CN106154336B - 一种探测石膏板下面介质的电路及方法 - Google Patents

一种探测石膏板下面介质的电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种探测不同深度介质的电路及方法。该方法：首先，提供一传感器，该传感器由一组PCB铜箔构成，即由两片形状完全一样的PCB铜箔构成左右极板。其次，提供一探测驱动信号ClK，施加至所述左右极板上。使得左右极板与大地之间形成电磁场；再而，提供一波形整形以及相位差产生电路，使得每个极板可以产生相对于自身驱动信号的相位差。然后又提供一个倒相电路，实现波形倒置，以利于对微小的信号进行滤波和放大。MCU通过采样两个极板的直流电压信号。本发明还采取判断信号反转时刻和判断两路信号差的绝对值的方法，判断中心信号是否真来到。本发明提供的探测方法，具有简洁，稳定，抗干扰强等特点。

Description

一种探测石膏板下面介质的电路及方法
技术领域
本发明涉及一种探测石膏板下面介质的电路及方法。
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（参考美国期满专利：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。
发明内容
本发明的目的是提供一种探测石膏板下面介质的电路及方法。
本发明采用以下技术方案实现：一种探测石膏板下面介质的电路，其包括MCU、传感器、电位器、第一电阻、第二电阻、第一波形整形电路、第二波形整形电路、第一相位差电路、第二相位差电路、第一倒相电路、第二倒相电路、第一RC滤波电路、第二RC滤波电路、第一差分运放电路、第二差分运放电路、第一二阶RC滤波电路、第二二阶RC滤波电路、第一差分运放电路、第二差分运放电路、第一缓冲电路及第二缓冲电路； 所述传感器由一组PCB铜箔构成，即由两片形状相同的铜箔构成，将两片称为左右极板；所述MCU提供一频率固定的驱动信号ClK，所述驱动信号ClK接所述电位器的可调端；电位器的一端经第一电阻连接至左极板形成第一RC充放电路，电位器的另一端经第二电阻连接至右极板形成第二RC充放电路；第一RC充放电路接第一波形整形电路后输出第一方波信号；第二RC充放电路接第二波形整形电路后输出第二方波信号；第一方波信号接第一波形比较电路的一输入，第一波形比较电路的另一输入接驱动信号ClK，第一波形比较电路输出接第一相位差信号；第二方波信号接第二波形比较电路的一输入，第二波形比较电路的另二输入接驱动信号ClK，第二波形比较电路输出接第二相位差信号；第一相位差信号经第一倒相电路接第一RC滤波电路再接入第一差分运放电路的一输入；第二相位差信号经第二倒相电路接第二RC滤波电路再接入第二差分运放电路的一输入；所述MCU输出第一PWM参考比较信号CAL_WD1、第二PWM参考比较信号CAL_WD2；CAL_WD1接第一二阶RC滤波电路，滤波后的信号经第一缓冲电路接入第一差分运放电路的另一输入；第一差分运放电路的输出经第一差分运放电路差分运放输出WD1，WD1接MCU的一采样端；CAL_WD2第二二阶RC滤波电路，滤波后的信号经第二缓冲电路接入第二差分运放电路的另一输入；第二差分运放电路的输出经第二差分运放电路差分运放输出WD2，WD2接MCU的另一采样端，其中第一电阻及第二电阻具有相同阻值。
一种探测石膏板下面介质的方法，其包括以下步骤：S01：提供一传感器，该传感器由一组PCB铜箔构成，即由两片形状相同的铜箔构成，将其定义为左、右极板；S02：所述驱动信号ClK接一电位器的可调端；电位器的一端经第一电阻连接至左极板输出第一RC充放电信号，电位器的另一端经第二电阻连接至右极板输出第二RC充放电信号；第一电阻及第二电阻具有相同阻值；S03：提供两个波形整形电路，用于把S02中所产生的两组RC充放电信号整形成两组方波信号；S04：提供两个波形比较电路，用于把S03步骤中输出的两组方波信号分别与S02中的CLK信号进行逻辑与操作，用来实现两组相位差信号的产生；S05:提供两个倒相电路，用于把S04产生的两组相位差信号进行倒相操作；S06:提供两个RC 滤波电路，对S05 产生的两组信号进行滤波和整形，使之成为直流信号；S07:对S06产生的两组直流信号进行适当倍数的放大和输出阻抗的转换；S08:提供两路PWM参考比较信号CAL_WD1,CAL_WD2，两路PWM信号的占空比由所述MCU控制；S09:提供两路二阶RC 