CN105158576B - 一种探测不同深度介质的方法及电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种探测不同深度介质的方法及电路。该方法：首先，提供一传感器，该传感器由一组PCB铜箔构成，即由一大极板及两个小极板组成；其次，提供一可随着探测深度的变化而能够改变探测频率的深度探测信号Ftest，施加至所述步骤S01中传感器的大、小极板上，使得大、小极板之间形成电磁场；再而，提供一作用于大极板的自校准信号Fcal，以调整大、小极板的相位差，从而提高探测灵敏度；最后，对经深度探测信号Ftest驱动后的大、小极板输出的信号进行整形及相位比较，并对相位比较后的信号进行滤波后输出的信号进行处理，从而判断当前探测深度下的介质情况。本发明实现了不需额外增加运算放大器，即可实现不同深度介质的探测。
Description
技术领域
本发明涉及一种探测不同深度介质的方法及电路。
背景技术
介质探测器，作为一种产品，早已经上市很多年。其核心部件是由平行板电容器（参考美国专利：US4099118）构成的探测传感器。当平行板电容器之间的电介质发生变化时，平行板电容器的容值会发生变化，可以根据这个变化可以判断介质的存在情况。现有技术方法都是采用频率固定的探测信号施加到传感器上，当探测深度比较深时，传感器穿透能力变弱，信号非常微弱，后级需要增加运算放大器进行放大。本专利技术，不需要增加运算放大器即可以实现不同深度介质的探测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种探测不同深度介质的方法及电路，实现了不需要增加运算放大器即可以实现不同深度介质的探测。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种探测不同深度介质的方法，包括如下步骤，
S01：提供一传感器，该传感器由一组PCB铜箔构成，即由一大片铜箔和两小片铜箔构成，其中，大片铜箔作为大极板，小片铜箔作为小极板；
S02：提供一可随着探测深度的变化而能够改变探测频率的深度探测信号Ftest，施加至所述步骤S01中传感器的大、小极板上，使得大、小极板形成电磁场；
S03：提供一作用于大极板的自校准信号Fcal，以调整大、小极板的相位差，从而提高探测灵敏度；
S04：对经深度探测信号Ftest驱动后的大、小极板输出的信号进行整形及相位比较，并对相位比较后的信号进行滤波后输出的信号进行处理，从而判断当前探测深度下的介质情况。
在本发明一实施例中，所述大、小极板分别连接有第一、第二电阻，以形成第一、第二RC电路。
在本发明一实施例中，所述自校准信号Fcal作用于大极板前还需经过一二阶RC滤波电路进行滤波处理。
在本发明一实施例中，所述自校准信号Fcal为由一PWM校准电路产生的频率固定占空比变化的PWM信号，通过改变PWM信号的占空比即可改变大、小极板的相位差。
在本发明一实施例中，所述步骤S04中对相位比较后的信号进行滤波后输出的信号进行处理是通过MCU或者模拟比较器对该信号进行处理。
本发明还提供了一种探测不同深度介质的电路，包括MCU、传感器、电位器、第一至第三电阻、信号整形及相位比较电路、滤波电路、第一至第二二阶RC滤波电路；
所述传感器由一组PCB铜箔构成，即由一大片铜箔和两小片铜箔构成，其中，大片铜箔作为大极板，小片铜箔作为小极板；所述传感器的大、小极板分别与第一、第二电阻构成第一、第二RC电路；
所述MCU输出一可随着探测深度的变化而能够改变探测频率的深度探测信号Ftest，深度探测信号Ftest经所述电位器至所述第一、第二RC电路的输入端；所述MCU还输出一用于调整所述大、小极板相位差的自校准信号Fcal，并经第一二阶RC滤波电路、第三电阻至大极板；
所述第一、第二RC电路产生的RC信号经所述信号整形及相位比较电路、滤波电路反馈至所述MCU，经MCU处理后，判断当前探测深度下的介质情况。
在本发明一实施例中，所述信号整形及相位比较电路包括第一、第二与非门，所述第一与非门的第一输入端与大极板连接，第一与非门的第二输入端与第二与非门的输出端连接，并作为所述信号整形及相位比较电路的输出端，第一与非门的输出端与第二与非门的第二输入端连接，第二与非门的第一输入端与小极板连接。
在本发明一实施例中，所述滤波电路为第三与非门。
在本发明一实施例中，所述自校准信号Fcal为由MCU产生的频率固定占空比变化的PWM信号，通过改变PWM信号的占空比即可改变大、小极板的相位差。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明探测电路相比较传统电路，省去了运算放大器等模拟器件，电路非常简洁且完全数字化；前期只要参数调整好，大批量生产一致性非常好；
2、配合MCU软件，可以实现更灵活的功能。
附图说明
图1为本发明电路的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明一种探测不同深度介质的方法，包括如下步骤，
S01：提供一传感器，该传感器由一组PCB铜箔构成，即由一大片铜箔和两小片铜箔构成，其中，大片铜箔作为大极板，小片铜箔作为小极板；
S02：提供一可随着探测深度的变化而能够改变探测频率的深度探测信号Ftest，施加至所述步骤S01中传感器的大、小极板上，使得大、小极板形成电磁场；（所述大、小极板分别连接有第一、第二电阻，以形成第一、第二RC电路）
S03：提供一作用于大极板的自校准信号Fcal，以调整大、小极板的相位差，从而提高探测灵敏度；所述自校准信号Fcal作用于大极板前还需经过一二阶RC滤波电路进行滤波处理。所述自校准信号Fcal为由一PWM校准电路产生的频率固定占空比变化的PWM信号，通过改变PWM信号的占空比即可改变大、小极板的相位差；
S04：对经深度探测信号Ftest驱动后的大、小极板输出的信号进行整形及相位比较，并对相位比较后的信号进行滤波后输出的信号进行处理（通过MCU或者模拟比较器对该信号进行处理），从而判断当前探测深度下的介质情况。
上述方法的实现电路如下：
一种探测不同深度介质的电路，包括MCU、传感器、电位器、第一至第三电阻、信号整形及相位比较电路、滤波电路、第一至第二二阶RC滤波电路；
所述传感器由一组PCB铜箔构成，即由一大片铜箔和两小片铜箔构成，其中，大片铜箔作为大极板，小片铜箔作为小极板；所述传感器的大、小极板分别与第一、第二电阻构成第一、第二RC电路；
所述MCU输出一可随着探测深度的变化而能够改变探测频率的深度探测信号Ftest，深度探测信号Ftest经所述电位器至所述第一、第二RC电路的输入端；所述MCU还输出一用于调整所述大、小极板相位差的自校准信号Fcal（所述自校准信号Fcal为由MCU产生的频率固定占空比变化的PWM信号，通过改变PWM信号的占空比即可改变大、小极板的相位差），并经第一二阶RC滤波电路、第三电阻至大极板；
所述第一、第二RC电路产生的RC信号经所述信号整形及相位比较电路、滤波电路反馈至所述MCU，经MCU处理后，判断当前探测深度下的介质情况。
所述信号整形及相位比较电路包括第一、第二与非门，所述第一与非门的第一输入端与大极板连接，第一与非门的第二输入端与第二与非门的输出端连接，并作为所述信号整形及相位比较电路的输出端，第一与非门的输出端与第二与非门的第二输入端连接，第二与非门的第一输入端与小极板连接。所述滤波电路为一第三与非门。
以下为本发明的具体实施例：
如图1所示，电阻R1和传感器的大极板C1构成第一RC电路，此处定义为：R1C1；
电阻R2和传感器的小极板C2构成第二RC电路，此处定义为：R2C2；
数字电路U1C和U1D 共同完成对 R1C1和R2C2的信号整形和相位比较（两路信号进行逻辑与非操作）。此电路是完成信号检测的重要组成部分。
数字电路U1B 实现了对U1C和U1D 输出的比较信号再整形功能，此电路实际上实现了两个极板信号的相位差功能。
R3,C1和R4,C2组成二阶RC滤波电路。此电路主要作用是把系统的校准信号（占空比变化的PWM信号）转换成直流电压信号。
R5,C3 和R6,C4 组成二阶RC滤波电路。此电路主要作用是把相位差信号变换为直流信号，供后继电路采用。
整体电路工作原理：
电路工作进入正常状态后，当触发探测功能时，Ftest会被输入一固定频率的方波信号。由图1可知，此信号分别与R1C1,R2C2相连接，从电路结构上，其作用就是不停的为R1C1,R2C2充放电。R1C1,R2C2随之产生RC充放电信号，此信号进入由U1D,U1B,U1C组成的整形和信号相位比较电路，最终得到两个RC信号的相位差信号。
当测试开始后，随着探测的进行，一旦遇到被测区域下面的介质成分比有较大变化，平行板电容器的电容量就会发生变化，也即大小极板的电容量发生变化。RC充放电路会因电容的变化引起信号平坦度的变化。我们知道数字门电路的阀值电压是固定不变的，因此，RC信号的平坦程度会直接影响到整形后的信号相对于其驱动信号的相位。这就是探测功能的基本原理。
注意到，两个极板的驱动信号是同一信号Ftest，并且大小极板面积不同。所以，R1C1，R2C2 经过整形再比较后，得到的相位差必然不同。因为初始探测位置的不同，初始相位差必然不同。 如果初始相位差非常小，那么两个极板的相对位置稍有变化，后级的相位差输出信号就非常明显。如果初始相位差很大，那么两极板相对位置的变化量对后级相位差信号产生的影响就会大大减弱。这就使得系统的灵敏度很低。
综上分析，我们需要校准两个极板信号的相对初始相位差，使之达到最小。所以就会有PWM校准电路。当校准开始时，系统会输出一个频率固定占空比变化的PWM信号（图1中的Fcal信号），此信号经过二阶RC滤波后，施加到大极板上。此举相当于给大极板叠加一个电压信号，那么此时大极板的信号幅度就会增大，信号平坦度随之改变。由上所述，我们知道，数字门电路的阀值电压是不变，如果信号平坦度发生变化，会直接影响到整形后信号的相位（相对于其驱动信号）。所以，通过改变PWM的占空比，我们可以间接改变大极板信号的相对相位。而小极板在校准过程中信号一直没有改变。所以，大小极板之间的相位差会随着PWM占空比的变化而变化，一旦它们之间的相对相位差达到最小，最后级二阶RC滤波器输出的电压信号最小。此时电路获得最大灵敏度状态。
一旦自校准完成，系统就处于最优的灵敏度状态，可以正常的进行探测工作。
众所周知，电磁场的穿透能力与其发射频率的关系是：当信号频率越高，信号穿透物体时衰减很大，也就是说穿透能力变弱。但是频率高可以获得很高的探测精确度。信号频率越低，信号穿透能力强，但是精度稍微差一点。
由此，可以设想用不同的频率来进行测试，只要实验充分就可以找到探测不同深度对应的合适频率。本专利在厚度为12.7mm,25.4mm, 38mm的石膏板做了测试。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
当测试厚度为12.mm时，因为测试厚度比较薄，理论上反射信号比较强。所以，此处可以使用频率高的探测信号，在保证探测深度的前提下，获得更精确的探测探测精确度。经过实验测试频率可以设置在20KHZ(方波，50%占空比)；
当测试厚度为25.4mm时，因为探测厚度适中，理论上反射信号不弱，此处应该有一定的灵敏度余量，经过实验可以确定在15KHZ(波形同上)，可以保证在25.4mm处的灵敏度和测试精确度。
当测试厚度为38mm时，此时信号穿透能力很弱，反射的信号也比较弱，此时探测信号的频率应该降低。通过实验我们可以确定在10KHZ。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种探测不同深度介质的方法，其特征在于：包括如下步骤，
S01：提供一传感器，该传感器由一组PCB铜箔构成，即由一大片铜箔和两小片铜箔构成，其中，大片铜箔作为大极板，小片铜箔作为小极板；
S02：提供一可随着探测深度的变化而能够改变探测频率的深度探测信号Ftest，施加至所述步骤S01中传感器的大、小极板上，使得大、小极板形成电磁场；
S03：提供一作用于大极板的自校准信号Fcal，以调整大、小极板的相位差，从而提高探测灵敏度；
S04：对经深度探测信号Ftest驱动后的大、小极板输出的信号进行整形及相位比较，并对相位比较后的信号进行滤波后输出的信号进行处理，从而判断当前探测深度下的介质情况。
2.根据权利要求1所述的一种探测不同深度介质的方法，其特征在于：所述大、小极板分别连接有第一、第二电阻，以形成第一、第二RC电路。
3.根据权利要求1所述的一种探测不同深度介质的方法，其特征在于：所述自校准信号Fcal作用于大极板前还需经过一二阶RC滤波电路进行滤波处理。
4.根据权利要求1或3所述的一种探测不同深度介质的方法，其特征在于：所述自校准信号Fcal为由一PWM校准电路产生的频率固定占空比变化的PWM信号，通过改变PWM信号的占空比即可改变大、小极板的相位差。
5.根据权利要求1所述的一种探测不同深度介质的方法，其特征在于：所述步骤S04中对相位比较后的信号进行滤波后输出的信号进行处理是通过MCU或者模拟比较器对该信号进行处理。
6.一种探测不同深度介质的电路，其特征在于：包括MCU、传感器、电位器、第一至第三电阻、信号整形及相位比较电路、滤波电路、第一至第二二阶RC滤波电路；
所述传感器由一组PCB铜箔构成，即由一大片铜箔和两小片铜箔构成，其中，大片铜箔作为大极板，小片铜箔作为小极板；所述传感器的大、小极板分别与第一、第二电阻构成第一、第二RC电路；
所述MCU输出一可随着探测深度的变化而能够改变探测频率的深度探测信号Ftest，深度探测信号Ftest经所述电位器至所述第一、第二RC电路的输入端；所述MCU还输出一用于调整所述大、小极板相位差的自校准信号Fcal，并经第一二阶RC滤波电路、第三电阻至大极板；
所述第一、第二RC电路产生的RC信号经所述信号整形及相位比较电路、滤波电路反馈至所述MCU，经MCU处理后，判断当前探测深度下的介质情况。
7.根据权利要求6所述的一种探测不同深度介质的电路，其特征在于：所述信号整形及相位比较电路包括第一、第二与非门，所述第一与非门的第一输入端与大极板连接，第一与非门的第二输入端与第二与非门的输出端连接，并作为所述信号整形及相位比较电路的输出端，第一与非门的输出端与第二与非门的第二输入端连接，第二与非门的第一输入端与小极板连接。
8.根据权利要求6所述的一种探测不同深度介质的电路，其特征在于：所述滤波电路为第三与非门。
9.根据权利要求6所述的一种探测不同深度介质的电路，其特征在于：所述自校准信号Fcal为由MCU产生的频率固定占空比变化的PWM信号，通过改变PWM信号的占空比即可改变大、小极板的相位差。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |