矢量关系:ZX是综合复阻抗,ZO是参考阻抗

转化为具体的时间函数形式可以表达为:

是ZX与ZX+Z0的阻抗角之差

Z0为参考阻抗,测量电路中采用标准电阻,具体到本电路中Z0=R0,为ZX与ZX+Z0的阻抗角之差若不考虑放大输入系统输入电容C0的存在,Zx为被测涂层复阻抗Zc,若考虑输入电容的存在,则为涂层复阻抗与电容的并联的综合阻抗,满足如下的关系:CO是输入电容,ZC是被测涂层复阻抗

即被测涂层复阻抗为:

8.根据权利要求7所述的一种绝对值检波式的涂层复阻抗的测量方法,其特征在于,所述步骤3包括:步骤3.1、差分信号的绝对值获取的方法如下:

绝对值电路完成对差分放大输出信号Vo的绝对值运算,实际上,便于AD转换对绝对值结果的识别以及实现电路本身所受到的限制,电路中对绝对值运算结果进行了放大与低通滤波处理,并增加偏置Offset1,低通滤波处理实际上相当于对信号在一个周期内取平均,因此放大倍数为k3时,系:VO1‑绝对值电路输出Offset1‑短路状态下绝对值

带入式(2)简化计算后得:

考虑开路状态下,ZX>>ZO时,

考虑短路状态下,ZX=0时,

VO1d=Offset1(8)

步骤3.2、差分信号的绝对值检波结果获取方法如下:

同绝对值电路一样,绝对值检波电路对结果进行了放大滤波处理并增加了偏置Offset2,假设放大倍数为k4时,电路的输出Vo2满足如下的关系:带入式(2)简化计算后可得:

Offset2是短路状态下检波值

进一步整理后得到如下表达式:

开路状态时,

同样短路状态下的检波输出为:

VO2d=Offset2(11)。

9.根据权利要求8所述的一种绝对值检波式的涂层复阻抗的测量方法,其特征在于,所述步骤3中,复阻抗计算的信号处理方法如下:对复阻抗的信号处理实际上是通过绝对值的输出Vo1与检波输出Vo2两个电压输出结果,反推计算涂层复阻抗Zc,具体步骤如下:首先根据开路与短路状态下的输出结果VO1k、VO1d、VO2d,以及电路中已知的固有参数k1、k2、k3、k4、Z0,利用公式(7)、(8)、(11)计算正弦信号幅值A、输出偏置Offset1与Offset2;然后根据公式(6)、(7)、(8)、(9)、(11)推导 的计算公式;并以此为基础,根据公式(10)计算输入电容C0,在 已知的条件下,根据公式(3)、(6)推导Zx,最后由公式(5)进一步推导得出Zc,由于 Offset1=VO1d与Offset2=VO2d的推导显而易见,因此这里主要推导 C0、Zx与Zc的表达式,

(1) 的公式计算

令 根据公式(9)有

进一步推导,得出如下公式:

由于测量系统输入电容C0的存在,测量中相位角呈现滞后特性,因此(2)C0的推导

由于 为Zx与ZX+ZO的阻抗角之差,若Z0为一标准电阻R0,开路状态下 则可以计算得到:考虑与测量范围的匹配,实际对C0的计算,利用对50M的标准电阻测量结果与公式(13)得到的 按照如下的公式进行计算:是50M电阻测量时的ZX与ZX+Z0的阻抗角之差

(3)综合阻抗Zx的推导

令综合阻抗Zx=c+dj,Z0为一标准电阻R0,考虑涂层阻抗及电容相位滞后的特点,即根据公式(2)、(6)、(7)、(8),可以得出:也就是

令 那么

其中,r1、r2、co1、co2、co3按照如下公式计算

(4)涂层阻抗Zc的推导

根据公式(5),可知:

令ZC=a+bj,则有: