CN103675463A - 一种自适应量程精度的液体介电常数测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自适应量程及精度的液体介电常数检测测量系统。所述介电常数测量系统由(1)待测电容检测装置；(2)单片机和(3)LCD显示器组成。所述单片机通过控制待测电容检测装置内的开关电路，首先通过待测电容检测装置内的电容初检电路、整流稳压电路、低精度模数转换器及相应计算公式获得待测电容的估计值，利用该估计值控制锁相环输出合适精度的采样时钟；然后改变待测电容检测装置中开关电路的状态，通过RC充放电支路和比较器电路获得待测电容充电脉冲，用采样时钟进行采样获得充电时间并通过计算获得待测电容的精确值；最后根据测量电极的结构及测量获得的电容值计算得到对应液体的介电常数并在LCD显示器中显示。

Description

一种自适应量程精度的液体介电常数测量系统

技术领域

本发明涉及集成电路与系统设计领域，尤其涉及一种自适应量程及精度的液体介电常数测量系统。

背景技术

液体的电学特性中一个重要参数是它们的介电常数ε。为了检测介电常数，一般通过测量被同种液体介质完全填充的电容器的电容值，然后根据电容器的计算公式得到其介电常数。该方法可以用于区分不用成分的液体，以及鉴别变质、受污染的液体如工业润滑油、食用油等，目前已经被广泛应用于工业润滑油在线监测系统中。

为了实现高精度测量，模拟电路系统的精确度是有限的，而数字电路部分可以通过内部提供高频率的时钟对数据进行采样计算，并通过内部寄存器计数得到较为精确的值。

不同的液体介电常数变化范围很大，这就意味着电容测量系统在面对多种液体时量程会发生很大的变化，如以真空的介电常数为1，汽油的相对介电常数为1.9，食用油的介电常数为2～4，乙醇的相对介电常数为25，蒸馏水的相对介电常数为81，这也意味着，若将固定形状的电极浸入待测液体中，其对应待测电容值变化较大。若系统的数字部分使用固定的精度，即采用固定频率的采样时钟，待测电容较小时测量精度不高，待测电容较大时可能会超出量程范围。为了尽可能的提高电容测量的精确程度并扩大测量的范围，需要在各种情况下尽可能地使计数器得到较大的值，需要根据待测电容的值自适应地调节采样时钟的频率。

为了实现这个系统，我们需要一种可以适应不同量程的电容测量系统，在所测电容的值比较小时选择小量程，高精度的测量方式，在所测电容值较大时，选择大量程，低精度的测量方式。

本发明提出一种系统，可以根据测量得到的电容值自动选择量程和精度，在量程较小时，可以选择较小的测量精度，这样可以充分利用芯片内部的计数器上限，在不同的量程下得到更为精确地结果。

发明内容

本发明主要解决的问题是电容测量系统中量程选择和对应的精度控制的问题。通过两步检测，第一步用于选择电路系统使用的测量精度，第二部用于精确测量电容

为解决上述。技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种电容测量系统，包括：

待测电容检测装置，用于将浸入待测液体的电极对应的电容转换为其他电学特性，如频率和脉冲。并将这些电学特性以数字信号的方式输入测量系统；

单片机，用于输出开关控制信号控制选择待测电容检测装置中的开关，选择不同的支路。接着通过第一步检测得到的电容值选择系统的量程并计算出该量程下的计算精度。并根据此量程选择用于采样的时钟频率，精度计算单元根据此频率计算出电容测量计数值的最小精度。单片机用上面计算出的量程控制锁相环PLL产生采样时钟对第二部检测得到的输入波形信号进行采样得到时钟周期计数，最后根据精度结果和时钟周期数计算出精确电容值，进一步根据选用的电极结构可以计算出对应液体的介电常数值。

输出及显示部分，输入单片机计算得到的结果，输出到其他系统或者输出到LCD显示器上供人们读取。

进一步的，所述电容测量系统包括：

使用运算放大器上的RC负反馈电路构成的电容初检电路，根据输入的正弦信号获得相应交流输出信号；

整流稳压及交直流转换电路，将初检得到的交流信号转换为直流信号；

模数转换ADC模块，用于将初检得到的直流电压信号转换为对应的数字信号，输入给单片机用于量程控制；

使用RC电路的充放电支路，用于在确定了检测使用的采样时钟信号之后，使用RC电路对待测电容进行充电，并得到对应的充电波形；

电平比较电路，通过高精度比较器和逻辑门得到对应

充电电压范围内的脉冲信号。

电路选择开关，用于在不同的阶段打开不同的充放电支路，完成测量。

进一步的，所述单片机单元包括：

锁相环PLL，通过计算得到的量程选择结果，控制输出时钟的频率，作为对输入脉冲信号的采样时钟，从而提高采样精度。

运算单元，通过精度计算单元得到的测量精度，再通过对采样计数得到的周期数两者结合计算出该电容的高精度电容值或者介电常数值。

开关控制信号，通过单片机的控制输出信号控制电容检测单元里的开关，控制电容检测电路进行初检和第二次检测等步骤。

附图说明

图1展示了了本发明的介电常数测量系统的结构框图；

图2示例性地描述了电容检测单元的一种实现方案的结构图；

图3示例性地描述了系统中单片机输入输出信号图；

图4展示了系统中单片机的软件工作流程图。

具体实施方式：

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

系统结构体系如图1所示，左侧单元1为待测电容检测装置，其中包含利用运算放大器搭建的反馈电路和利用RC建立的RC充放电支路，对应的控制开关，及用于将待测电容得到的充电波形转换为脉冲信号的电平比较模块。中间单元2为包含锁相环PLL的单片机，用于选择测量量程，计算测量精度，控制选择电容检测装置里的电路和工作步骤，并计算最终的电容值或介电常数值，其中的锁相环PLL使用量程选择对应的信号输出一个高频时钟信号对取值部分得到的波形采样，对其脉冲信号计数，从而得到电容在选定电容值范围内的充电时间对应的周期数，再通过精度计算部分送入的精度信息计算得到电容值或对应的介电常数值。右侧单元为LCD显示器单片机计算得到的结果输出到LCD上进行显示。

其中：

待测电容检测装置，即单元1的结构参考图2所示，图2中101、102、103、104、105均为电路受控开关，由三极管或者MOS管实现，受单元2单片机给出的控制信号113控制。其中实施方式为：

图2中，C_x在空气中的电容值为C₀，106接入的是固定频率为

的正弦波，107和113接入的是稳定的直流电压V_dd。

初始化情况下，接通101，105，断开102，103，104。实现由R0和Cx共同构成的反馈回路，这样会在输出端108形成一个稳定的正弦信号，通过整流稳压电路输出到ADC，得到对应的数值112，输出到单片机，即单元2。若112对应的数值为V₀，106端输入的电压为V_R，则电容值满足

单元2根据112最高是1的位来判断C_x所处的范围，并选择对应的量程，若C_x越大，对应的量程越大，时钟频率约低，对应的精度也越小，若C_x越小，对应的量程越小，时钟频率越高，对应的精度也会相应提高。

之后单元2会返回控制信号113，断开开关101和105，接通开关103和104，形成放电回路，将电容C_x上的电荷释放，同时比较器电路上的输入信号109的电平值为0V，此部分电路得到的111信号波形为低电平。

接下来单元2会返回控制信号113，断开开关103，接通开关102，形成通过电阻R₁向电容C_x充电的电路，并产生充电对应的波形109。

109信号输入两个比较器，输出信号经过与门得到对应109信号处于

电平范围内的脉冲信号111，并由单片机，即单元2由锁相环PLL产生的时钟信号对111进行采样得到111持续时钟周期数，此值对应111的持续时间。该脉冲信号对应的时间满足根据此公式可以计算出对应的电容值。进一步根据选用的电极结构可以计算出对应液体的介电常数值。

单片机单元，即单元2的输入输出信号图如图3所示，其软件工作流程图如图4所示。

如图3所示，201是由单元1送出的ADC转换结果；202是单元1送出的对应第二次检测得到的脉冲信号；203是输出的检测到的电容值或介电常数值；204是单片机输出地控电容检测电路开关通断的控制信号。

如图4所示，单片机单元，即单元2的软件工作流程如下所示：

1、开始测量，单元2输出开关控制信号204，控制单元1的开关选择反馈支路，之后单元2根据输入的201的稳定程度判断系统的工作状态，在201稳定一定时间之后，可以认为此时输出波形已经稳定。

2、单元2根据201的数值计算出后面应当采用的量程，得到对应的用于控制锁相环PLL的控制信号。接着利用201的值计算出该值对应的测量精度。

3、单元2输出开关控制信号控制单元1断开反馈支路，并将待测电容放电。之后单元2输出开关控制信号控制单元1打开RC串联充电支路。

4、单元2根据得到的锁相环PLL控制信号输入到锁相环PLL得到对应频率的时钟，作为采样时钟，同时由单元1得到的脉冲信号202送入单片机，使用锁相环PLL得到的时钟信号作为采样信号对202进行采样计数。

5、单元2判断系统对脉冲信号的采样是否完成，完成之后得到采样周期数，结合步骤2里得到的测量精度信号，两者一起计算得到电容或者介电常数的精确值203。

6、精确值203送入LCD显示单元显示。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种自适应量程及精度的液体介电常数测量系统，由待测电容检测装置；单片机和LCD显示器组成。

2.如权利要求1所述的液体介电常数测量系统，其特征还包括，所述待测电容检测装置，包含利用运算放大器反馈支路和RC充电电路构成的两个支路，由开关阵列控制电路中两个支路的选择和待测电容的充放电。

3.如权利要求2所述的待测电容检测装置，其特征还包括，包含整流稳压电路和模数转换模块，用于将运算方法器反馈支路获得的交流信号转换为对应的数字电压值，用于计算电容估计值。

4.如权利要求2所述的待测电容检测装置，其特征还包括，包含电平比较电路，通过高精度比较器和逻辑门得到对应充电电路输出 

电压范围内的脉冲信号，用采样时钟采样获得其长度后用于计算电容精确值。

5.如权利要求1所述的液体介电常数测量系统，其特征在于，所述介电常数测量系统经过两次测量得到电容的精确值，第一次测量得到电容估计值，用于选择第二次测量时的量程和精度，输出给锁相环的控制信号改变精确测量时采样的时钟频率，再由第二次测量得到精确电容值。

6.如权利要求5所述测量过程，其特征在于，第一次测量采用运算放大器结合低精度ADC实现，输入交流信号，利用RC支路反馈得到输出信号的有效电平值，并由ADC得到对应的数字值，并计算获得电容估计值。

7.如权利要求5所述的测量过程，其特征在于，利用所述电容估计值选择适合的量程和精度，并控制单片机内的锁相环电路输出响应频率的时钟信号。

8.如权利要求5所述的测量过程，其特征在于，第二次测量采用通过电阻对电容充电的方法，通过比较器得到对应充电过程中 电平范围的脉冲信号，并采用锁相环输出的时钟信号采样得到脉冲信号的长度，通过计算获得电容精确值。

9.如权利要求1所述的液体介电常数测量系统，其特征还包括，所述单片机软件工作流程包括：

根据电容检测单元第一次检测得到的电容值计算精确测量所需要的量程及对应的精度，输出对应的信号控制锁相环产生采样时钟；

使用锁相环产生的采样时钟对电容检测单元第二次充电得到的脉冲波形进行采样，并将所得到的结果结合前面计算出的精度得到电容的精确值，并根据电容值计算液体的介电常数。

将液体介电常数值输出至LCD显示。 

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