CN114859128A - 一种无线多通道微型阻抗测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及压电阻抗法结构健康监测技术领域，提供了一种无线多通道微型阻抗测量系统。包括阻抗测量电路以及通道切换电路，其中：通道切换电路包括用于接入待测物体的8选1测量通道、用于校准的8选n校准电阻、用于反馈的8选n反馈电阻，n为大于等于1、小于等于8的自然数；所述阻抗测量电路与所述通道切换电路连接，用于产生正弦激励电压以对待测物体进行阻抗测量。本发明使校准电阻和反馈电阻从16选1的范围改进到8选n的范围，从而使测量阻抗值的范围相较以前大大增加。

Description

一种无线多通道微型阻抗测量系统
技术领域
本发明涉及压电阻抗法结构健康监测技术领域，特别是涉及一种无线多通道微型阻抗测量系统。
背景技术
压电阻抗技术，通过检测被测物体阻抗信号的变化来监测结构的安全性以及损伤状态信息的变化，对监测结构早期的微小损伤具有较高的灵敏度，具有实施简单，可以应用于复杂结构，所需的传感器价格便宜，质量轻体积小，转换效率高，长期稳定性好等优点。因此，压电阻抗技术被认为是结构健康监测领域中最有发展前景的结构无损检测技术之一。
传统的基于阻抗的损伤检测技术主要使用精密阻抗分析仪进行阻抗测量。但是传统的压电阻抗测量设备----精密阻抗分析仪，具有价格昂贵、体积大，不便于携带测量等缺点，因此，国内外学者开始研究使用经济便携、体积小的微型阻抗测量设备替代精密阻抗分析仪进行阻抗检测。
微型阻抗测量设备在使用之前需要进行校准，校准结果的好坏会严重影响后续测量中的测量结果和测量效果。以往学者主要使用增益系数校准方法来实现微型阻抗测量设备的独立校准以及阻抗测量。增益系数校准方法主要通过在微型阻抗测量设备内部的单片机中针对不同的阻抗测量范围存储不同的增益系数以及使用不同的反馈电阻对待测物体进行测量从而实现微型阻抗测量设备在实际使用中进行独立校准。例如在专利号为CN108562795A，专利名称为一种太阳阻抗测量系统的专利文献中，中国科学院大学半导体研究所的苏都研制的阻抗测量系统，根据阻抗测量模块的测量结果调整阻抗测量范围并使用不同反馈电阻值和增益系数，使得测量结果始终保持在量程以内；例如在专利号为CN206002605U，专利名称为一种基于STM32F105RC便携式阻抗测量仪的专利文献中，安徽理工大学的唐明玉研制的便携式测量仪，根据测量信号的范围基于STM32单片机自动切换至合适的反馈电阻进行阻抗测量，并依据所测得的阻抗实部和虚部根据拟合函数拟合计算出阻抗值；例如在专利号为CN213780212U，专利名称为一种基于STM32的三端器件阻抗测量仪的专利文献中，浙江力德仪器有限公司的赵先成研制的三端器件阻抗测量仪，依据测量得到的阻抗信号的范围选择切换不同的反馈电阻进行阻抗测量并使用标定模式下得到的增益系数计算得到最终的阻抗值。
上述所使用的增益系数校准方法可以保证输出电压控制在后续的模拟数字转换器的输入范围之内，避免因为响应信号过大或过小而产生误差，但是在进行量程选择的时候只考虑了阻抗幅值的范围并没有考虑阻抗相位的影响，不能保证所测量得到的数据在考虑阻抗幅值和曲线形状上与精确数据最接近，而且容易发生数据记录溢出现象，导致测出来的曲线非连续，测量结果不理想。
针对上述情况，本申请发明人在之前一篇专利号为CN114487971A，专利名称为一种改进的微型阻抗测量自校准算法和装置中，提出了解决该情况的技术方案，该专利在挑选测量数据的时候综合考虑了阻抗幅值和阻抗相位的相对变化，所挑选出来的数据是在综合考虑阻抗幅值的精度和阻抗相位的精度的情况下校准效果最好的测量数据。相比增益系数校准方法所测量得到的数据，该专利基于对所有测量得到的数据进行遍历计算与分析所挑选出来的测量数据在阻抗幅值和阻抗相位的精度上均有所提高。进一步，该专利所挑选的校准效果最好的测量数据是一组完整的测量数据，不会在个别频率点上出现记录溢出的现象，可以保证所得到的测量数据为连续的数据。
但是，经过实际使用后，上述该专利也暴露出了一些缺陷：该专利在实际使用时，其通道切换电路是使用的16选1校准电阻、与校准电阻值相同的16选1反馈电阻，所以对于一个测试物体，所挑选出的校准效果最好的测量数据都是基于16选1的电阻值测试数据中来挑选的，相应的，所挑选的“校准效果最好的测量数据”便受制于预先设定的16个电阻值，挑选出的最佳反馈电阻值也只能是这16个电阻值之一，这样一来，当待测物体需要更换，且与其对应的实际最佳反馈电阻值超出这16个电阻值范围时，该专利便不再适用，简而言之，之前的方案中，校准电阻、反馈电阻的取值范围受限，不利于更换阻抗差距过大的待测物体，当需要检测的待测物体中出现阻抗超出校准电阻、反馈电阻取值范围的待测物体时，测量效果便不再准确。
鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有技术中校准电阻、反馈电阻的取值范围受限，不利于更换阻抗差距过大的待测物体，当需要检测的待测物体中出现阻抗超出校准电阻、反馈电阻取值范围的待测物体时，测量效果便不再准确，测量结果不理想。
本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种无线多通道微型阻抗测量系统，包括阻抗测量电路以及通道切换电路，其中：
所述通道切换电路包括用于接入待测物体的8选1测量通道、用于校准的8选n校准电阻、用于反馈的8选n反馈电阻，其中，n为大于等于1、小于等于8的自然数；
所述阻抗测量电路与所述通道切换电路连接，用于产生正弦激励电压以对待测物体进行阻抗测量。
进一步的，所述通道切换电路还包括2选1开关，所述阻抗测量电路与所述2选1开关连接，所述2选1开关的其中一个开关与所述8选1测量通道连接，所述2选1开关的另外一个开关与所述8选n校准电阻连接，所述8选1测量通道以及所述8选n校准电阻分别与所述8选n反馈电阻连接，所述8选n反馈电阻与所述阻抗测量电路连接。
进一步的，所述2选1开关中与所述8选n校准电阻连接的开关接通时，进入校准阶段，所述校准阶段包括：
根据上位机设置指令对所述8选n校准电阻进行电阻选择，并将选择的校准电阻值记为RCAL，对所述8选n反馈电阻进行电阻选择，并将选择的反馈电阻值记为RFB，其中，RCAL=RFB；
执行上位机测量指令，采集此时接入校准电阻和反馈电阻工况下，所述阻抗测量电路测量并储存在寄存器中的阻抗第一实部值R校和第一虚部值I校，根据计算得到校准电阻的模值M校，计算增益系数GF和系统相位θsystem。
进一步的，所述2选1开关中与所述8选1测量通道连接的开关接通时，进入测量阶段，所述测量阶段包括：
选择与校准阶段相同的反馈电阻通道，根据上位机测量指令选择接入待测物体的某一测量通道；
执行阻抗测量指令，采集此工况下测量到的阻抗第二实部值R测和第二虚部值I测，计算得到待测物体的阻抗模值M测，使用增益系数GF对阻抗模值M测进行修正，以及使用系统相位θsystem对待测物体的阻抗相位进行修正。
进一步的，在对待测物体的测量数据进行修正后，上位机还进行如下操作：
把所有修正后的数据按照所使用的反馈电阻值的大小进行从小到大排列；
分别计算每相邻的两组修正后的测量数据的幅值相对误差随反馈电阻值的变化率和曲线形状相对误差随反馈电阻值的变化率；
选出幅值相对误差随反馈电阻值的变化率最小的四个电阻值，构成候选电阻值区间RI1，并根据幅值相对误差随电阻值的变化率的相对大小计算每个电阻值的第一得分；选出曲线形状相对误差随电阻值的变化率最小的四个电阻值，构成候选电阻值区间RI2，并根据曲线形状相对误差随电阻值的变化率的相对大小计算每个电阻值的第二得分；
将选出的候选电阻值区间RI1和候选电阻值区间RI2取并集构成候选电阻值区间RI，把候选电阻值区间RI中的每个电阻值在幅值相对误差变化率下的第一得分和曲线形状相对误差变化率下的第二得分进行求和；
挑选求和后的得分最高的电阻值作为最佳反馈电阻值。
进一步的，判断所挑选出来的最佳反馈电阻值是否唯一，若所求和后的得分最高的电阻值个数不唯一，还包括：
挑选多个最佳反馈电阻值中，相应电阻值与候选电阻值区间RI中心位置的电阻值最接近的电阻值。
进一步的，所述8选n校准电阻中的各个校准电阻为并联状态；所述8选n反馈电阻中的各个反馈电阻为并联状态。
进一步的，对于所述8选1测量通道，微控制器通过控制8路模拟开关ADG708来对所述8选1测量通道进行通道切换，以实现8个待测阻抗测量通道的选择。
进一步的，对于所述8选n校准电阻，微控制器通过控制8路模拟开关ADG715的切换来实现对校准电阻的选择；对于所述8选n反馈电阻，微控制器通过控制8路模拟开关ADG715的切换来实现对反馈电阻的选择。
进一步的，所述阻抗测量电路包括直接数字合成器、数模转换器、模数转换器以及数字信号处理引擎；其中，所述直接数字合成器产生正弦激励电压，该正弦激励电压经过数模转换器处理后对耦合在待测物体上的压电材料进行激励并得到待测物体的响应信号，之后，该响应信号经过增益放大器、低通滤波器和模数转换器的处理操作后，输送到数字信号处理引擎进行傅里叶变换处理，得到频域阻抗信号实部和虚部。
第二方面，本发明提供了一种无线多通道微型阻抗测量方法，包括：
通过通道切换电路选择进入校准阶段或测量阶段，所述通道切换电路包括用于接入待测物体的8选1测量通道、用于校准的8选n校准电阻、用于反馈的8选n反馈电阻，其中，n为大于等于1、小于等于8的自然数；
通过阻抗测量电路在校准阶段进行阻抗测试，获取校准阶段下的测量数据；通过阻抗测量电路在测量阶段对待测物体进行阻抗测试，获取测量阶段下的测量数据，并根据校准阶段下的测量数据对测量阶段下的测量数据进行修正；
根据预设规则选出适用于待测物体的最佳反馈电阻值。
进一步的，所述通道切换电路还包括2选1开关，所述2选1开关的其中一个开关与所述8选1测量通道连接，所述2选1开关的另外一个开关与所述8选n校准电阻连接，所述通过通道切换电路选择进入校准阶段或测量阶段具体包括：
所述2选1开关中与所述8选n校准电阻连接的开关接通时，进入校准阶段；
所述2选1开关中与所述8选1测量通道连接的开关接通时，进入测量阶段。
进一步的，所述通过阻抗测量电路在校准阶段进行阻抗测试，获取校准阶段下的测量数据具体包括：
根据上位机设置指令对所述8选n校准电阻进行电阻选择，并将选择的校准电阻值记为RCAL，对所述8选n反馈电阻进行电阻选择，并将选择的反馈电阻值记为RFB，其中，RCAL=RFB；
执行上位机测量指令，采集此时接入校准电阻和反馈电阻工况下，所述阻抗测量电路测量并储存在寄存器中的阻抗第一实部值R校和第一虚部值I校，根据计算得到校准电阻的模值M校，计算增益系数GF和系统相位θsystem。
进一步的，所述通过阻抗测量电路在测量阶段对待测物体进行阻抗测试，获取测量阶段下的测量数据，并根据校准阶段下的测量数据对测量阶段下的测量数据进行修正具体包括：
选择与校准阶段相同的反馈电阻通道，根据上位机测量指令选择接入待测物体的某一测量通道；
执行阻抗测量指令，采集此工况下测量到的阻抗第二实部值R测和第二虚部值I测，计算得到待测物体的阻抗模值M测，使用增益系数GF对阻抗模值M测进行修正，以及使用系统相位θsystem对待测物体的阻抗相位进行修正。
进一步的，所述根据预设规则选出适用于待测物体的最佳反馈电阻值具体包括：
把所有修正后的数据按照所使用的反馈电阻值的大小进行从小到大排列；
分别计算每相邻的两组修正后的测量数据的幅值相对误差随反馈电阻值的变化率和曲线形状相对误差随反馈电阻值的变化率；
选出幅值相对误差随反馈电阻值的变化率最小的四个电阻值，构成候选电阻值区间RI1，并根据幅值相对误差随电阻值的变化率的相对大小计算每个电阻值的第一得分；选出曲线形状相对误差随电阻值的变化率最小的四个电阻值，构成候选电阻值区间RI2，并根据曲线形状相对误差随电阻值的变化率的相对大小计算每个电阻值的第二得分；
将选出的候选电阻值区间RI1和候选电阻值区间RI2取并集构成候选电阻值区间RI，把候选电阻值区间RI中的每个电阻值在幅值相对误差变化率下的第一得分和曲线形状相对误差变化率下的第二得分进行求和；
挑选求和后的得分最高的电阻值作为最佳反馈电阻值。
进一步的，判断所挑选出来的最佳反馈电阻值是否唯一，若所求和后的得分最高的电阻值个数不唯一，还包括：
挑选多个最佳反馈电阻值中，相应电阻值与候选电阻值区间RI中心位置的电阻值最接近的电阻值。
进一步的，对于所述8选1测量通道，通过微控制器控制8路模拟开关ADG708来对所述8选1测量通道进行通道切换，以实现8个待测阻抗测量通道的选择。
进一步的，对于所述8选n校准电阻，微控制器通过控制8路模拟开关ADG715的切换来实现对校准电阻的选择；对于所述8选n反馈电阻，微控制器通过控制8路模拟开关ADG715的切换来实现对反馈电阻的选择。
进一步的，所述8选n校准电阻中的各个校准电阻为并联状态；所述8选n反馈电阻中的各个反馈电阻为并联状态。
第三方面，本发明提供了一种无线多通道微型阻抗测量装置，用于实现第二方面所述的无线多通道微型阻抗测量方法，所述装置包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，用于执行第二方面所述的无线多通道微型阻抗测量方法。
第四方面，本发明还提供了一种非易失性计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个处理器执行，用于完成第二方面所述的无线多通道微型阻抗测量方法。
本发明在前面申请的专利的基础上，对电路结构进行改进，使校准电阻和反馈电阻从16选1的范围改进到8选n的范围，从而使测量阻抗值的范围相较以前大大增加。优选的，本发明的8选n电阻均为并联设置，这样一来，在8个电阻的基础上，可以组合出电阻值更小的电阻组合方案，从而适应更小值的阻抗测量。本发明在极大扩大电阻选择范围后，可以适应绝大部分待测物体的阻抗测量，避免多个待测物体中，有某个待测物体阻抗与预设校准电阻、反馈电阻差距过大进而影响测量效果的情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所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他的附图。
图1是现有技术中的测量电路示意图；
图2是本发明实施例1提供的一种无线多通道微型阻抗测量系统的测量电路示意图；
图3是本发明实施例1提供的前端测量单元功能模块框图；
图4是本发明实施例2提供的一种无线多通道微型阻抗测量方法的流程图；
图5是本发明实施例2提供的步骤100扩展流程图；
图6是本发明实施例2提供的步骤200扩展流程图；
图7是本发明实施例2提供的一种无线多通道微型阻抗测量方法的实例架构示意图；
图8是本发明实施例3提供的一种增益系数校准方法的增益系数表示例；
图9是本发明实施例3提供的传统的增益系数校准方法的计算流程图；
图10是本发明实施例3提供的一种增益系数校准方法的阻抗幅值测量结果；
图11是本发明实施例3提供的一种无线多通道微型阻抗测量方法的流程示意图；
图12是本发明实施例3提供的一种阻抗相位象限修正关系表；
图13是本发明实施例3提供的一种本发明实施例的测量方法的计算指标排名得分表；
图14是本发明实施例3提供的一种测量方法的阻抗幅值测量结果；
图15是本发明实施例3提供的一种测量方法的阻抗相位测量结果；
图16是本发明实施例3提供的一种测量方法与传统的增益系数校准方法的阻抗幅值测量对比图；
图17是本发明实施例3提供的一种对比两种方法所测量得到的阻抗幅值数据与精确数据之间的相对误差结果图；
图18是本发明实施例4提供的一种无线多通道微型阻抗测量装置结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在描述本发明实施例之前，还需先说明，本发明的发明人事先已申请过专利号为CN114487971A，专利名称为一种改进的微型阻抗测量自校准算法和装置的相关专利，在前面申请的这篇专利中，方案落脚点主要是在如何挑选出最佳反馈电阻上，挑选的最佳反馈电阻即为最适合用于该测量对象的微型阻抗测量装置的校准电阻，该校准电阻可以用于帮助微型阻抗测量装置进行校准及测量。前述这篇专利已经对最佳反馈电阻的挑选做了较为详细的描述，而其在实际使用过程中配套使用的电路如图1所示。图1左部分为阻抗测量电路的功能结构框图。图1右部分为通道切换电路，在Z1~Z8端（对应8个测量通道）接入待测阻抗，微控制器控制8路模拟开关ADG708（U4）（低压多路复用器）实现S1~S8开关切换控制，进而对Z1~Z8进行通道切换，最终实现8个阻抗待测通道的选择。R1~R16为内嵌的16个校准电阻，微控制器通过控制16路模拟开关ADG706（U3）S1~S16开关的切换实现对校准电阻的选择。F1~F16为内嵌的16个反馈电阻，微控制器通过控制16路模拟开关ADG706（U5）S1~S16开关的切换实现对反馈电阻的选择。另外，图中Cx、Mx、Fx是寄存器，16个电阻用四位寄存器进行控制。在校准阶段，微控制器控制U2开关切换至S1，在测量阶段，微控制器控制U2开关切换至S2，具体的测量方案在下面实施例中会详细描述，在这里就不赘述了。这里需要说的是，之前配套的这个电路中，通道切换电路的使用是16选1校准电阻、16选1反馈电阻，所以适合测量的待测物体的阻抗也在这16个校准电阻（或反馈电阻）的范围内。所以当待测物体阻抗超出这个范围后，测量效果便不准确，例如，原本有一批待测物体需要进行阻抗测量，也大致知道其阻抗范围是多少，于是就设置了16个按一定梯度递增的电阻值，使其范围与大致知道的阻抗范围一致或略超出一定范围，通过这16个阻抗值设置一套校准电阻、一套反馈电阻，来对这一批待测物体进行阻抗测量，那么就单这一批待测物体而言，设计的这套校准电阻、反馈电阻是有用且精确的，但是当出现新的待测物体，例如又一批物体中，有阻抗值较小、超出之前设定的阻抗范围最小值时，那么再采用之前这套校准电阻、反馈电阻就不能对其进行准确的测量了。基于这种实际应用场景，发明人经过考虑后，对图1中的通道切换电路进行了改动，将其16选1的校准电阻、反馈电阻改成了8选n的模式，并且该8选n的电阻均为并联状态，如此一来，只需8个按一定梯度递增的电阻值，就能组合出28-1=255种电阻值来，极大的增加了测量范围，且因为电阻并联后电阻值减小的原理，特别是对阻抗小于原定范围的新待测物体极为适用，且在255种多样化组合下，阻抗的测量梯度也会减小，能使最后的测量效果更加精确。