滤波电路及两路运放缓冲电路；二阶RC滤波电路用于将CAL_WD1,CAL_WD2的两路PWM信号整流成直流信号；两路运放缓冲电路用于将CAL_WD1,CAL_WD2整流后的直流信号进行阻抗变换；S10:提供两组差分信号放大电路，用于S09输出的信号分别与S07输出的信号进行信号差运算，然后再对差分信号进行放大得到两组差分放大电路；S11:用MCU 采样S10输出的两组差分放大信号，对两路信号进行分析，如果一开始WD1>WD2, 当检测到WD2 < WD1时，则认为检测到中心；如果一开始WD2>WD1, 当检测到WD1 < WD2时，则认为检测到中心。
与现有技术相比，本发明提供探测中心的电路具有较强的拓展性，且电路更简洁方便于大批量生产；本发明提供的探测方法，具有简洁，稳定，抗干扰强等特点。
附图说明
图1位本发明一实施例的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步解释说明。
本发明提供一种探测石膏板下面介质的电路，其包括MCU、传感器、电位器、第一电阻、第二电阻、第一波形整形电路、第二波形整形电路、第一相位差电路、第二相位差电路、第一倒相电路、第二倒相电路、第一RC滤波电路、第二RC滤波电路、第一差分运放电路、第二差分运放电路、第一二阶RC滤波电路、第二二阶RC滤波电路、第一差分运放电路、第二差分运放电路、第一缓冲电路及第二缓冲电路； 所述传感器由一组PCB铜箔构成，即由两片形状相同的铜箔构成，将两片称为左右极板；所述MCU提供一频率固定的驱动信号ClK，所述驱动信号ClK接所述电位器的可调端；电位器的一端经第一电阻连接至左极板形成第一RC充放电路，电位器的另一端经第二电阻连接至右极板形成第二RC充放电路；第一RC充放电路接第一波形整形电路后输出第一方波信号；第二RC充放电路接第二波形整形电路后输出第二方波信号；第一方波信号接第一波形比较电路的一输入，第一波形比较电路的另一输入接驱动信号ClK，第一波形比较电路输出接第一相位差信号；第二方波信号接第二波形比较电路的一输入，第二波形比较电路的另二输入接驱动信号ClK，第二波形比较电路输出接第二相位差信号；第一相位差信号经第一倒相电路接第一RC滤波电路再接入第一差分运放电路的一输入；第二相位差信号经第二倒相电路接第二RC滤波电路再接入第二差分运放电路的一输入；所述MCU输出第一PWM参考比较信号CAL_WD1、第二PWM参考比较信号CAL_WD2；CAL_WD1接第一二阶RC滤波电路，滤波后的信号经第一缓冲电路接入第一差分运放电路的另一输入；第一差分运放电路的输出经第一差分运放电路差分运放输出WD1，WD1接MCU的一采样端；CAL_WD2第二二阶RC滤波电路，滤波后的信号经第二缓冲电路接入第二差分运放电路的另一输入；第二差分运放电路的输出经第二差分运放电路差分运放输出WD2，WD2接MCU的另一采样端，其中第一电阻及第二电阻具有相同阻值。
本发明一实施例的电路原理图参见图1。
所述第一波形整形电路、第二波形整形电路均为一与非门。所述第一相位差电路、第二相位差电路均为一与非门电路。较佳实施例中采用高速CMOS四二输入与非门74HC132。
所述第一倒相电路、第二倒相电路均包括第一至第四二极管、一电阻及一电容；其中第一二极管阳极接第一波形整形电路或第二波形整形电路输出；第一二极管阴极分别接所述电容一端、所述电阻一端；电容另一端分别接第二二极管阳极、第四二极管阴极；第二二极管阴极接第一RC滤波电路一端或第二RC滤波电路一端；电阻另一端接第三二极管阳极；第三二极管阴极接接第四二极管阳极；第四二极管阳极接第一RC滤波电路另一端或第二RC滤波电路另一端。较佳实施例中采用1N4148二极管。
较佳实施例中差分运放电路采用TL064实现。
在实际应用中，还包括与所述MCU连接的外围设备，所述外围设备包括键盘、显示装置及电源。
本发明涉及一种探测不同深度介质的方法。该方法：首先，提供一传感器，该传感器由一组PCB铜箔构成，即由两片形状完全一样的PCB铜箔构成左右极板。其次，提供一探测驱动信号ClK，施加至所述左右极板上。使得左右极板与大地之间形成电磁场；再而，提供一波形整形以及相位差产生电路，使得每个极板可以产生相对于自身驱动信号的相位差。然后又提供一个倒相电路，实现波形倒置，以利于对微小的信号进行滤波和放大。MCU通过采样两个极板的直流电压信号。如果左极板信号强度大于右极板，则一起左移动，可以由此在显示器上显示出移动方向。反之，向右移动。理论上，当仪器到达介质的中心时，左右极板的信号应该相等。但是这个状态不是非常稳定，如果采用这个方法，将会使得中心号不稳定。因此本发明采取判断信号反转时刻和判断两路信号差的绝对值的方法，判断中心信号是否真来到。如果两路信号强度突然增强到大于系统的阀值。此时MCU会不停的计算左右极板信号的差值的绝对值和不停的判断移动方向是否改变。如果某个时刻，移动方向突然改变，则此时可以认为找到中心，需要立即将中心信息显示出来。如果差值的绝对值突然小于设计值，则可以大概判断此时仪器就在中心附近，在误差允许的范围内，可以在显示器上更新中心显示信息。
这里遇到一个问题，当我们采用同一灵敏度进行不同厚度物质探测时，如果被测表面比较薄，那么此时大灵敏度会造成误差指标偏大，并且测试过程中，因为灵敏度过高，系统的抗干扰能力会变差。此时如果想得到好的测试效果，必须尽可能降低硬件灵敏度。由以上描述可知，我们可以通过不同的PWM占空比实现不同的灵敏度。方法就简单，可靠，并且可以避免线性放大器的一些弊端。实际操作过程效果更好一点。
具体包括以下步骤:
S01：提供一传感器，该传感器由一组PCB铜箔构成，即由两片形状相同的铜箔构成，将其定义为左、右极板；
S02：所述驱动信号ClK接一电位器的可调端；电位器的一端经第一电阻连接至左极板输出第一RC充放电信号，电位器的另一端经第二电阻连接至右极板输出第二RC充放电信号；第一电阻及第二电阻具有相同阻值；
S03：提供两个波形整形电路，用于把S02中所产生的两组RC充放电信号整形成两组方波信号；
S04：提供两个波形比较电路，用于把S03步骤中输出的两组方波信号分别与S02中的CLK信号进行逻辑与操作，用来实现两组相位差信号的产生；
S05:提供两个倒相电路，用于把S04产生的两组相位差信号进行倒相操作；
S06:提供两个RC 滤波电路，对S05 产生的两组信号进行滤波和整形，使之成为直流信号；
S07:对S06产生的两组直流信号进行适当倍数的放大和输出阻抗的转换；
S08:提供两路PWM参考比较信号CAL_WD1,CAL_WD2，两路PWM信号的占空比由所述MCU控制；
S09:提供两路二阶RC 滤波电路及两路运放缓冲电路；二阶RC滤波电路用于将CAL_WD1,CAL_WD2的两路PWM信号整流成直流信号；两路运放缓冲电路用于将CAL_WD1,CAL_WD2整流后的直流信号进行阻抗变换；
S10:提供两组差分信号放大电路，用于S09输出的信号分别与S07输出的信号进行信号差运算，然后再对差分信号进行放大得到两组差分放大电路；
S11:用MCU 采样S10输出的两组差分放大信号，对两路信号进行分析，如果一开始WD1>WD2, 当检测到WD2 < WD1时，则认为检测到中心；如果一开始WD2>WD1, 当检测到WD1< WD2时，则认为检测到中心。
当探测厚度比较薄时，需要降低探测灵敏度，以降低电路的灵敏度，实现更好的抗干扰性能和探测精度，此时参考信号电平需要高一点，PWM占空比需要大一些。当探测厚度比较厚时，此时需要提高系统灵敏度，PWM占空比需要小一些。此时系统灵敏度会更好。
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 (7)

1.一种探测石膏板下面介质的电路，其特征在于：包括MCU、传感器、电位器、第一电阻、第二电阻、第一波形整形电路、第二波形整形电路、第一波形比较电路、第二波形比较电路、第一倒相电路、第二倒相电路、第一RC滤波电路、第二RC滤波电路、第一二阶RC滤波电路、第二二阶RC滤波电路、第一差分运放电路、第二差分运放电路、第一缓冲电路及第二缓冲电路；
所述传感器由一组PCB铜箔构成，即由两片形状相同的铜箔构成，将两片称为左右极板；
所述MCU提供一频率固定的驱动信号CLK ，所述驱动信号CLK 接所述电位器的可调端；电位器的一端经第一电阻连接至左极板形成第一RC充放电路，电位器的另一端经第二电阻连接至右极板形成第二RC充放电路；第一RC充放电路接第一波形整形电路后输出第一方波信号；第二RC充放电路接第二波形整形电路后输出第二方波信号；第一方波信号接第一波形比较电路的一输入，第一波形比较电路的另一输入接驱动信号CLK ，第一波形比较电路输出为第一相位差信号；第二方波信号接第二波形比较电路的一输入，第二波形比较电路的另二输入接驱动信号CLK ，第二波形比较电路输出为第二相位差信号；第一相位差信号经第一倒相电路接第一RC滤波电路再接入第一差分运放电路的一输入；第二相位差信号经第二倒相电路接第二RC滤波电路再接入第二差分运放电路的一输入；所述MCU输出第一PWM参考比较信号CAL_WD1、第二PWM参考比较信号CAL_WD2；CAL_WD1接第一二阶RC滤波电路，滤波后的信号经第一缓冲电路接入第一差分运放电路的另一输入；第一差分运放电路的输出为WD1，WD1接MCU的一采样端；CAL_WD2接第二二阶RC滤波电路，滤波后的信号经第二缓冲电路接入第二差分运放电路的另一输入；第二差分运放电路的输出为WD2，WD2接MCU的另一采样端，其中第一电阻及第二电阻具有相同阻值。
2.根据权利要求1所述的探测石膏板下面介质的电路，其特征在于：所述第一波形整形电路、第二波形整形电路均为一与非门电路。
3.根据权利要求1所述的探测石膏板下面介质的电路，其特征在于：所述第一波形比较电路、第二波形比较电路均为一与非门电路。
4.根据权利要求1所述的探测石膏板下面介质的电路，其特征在于：所述第一倒相电路、第二倒相电路均包括第一至第四二极管、第三电阻及一电容；其中第一二极管阳极接第一波形整形电路或第二波形整形电路输出；第一二极管阴极分别接所述电容一端、所述第三电阻一端；电容另一端分别接第二二极管阳极、第四二极管阴极；第二二极管阴极接第一RC滤波电路一端或第二RC滤波电路一端；第三电阻另一端接第三二极管阳极；第三二极管阴极接接第四二极管阳极；第四二极管阳极接第一RC滤波电路另一端或第二RC滤波电路另一端。
5.根据权利要求1所述的探测石膏板下面介质的电路，其特征在于：还包括与所述MCU连接的外围设备，所述外围设备包括键盘、显示装置及电源。
6.一种探测石膏板下面介质的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：提供一传感器，该传感器由一组PCB铜箔构成，即由两片形状相同的铜箔构成，将其定义为左、右极板；
S02：驱动信号CLK 接一电位器的可调端；电位器的一端经第一电阻连接至左极板输出第一RC充放电信号，电位器的另一端经第二电阻连接至右极板输出第二RC充放电信号；第一电阻及第二电阻具有相同阻值；
S03：提供两个波形整形电路，用于把S02中所产生的两组RC充放电信号整形成两组方波信号；
S04：提供两个波形比较电路，用于把S03步骤中输出的两组方波信号分别与S02中的CLK信号进行逻辑与操作，用来实现两组相位差信号的产生；
S05:提供两个倒相电路，用于把S04产生的两组相位差信号进行倒相操作；
S06:提供两个RC 滤波电路，对S05 产生的两组信号进行滤波和整形，使之成为直流信号；
S07:对S06产生的两组直流信号进行适当倍数的放大和输出阻抗的转换；
S08:提供两路PWM参考比较信号CAL_WD1,CAL_WD2，两路PWM信号的占空比由一MCU控制；
S09:提供两路二阶RC 滤波电路及两路运放缓冲电路；二阶RC滤波电路用于将CAL_WD1,CAL_WD2的两路PWM信号整流成直流信号；两路运放缓冲电路用于将CAL_WD1,CAL_WD2整流后的直流信号进行阻抗变换；
S10:提供两组差分信号放大电路，用于S09输出的信号分别与S07输出的信号进行信号差运算，然后再对差分信号进行放大得到两组差分放大信号WD1、WD2；
S11:用MCU 采样S10输出的两组差分放大信号，对两路信号进行分析，如果一开始WD1>WD2, 当检测到WD2 < WD1时，则认为检测到介质的中心；如果一开始WD2>WD1, 当检测到WD1 < WD2时，则认为检测到介质的中心。
7.根据权利要求6所述的探测石膏板下面介质的方法，其特征在于：当需要探测的石膏板厚度越薄时， 第一PWM参考比较信号及第二PWM参考比较信号占空比需要越大；当需要探测的石膏板厚度越厚时，第一PWM参考比较信号及第二PWM参考比较信号占空比需要越小。
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