CN106019200B - 一种线圈传感器谐振参数的测量方法及装置 - Google Patents

一种线圈传感器谐振参数的测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种线圈传感器谐振参数的测量方法及装置，通过由单片机和CPLD组成的核心部件来控制DDS产生频率可调的信号，并将其幅值放大成恒压信号，然后将所述恒压信号输入到由待检测线圈和电阻阵列组成的串联电路中，将串联电阻两端的电压信号经过信号调理电路接入到ADC中进行数据采集，通过CPLD对同一信号频率下的电压数据进行多次绝对值相加并求取平均值，从而得到与该信号频率对应的稳定电压值，最后通过比对不同信号频率下的各个稳定电压值而得到最小电压值，所述最小电压值对应的信号频率即为待检测线圈的谐振频率。该方法智能化程度高，设备结构简单，成本低，还通过提升频率变化精度及减少干扰，提高了测量精度。

Description

一种线圈传感器谐振参数的测量方法及装置
技术领域
本发明涉及线圈传感器测量技术领域，具体地，涉及一种线圈传感器谐振参数的测量方法及装置。
背景技术
线圈传感器常用于瞬变电磁法及一些近地表频率域电磁法仪器中，起到前端感应器和信号发射装置的作用，而线圈本身的谐振参数会直接影响到信号的发射频率以及对寄生电容、寄生电感的测量与计算，因此需要对线圈的谐振参数进行精确测量。
目前采用的测量方法是将待检测线圈与一个外接电阻R和信号源串联起来，在保持信号源输出信号幅值不变的情况下不断改变输出信号的频率，同时利用示波器测量定值电阻两端的实时电压值，将待检测线圈等效为一个由未知电阻r、未知电容C和未知电感L组成的电路(参见图1)，当测量电压为最小值时，整个串联电路处于谐振状态，此时，外接电阻两端的电压值VR与信号源输出的电压模值Vi之比最小，即：
确定此时信号源对应的输出频率，该频率即为待检测线圈的谐振频率。
虽然利用上述方法可以测量出线圈的谐振频率，但其仍存在如下缺点：1、在每次测量之前都要对电路进行多次手动测试，以挑选出阻值大小合适的外接电阻R，操作繁琐；2、信号源(一般为函数信号发生器，XFG1)输出信号的频率和幅值不能精确一致，即当信号的频率变大时其幅值将会变小，无法保证在整个测量过程中输出信号幅值恒定不变的先决条件，从而对测量结果的正确性造成较大干扰，除非采用一些高端信号源，但又会导致成本的提高；3、信号源采用人工设置和读取频率的方法，读数精度不高；4、利用示波器测量的电压值是具有一定范围限度的，不能完全适用对所有线圈谐振频率的测量，而且常用示波器的分辨率只有8bit，读数误差大，影响最终得到的结果的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于测量线圈传感器的谐振参数的方法和装置，以解决背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种线圈传感器谐振参数的测量方法，通过由单片机和CPLD组成的核心部件来控制DDS产生频率可调的信号，并将其幅值放大成电压为U1的恒压信号，U1为0.5V～20V之间的一个固定值，然后将所述恒压信号输入到由待检测线圈和电阻阵列组成的串联电路中，所述电阻阵列包括阻值大小不等的多个定值电阻，且待检测线圈在同一时间内只与一个定值电阻串联，将所述定值电阻两端的电压信号经过信号调理电路接入到ADC中进行数据采集，通过CPLD对同一信号频率下的电压数据进行20次以上的绝对值相加并求取平均值，从而得到与该信号频率对应的稳定电压值，最后通过比对不同信号频率下的各个稳定电压值而得到最小电压值，所述最小电压值对应的信号频率即为待检测线圈的谐振频率。
所述单片机是一种微型的在线式实时控制计算机，其将中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成于一体，并按顺序依次执行已编写好的程序。相对于功能已经被设计好的单片机，所述CPLD(Complex ProgrammableLogic Device，复杂可编程逻辑器件)是一种可自行构造逻辑功能的数字集成电路，用户可根据自身需要进行编程从而实现想要的处理功能。
由单片机和CPLD组成的核心部件可以监控整个测量过程的进程并完成对所得数据的处理。
所述DDS(Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器)可产生频率可调的信号，且其与传统的频率合成器相比，具有低成本、低功耗、高分辨率、高变化进度和快速转换时间等优点。
所述ADC(Analog to Digital Converter，模数转换器)是一个用于对模拟信号进行数字化处理的电子元件，其可将输入的电压信号转换为输出的数字信号，并最终把数字信号输送到数据处理设器件中。
由于输入ADC的电压信号的变化相当小，因此在转换为数字信号之前必须对其进行调理，即对电压信号进行放大、缓冲或定标等处理，使其适合于ADC的输入。
优选地，所述线圈传感器谐振参数的测量方法包括如下步骤：
1)将待检测线圈接入电路，并使电阻阵列中阻值最大的定值电阻与待检测线圈串联，接通电源；
2)由单片机和CPLD组成的核心部件控制DDS产生起始频率为f1的输出信号，f1为1Hz～100Hz之间的一个固定值，如果所述定值电阻两端的电压值高于U2，U2＝a U1，且系数a为0.2～0.7之间的一个固定值，则通过继电器切换下一个阻值较小的定值电阻与待检测线圈串联，直到接入电路的定值电阻两端的电压值不超过U2时，所选用定值电阻的阻值正合适，如果直至切换到最小阻值的定值电阻，其两端的电压值仍然高于U2，则直接选用最小阻值的定值电阻接入电路；
3)开始测量，所述核心部件控制DDS以步进频率f2不断增大其输出信号的频率值，所述步进频率f2为2Hz以下的一个固定值，优选f2为0.4Hz～1.5Hz中的值，更优选f2为0.5Hz～1.0Hz中的值；
