CN103439584B - 基于阻抗分析仪的多极板电容在线测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于阻抗分析仪的多极板电容在线测量系统，属于测量装置领域，该系统由多极板电容传感器、基于ARM的多路切换系统、WK65120B型阻抗分析仪、计算机，串口线，GPIB总线和双向四端口BNC线组成。本发明可实现多通道小电容在线测量，测量精度和单个测量一样，并极大的提高了采集时间，减少了操作的过程，适于推广应用。
Description
技术领域
本发明属于测量装置领域，主要涉及一种多极板电容在线测量系统，特别是涉及一种基于阻抗分析仪的多极板电容在线测量系统。
背景技术
阻抗分析仪用于与精准检测，其能在阻抗范围和宽频率范围进行精确测量，它利用物体具有不同的导电作用，在物体表面加一固定的低电平电流时，通过阻抗计算出物体的各种器件、设备参数和性能优劣。阻抗分析仪的优点是：易用、指标和图形相结合、参数准确、价格低廉、对生产的可指导性非常强、可用于微小电容检测并能达到很高的精度等。阻抗分析仪的缺点是笨重、采样率低、测量通道只有一个、对于多极板电容检测，操作起来很是烦琐，不便于实验中的应用。
阻抗分析仪对小电容测量原理如图1所示，其中Hc和Lc用来馈送测量电流到被测物体，Hp，Lp用来检测被测物体的电压降，通过电压和电流之比计算测量物体上的电容数据。测量时采用四端子连接电路，对测试电缆和试样进行屏蔽，对电流电压变换部分进行控制，由此使试样一端（Lp端子对）的电压接近于零。即使Lc端子对上的电压也接近于零。这样连接可以抑制杂散电容，解决互感耦合问题，使系统不受温差电动势影响，抑制电磁感应的影响。
阻抗分析仪应用于测量小电容，能够达到精准测量小电容的能力，精度远高于交流C/V电路检测法所采集的电容数据。但是其只能对单一测量数据进行测量，测量时需将传感器的引线连接分别连接在俩夹口下，在阻抗分析仪仪器的面板上进行多次点击设定，才能完成某对传感器的电容值的测量。如要进行多极板的电容值测量，则需多步更改，多次连接，且需要多次校正，过程极为烦琐。
发明内容
发明目的：
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于阻抗分析仪的多极板电容在线测量系统，可以实现阻抗分析仪的方便运用，在保障实验数据精确的前提下随时进行通道切换，完成数据采集。
技术方案：
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种基于阻抗分析仪的多极板电容在线测量系统，其特征在于：该系统由多极板电容传感器、基于ARM的多路切换系统、WK65120B型阻抗分析仪、计算机，一条串口线，一条GPIB总线，一条双向四端口BNC线组成；多极板电容传感器连接基于ARM的多路切换系统，基于ARM的多路切换系统通过双向四端口BNC线连接WK65120B型阻抗分析仪，WK65120B型阻抗分析仪通过GPIB总线连接计算机，基于ARM的多路切换系统通过串口线连接计算机。
所述基于ARM的多路切换系统采用NEC公司的UD2系列继电器进行通道切换。
所述多极板电容传感器的一个传感器对应两个继电器，与传感器相连的一组继电器用1-n标号表示，另一组继电器与前组继电器相连。
优点及效果：
本发明是一种基于阻抗分析仪的多极板电容在线测量系统，能够在不影响测量精度前提下，通过控制多路切换系统及阻抗分析仪完成测量，很好的提高了测量速度，减少了烦琐的步骤，将所有步骤在电脑上实现，为以后基于阻抗分析仪的ECT系统构建提供了坚实基础。
附图说明：
图1为四端口对接电路原理图；
图2为本发明结构示意图；
图3为UD2型继电器示意图；
图4为图3的侧向视图；
图5为ARM的多路切换系统原理图；
图6为GPIB命令结构图；
图7为命令路径图；
图8为流程图；
图9为相同极板对数据对比示意图；
图10为不同极板电容测量数据对比示意图；
图11为单一极板切换原理图；
图12为本发明电路结构图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明加做进一步的说明：
本发明涉及一种基于阻抗分析仪的多极板电容在线测量系统，如图2和图12中所示，其特征在于：该系统由多极板电容传感器、基于ARM的多路切换系统、WK65120B型阻抗分析仪、计算机，一条串口线，一条GPIB总线和一条双向四端口BNC线组成；多极板电容传感器连接基于ARM的多路切换系统，基于ARM的多路切换系统通过双向四端口BNC线连接WK65120B型阻抗分析仪，WK65120B型阻抗分析仪通过GPIB总线连接计算机，基于ARM的多路切换系统通过串口线连接计算机。
本发明可运用QT软件进行程序编写，使上述设备能够在计算机上进行控制达到所要实现的不同的数据采集，数据处理等目标。
本发明中对于多极板电容的在线测量通过以ARM为核心的多通道切换系统（即基于ARM的多路切换系统）进行通道切换，选用NEC公司的UD2系列继电器如图3和图4所示，其特点是体积小，功耗低，反应速度快等特点，继电器通过ARM芯片的IO口进行控制，测量时可由上位机放送命令，由下位机控制打开任意继电器，从而测量其对应的想要得到的某对传感器的电容值。
通过继电器使得各极板接地做闲置极板，接Hp做激励极板或接Lp做检测极板。在保障实验数据精确的前提下随时进行通道切换，完成阻抗分析仪对所需极板对的电容值采集。
由于阻抗分析仪一次只能测量一个极板对间的电容，由n个极板构成的三维ECT系统每一帧数据要求对n个极板轮流切换，总共测量n*（n-1）/2个极板对电容值。因此本发明采用以ARM芯片为核心的多通道切换系统，由ARM芯片IO引脚控制继电器进行极板切换。测量时可由上位机放送命令，由ARM芯片接受命令控制相应的继电器，从而测量想要得到的某对传感器的电容值。
ARM的多路切换系统原理如图5中所示，多极板电容传感器的一个传感器对应两个继电器，与传感器相连的一组继电器用1-n标号表示，另一组继电器（用A1-An标号表示）与前组继电器相连。继电器1-继电器n断电状态时与地相接，当给一个高电平信号时，继电器吸合，与继电器A1-继电器An导通，继电器A1-继电器An断电状态时与Lp，Lc端口相连，当给一个高电平信号时，可与Hc，Hp端口相导通，以此完成测量。例如：如要测量传感器1、2间的电容值，只需让上位机发送命令使继电器1、2，A1得到高电平信号导通即可达到测量目的。
每个极板有三种状态分别是接地，接阻抗分析仪的Hp（highvoltageteminal）端和接阻抗分析仪Lp（lowvoltageteminal）端。单一极板切换的原理图如图11所示。以一个极板为例说明极板状态切换过程。电容极板由第一个继电器通过控制位1选通或者接地，第二继电器由控制位2来选择接阻抗分析仪的Hp（highvoltageteminal）端还是Lp（lowvolatageteminal）端。例如要测量传感器1、2间的电容值，只需让上位机发送命令使继电器选通极板1接Hp端，选通极板2接Lp端其他极板全部接地，可达到测量极板1和极板2间电容的目的。
本发明通过GPIB转USB总线与WK65120B型阻抗分析仪（resolution0.1fF）进行通信，来控制阻抗分析仪工作进行测量，通过USB与ARM主控芯片进行通信，来控制继电器的切换；其接受的指令如图6所示。实现自动测量的程序流程图如图8所示。本发明的控制系统通常采集66组电容值耗时2分12秒，整个过程将手动采集数据的烦琐步骤全部简化，并且提高了采集数据的速度。
本发明的上位机可以采用QT软件进行编程（用其它软件也可以），用GPIB与阻抗分析仪进行通信，制作继电器实现由上位机控制。可以实现阻抗分析仪的方便运用，在保障实验数据精确的前提下随时进行通道切换，完成数据采集。
运用QT软件制作的控制面板及系统实物可参见参考文件里的电容测量系统图片，控制面板主要分为三大部分：WK65120B型阻抗分析仪，串口控制，多路切换系统，程序流程图如图8所示。
在阻抗分析仪部分可以在面板上实现测量数据类型选择，测量速度选择，频率设定，开始测量以及连续测量等功能，并且所得数据在面板上直接显示。以上的功能均可以通过QT软件编写程序通过GPIB通信达到预期效果。
串口设置部分是完成上位机与下位机ARM的通信，在完成串口号，波特率，数据位等参数调整后点击打开串口则可实现通信，为后续发送指令提供保证。
多路切换系统部分是实现测量时通道切换的控制，在下位机编写好程序的基础上（如接收到十六进制数17的信号则管脚PIN55给一个高电平，管脚PIN55对应继电器1，以此类推）上位机只需在发送数据栏写数据发送数据即可完成各通道的切换，其中自动键还可实现连续切换通道以此依次测量各极板电容值。
本发明进行实际测量时，首先选取要测量的电容极板对，再通过继电器控制中发送指令，打开对应的2个继电器（详细情况见图5），最后调整好阻抗分析仪的参数点击测量即可获得所要测量值，操作方便，大大的节省了时间和精力。
比对测量结果：
对同一极板对的电容值分别使用直接用阻抗分析仪测量电容值与加入多路切换系统运用电脑直接测量电容值两种方法，分别进行了采集55次电容值，结果如图9所示，曲线s代表直接测量，曲线t代表加入多路切换系统测量，由曲线可知两组数据浮动不大，从而表明加入多路切换系统基本可以保证采集得到的数据的精度和准确性。
对不同极板对电容值进行测量对比，直接用wk6500测量和加上通道切换在电脑直接读出的数据比较如表1所述（单位fF），从图10可以看出两种方法测量的电容值曲线基本重合，数据基本稳定，图中曲线m代表阻抗分析仪直接测量，曲线n代表加入多路切换系统测量。
| 阻抗分析仪直接测量 | 加入多路切换系统测量 | |
| 通道1-2 | 157.0465 | 159.1024 |
| 通道1-3 | 71.5214 | 74.1736 |
| 通道1-4 | 134.0712 | 137.2277 |
| 通道1-5 | 163.3971 | 164.8078 |
| 通道1-6 | 1.506761 | 152.7951 |
| 通道2-3 | 1.017732 | 102.4678 |
| 通道2-4 | 60.20606 | 64.4618 |
| 通道2-5 | 124.1076 | 129.8655 |
| 通道2-6 | 98.18068 | 102.0890 |
| 通道3-4 | 99.94777 | 100.8199 |
| 通道3-5 | 135.7030 | 135.5266 |
| 通道3-6 | 96.48508 | 97.69993 |
| 通道4-5 | 100.0078 | 100.1265 |
| 通道4-6 | 171.9367 | 173.1453 |
表1不同极板对电容测量数据对比
通过上述数据对比可以看出本发明这种基于阻抗分析仪的多极板电容在线测量系统精度与实际相当，采集的数据在上下1fF浮动，可以准确的完成采集功能，并且能够极大提高采集速度，有效的缩短了实验时间。
Claims (2)
1.一种基于阻抗分析仪的多极板电容在线测量系统，其特征在于：该系统由多极板电容传感器、基于ARM的多路切换系统、WK65120B型阻抗分析仪、计算机，一条串口线，一条GPIB总线，一条双向四端口BNC线组成；多极板电容传感器连接基于ARM的多路切换系统，基于ARM的多路切换系统通过双向四端口BNC线连接WK65120B型阻抗分析仪，WK65120B型阻抗分析仪通过GPIB总线连接计算机，基于ARM的多路切换系统通过串口线连接计算机；多极板电容传感器的一个传感器对应两个继电器，与传感器相连的一组继电器用1-n标号表示，另一组继电器与前组继电器相连。
2.根据权利要求1所述的基于阻抗分析仪的多极板电容在线测量系统，其特征在于：所述基于ARM的多路切换系统采用NEC公司的UD2系列继电器进行通道切换。
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