4)在增大输出信号的频率值的同时，将定值电阻两端的电压信号通过信号调理电路接入到ADC中进行数据采集，通过CPLD对同一信号频率下的电压数据进行20次以上的绝对值相加并求取平均值，从而得到与该信号频率对应的稳定电压值，随着信号频率的增大，将得到的不同信号频率下的稳定电压值记录下来；
5)当检测到第n个电压值时，n为大于等于六的自然数，将该电压值与之前记录的n-1个电压值进行比较，如果数值一直在变小，则将最早记录的一个电压值丢掉，并将新检测到的电压值记录下来，不断重复上述过程，且记录的电压值每增加一个则相应丢掉最早的一个，以确保记录下的电压值总数为n-1个；
6)当新检测到的电压值比上一个记录的电压值要大时，同样将最早记录的一个电压值丢掉，并将新检测到的电压值记录下来，且再连续检测n-3个电压值，如果数值大小变化不定，则继续进行检测，如果数值仍然依次增大，则可以判定此时记录的第一个电压值为最小电压值，该电压值所对应的信号频率即为待检测线圈的谐振频率。
优选地，测量到的各电压值及其对应的信号频率均通过由单片机控制的LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)直接显示。
优选地，所述电阻阵列包括六个定值电阻，且各定值电阻的阻值分别为100Ω、1KΩ、10KΩ、50KΩ、200KΩ和500KΩ。
优选地，在步骤4)中，通过CPLD对数据进行绝对值相加的次数为100次以上，优选为1000次以上。
一种线圈传感器谐振参数的测量装置，按照信号的传输方向依次包括由单片机和CPLD组成的核心部件、DDS、幅值放大电路、待检测线圈连接结构、电阻阵列、信号调理电路、ADC以及所述核心部件，且所述测量装置还包括与所述核心部件连接的LCD；
所述DDS用于产生频率可调的信号，所述幅值放大电路用于放大输入信号的幅值并稳定输出电压为U1的恒压信号，U1为0.5V～20V之间的一个固定值，所述待检测线圈连接结构用于连接待检测线圈，所述电阻阵列包括多个阻值大小不等的定值电阻，且各定值电阻间通过继电器实现切换，所述ADC用于采集定值电阻两端的电压信号，所述LCD用于显示实时频率及其对应的电压值，所述单片机具有信息读取功能，可用于控制继电器的通断和LCD的显示，所述CPLD用于完成对DDS的控制、ADC数据的采集以及数据的绝对值相加。
优选地，所述待检测线圈连接结构为两个分别与幅值放大电路和电阻阵列电连接的导电夹，且所述两个导电夹分别与待检测线圈的两个引出头连接。
优选地，所述电阻阵列包括六个定值电阻，且各定值电阻的阻值分别为100Ω、1KΩ、10KΩ、50KΩ、200KΩ和500KΩ。
优选地，所述ADC为高精度ADC，其具有16bit的分辨率和100MSPS的采样速度。
本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
1、所述测量方法和装置的智能化程度高，不需要每次人为筛选合适阻值的外接电阻，也不需要手动设置频率。
2、所述测量装置使用的均为常规设备，具有体积小、模块化、成本低的优点。
3、DDS输出信号频率的步进精度非常高，比人工设置和读取的信号源要精确很多，ADC具有16bit以上的分辨率，远比8bit的示波器优越，通过幅值放大电路可以始终确保电路中信号幅值的稳定不变，排除干扰，提高测量结果的准确性。
4、所述测量方法和装置所检测的谐振频率可达50MHz，能完全满足队地球物理仪器的测量要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是现有测量方法的装置连接示意图(虚线为实际接入的待检测线圈，线圈内为与其等效的电路结构)；
图2是本发明优选实施例的装置连接示意图；
图3是图2所示实施例中电阻阵列的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图2，一种线圈传感器谐振参数的测量装置，按照信号的传输方向依次包括由单片机和CPLD组成的核心部件、DDS、幅值放大电路、待检测线圈连接结构、电阻阵列、信号调理电路、ADC以及所述核心部件，且所述测量装置还包括与所述核心部件连接的LCD，用于显示检测并记录下的各电压值及其对应的信号频率。
继续参见图3，所述电阻阵列包括六个定值电阻，且各定值电阻的阻值分别为100Ω、1KΩ、10KΩ、50KΩ、200KΩ和500KΩ。
本实施例中，所述待检测线圈连接结构为两个分别与幅值放大电路和电阻阵列电连接的导电夹，且所述两个导电夹分别与待检测线圈的两个引出头连接。
本实施例中，所述ADC为高精度ADC，其具有16bit的分辨率和100MSPS的采样速度。
利用上述测量装置对线圈传感器的谐振参数进行测量，其具体步骤如下：
1)将待检测线圈接入电路，并使电阻阵列中阻值为500KΩ的定值电阻与待检测线圈串联，接通电源；
2)由单片机和CPLD组成的核心部件控制DDS产生起始频率为1Hz的输出信号，并将其幅值放大成电压为1V的恒压信号，如果所述定值电阻两端的电压值高于1/3V，则通过继电器切换下一个阻值较小的定值电阻与待检测线圈串联，直到接入电路的定值电阻两端的电压值不超过1/3V时，所选用定值电阻的阻值正合适，如果直至切换到最小阻值的定值电阻，其两端的电压值仍然高于1/3V，则直接选用最小阻值的定值电阻接入电路；
3)开始测量，所述核心部件控制DDS以0.5Hz的步进频率不断增大其输出信号的频率值；
4)在增大输出信号的频率值的同时，将定值电阻两端的电压信号通过信号调理电路接入到ADC中进行数据采集，通过CPLD对同一信号频率下的电压数据进行1000次的绝对值相加并求取平均值，从而得到与该信号频率对应的稳定电压值，随着信号频率的增大，将得到的不同信号频率下的稳定电压值记录下来；
5)当检测到第6个电压值时，将该电压值与之前记录的5个电压值进行比较，如果数值一直在变小，则将最早记录的一个电压值丢掉，并将新检测到的电压值记录下来，不断重复上述过程，且记录的电压值每增加一个则相应丢掉最早的一个，以确保记录下的电压值总数为5个；
6)当新检测到的电压值比上一个记录的电压值要大时，同样将最早记录的一个电压值丢掉，并将新检测到的电压值记录下来，且再连续检测3个电压值，如果数值大小变化不定，则继续进行检测，如果数值仍然依次增大，则可以判定此时记录的第一个电压值为最小电压值，该电压值所对应的信号频率即为待检测线圈的谐振频率。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。在本发明的精神和原则之内，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的任何改进或等同替换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种线圈传感器谐振参数的测量方法，其特征在于，通过由单片机和CPLD组成的核心部件来控制DDS产生频率可调的信号，并将其幅值放大成电压为U1的恒压信号，U1为0.5V～20V之间的一个固定值，然后将所述恒压信号输入到由待检测线圈和电阻阵列组成的串联电路中，所述电阻阵列包括阻值大小不等的多个定值电阻，且待检测线圈在同一时间内只与一个定值电阻串联，将所述定值电阻两端的电压信号经过信号调理电路接入到ADC中进行数据采集，通过CPLD对同一信号频率下的电压数据进行20次以上的绝对值相加并求取平均值，从而得到与该信号频率对应的稳定电压值，最后通过比对不同信号频率下的各个稳定电压值而得到最小电压值，所述最小电压值对应的信号频率即为待检测线圈的谐振频率。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将待检测线圈接入电路，并使电阻阵列中阻值最大的定值电阻与待检测线圈串联，接通电源；
2)由单片机和CPLD组成的核心部件控制DDS产生起始频率为f1的输出信号，f1为1Hz～100Hz之间的一个固定值，如果所述定值电阻两端的电压值高于U2，U2＝a U1，且系数a为0.2～0.7之间的一个固定值，则通过继电器切换下一个阻值较小的定值电阻与待检测线圈串联，直到接入电路的定值电阻两端的电压值不超过U2时，所选用定值电阻的阻值正合适，如果直至切换到最小阻值的定值电阻，其两端的电压值仍然高于U2，则直接选用最小阻值的定值电阻接入电路；
3)开始测量，所述核心部件控制DDS以步进频率f2不断增大其输出信号的频率值，所述步进频率f2为0.4Hz～1.5Hz中的一个固定值；
4)在增大输出信号的频率值的同时，将定值电阻两端的电压信号通过信号调理电路接入到ADC中进行数据采集，通过CPLD对同一信号频率下的电压数据进行20次以上的绝对值相加并求取平均值，从而得到与该信号频率对应的稳定电压值，随着信号频率的增大，将得到的不同信号频率下的稳定电压值记录下来；
5)当检测到第n个电压值时，n为大于等于六的自然数，将该电压值与之前记录的n-1个电压值进行比较，如果数值一直在变小，则将最早记录的一个电压值丢掉，并将新检测到的电压值记录下来，不断重复上述过程，且记录的电压值每增加一个则相应丢掉最早的一个，以确保记录下的电压值总数为n-1个；
6)当新检测到的电压值比上一个记录的电压值要大时，同样将最早记录的一个电压值丢掉，并将新检测到的电压值记录下来，且再连续检测n-3个电压值，如果数值大小变化不定，则继续进行检测，如果数值仍然依次增大，则可以判定此时记录的第一个电压值为最小电压值，该电压值所对应的信号频率即为待检测线圈的谐振频率。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，测量到的各电压值及其对应的信号频率均通过单片机控制的LCD直接显示。
4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述电阻阵列包括六个定值电阻，且各定值电阻的阻值分别为100Ω、1KΩ、10KΩ、50KΩ、200KΩ和500KΩ。
5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，在步骤4)中，通过CPLD对数据进行绝对值相加的次数为100次以上。
6.一种线圈传感器谐振参数的测量装置，其特征在于，按照信号的传输方向依次包括由单片机和CPLD组成的核心部件、DDS、幅值放大电路、待检测线圈连接结构、电阻阵列、信号调理电路、ADC以及所述核心部件，且所述测量装置还包括与所述核心部件连接的LCD；
所述DDS用于产生频率可调的信号，所述幅值放大电路用于放大输入信号的幅值并稳定输出电压为U1的恒压信号，U1为0.5V～20V之间的一个固定值，所述待检测线圈连接结构用于连接待检测线圈，所述电阻阵列包括多个阻值大小不等的定值电阻，且各定值电阻间通过继电器实现切换，所述ADC用于采集定值电阻两端的电压信号，所述LCD用于显示实时频率及其对应的电压值，所述单片机具有信息读取功能，可用于控制继电器的通断和LCD的显示，所述CPLD用于完成对DDS的控制、ADC数据的采集以及数据的绝对值相加。
7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述待检测线圈连接结构为两个分别与幅值放大电路和电阻阵列电连接的导电夹，且所述两个导电夹分别与待检测线圈的两个引出头连接。
8.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述电阻阵列包括六个定值电阻，且各定值电阻的阻值分别为100Ω、1KΩ、10KΩ、50KΩ、200KΩ和500KΩ。
9.根据权利要求8所述的测量装置，其特征在于，所述ADC为高精度ADC，其具有16bit的分辨率和100MSPS的采样速度。
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Address before: Yuelu District City, Hunan province 410083 Changsha Lushan Road No. 932

Patentee before: CENTRAL SOUTH University

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Denomination of invention: A method and device for measuring resonance parameters of coil sensor

Effective date of registration: 20211105

Granted publication date: 20180710

Pledgee: Changsha bank Limited by Share Ltd. Xiangjiang New District sub branch

Pledgor: CUHK testing (Hunan) Co.,Ltd.

Registration number: Y2021430000069

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Address after: No.755, Xueshi street, Yuelu District, Changsha City, Hunan Province, 410205

Patentee after: Zhongda Intelligent Technology Co.,Ltd.

Address before: 410000 Bachelor's Street, Yuelu District, Changsha City, Hunan Province, 755 Bachelor's Road

Patentee before: CUHK testing (Hunan) Co.,Ltd.

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Change date: 20230802

Registration number: Y2021430000069

Pledgor after: Zhongda Intelligent Technology Co.,Ltd.

Pledgor after: HUNAN CEZHI TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Pledgor after: Hunan zhongyun Technology Co.,Ltd.

Pledgor before: CUHK testing (Hunan) Co.,Ltd.

Pledgor before: HUNAN CEZHI TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Pledgor before: Hunan zhongyun Technology Co.,Ltd.

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Date of cancellation: 20230804

Granted publication date: 20180710

Pledgee: Changsha bank Limited by Share Ltd. Xiangjiang New District sub branch

Pledgor: Zhongda Intelligent Technology Co.,Ltd.|HUNAN CEZHI TECHNOLOGY Co.,Ltd.|Hunan zhongyun Technology Co.,Ltd.

Registration number: Y2021430000069