实施例1:
本发明实施例1提供了一种无线多通道微型阻抗测量系统，如图2所示，为该系统的测量电路示意图。其测量电路包括：阻抗测量电路以及通道切换电路，图2左侧为阻抗测量电路，右侧为通道切换电路，其中：所述通道切换电路包括用于接入待测物体的8选1测量通道、用于校准的8选n校准电阻、用于反馈的8选n反馈电阻，其中，n为大于等于1、小于等于8的自然数；所述阻抗测量电路与所述通道切换电路连接，用于产生正弦激励电压以对待测物体进行阻抗测量。
需要说明的是，本实施例的无线多通道微型阻抗测量系统采用上下位机的设计方法，主要包括下位机前端测量单元和上位机远程服务器测控分析平台。其中，如图3所示为前端测量单元功能模块框图，前端测量单元主要由四个功能模块组成：（1）微控制器模块；（2）阻抗测量模块；（3）通信模块；（4）电源模块。各功能模块之间的连接框图如图3所示，其中，微控制器模块主要通过对阻抗测量模块的激励指令下发和数据反馈回收，实现被测结构/被测物体阻抗信号的测量和采集；通信模块优选无线通信模块，用于整个前端测量单元与远程服务器测控分析平台之间建立4G数据通信，实现远程平台对前端测量单元的控制，以及阻抗测量信号的数据回传；电源模块主要用于给前端测量单元各功能模块提供稳定的直流电压输入，保障其正常工作。经过反复调试设计，该前端测量单元的阻抗测量模块选用AD5933阻抗测量芯片，微控制器模块采用STM32芯片，无线通信模块使用WH-LTE-7S4模块，电源模块将12V直流电压分别转换成7V和3.3V，分别用于无线通讯模块供电，以及微处理器STM32和阻抗测量AD5933芯片供电。
图2所示的测量电路也即本实施例的阻抗测量模块所使用的测量电路，其右侧的通道切换电路还包括2选1开关（U2），所述阻抗测量电路与所述2选1开关连接，所述2选1开关的其中一个开关与所述8选1测量通道（U4）连接，所述2选1开关的另外一个开关与所述8选n校准电阻（U3）连接，所述8选1测量通道以及所述8选n校准电阻分别与所述8选n反馈电阻（U5）连接，所述8选n反馈电阻与所述阻抗测量电路连接。另外，U1和U6均是一端连接偏置电阻，用于保证信号达到峰值时不失真。50kΩ、47nF、20kΩ等的设置是用于调整信号的幅值范围，使得最终的输出信号更容易落入ADC（模数转换器）的采集范围。
在本实施例中，图2左侧的阻抗测量电路包括（也即AD5933芯片内部集成了）直接数字合成器、数模转换器（DAC）、模数转换器（ADC）以及数字信号处理引擎；其中，所述直接数字合成器产生高达100kHz的正弦激励电压，该正弦激励电压经过数模转换器处理后对耦合在待测物体上的压电材料进行激励并得到待测物体的响应信号，之后，该响应信号被增益放大器（PGA）、低通滤波器（LPF）和模数转换器（ADC）一系列处理操作后，输送到数字信号处理引擎（DSP）进行傅里叶变换（DFT）处理，得到频域阻抗信号实部和虚部。需说明的是，图中：内部振荡器用于给直接数字合成器提供时钟频率，保证傅里叶变换结果的精确性，减少频移误差。温度传感器用于测芯片温度的，提供一个参考的温度。低通滤波器LPF用于对信号进行滤波；增益放大器PGA用于对信号进行放大。
在本优选实施例中，所述8选n校准电阻中的各个校准电阻为并联状态；所述8选n反馈电阻中的各个反馈电阻为并联状态。并联状态下，因为电阻并联后电阻值减小的原理，在对阻抗值小于原定范围的新待测物体进行检测时极为适用，例如原本预估的一批待测物体的阻抗范围在1kΩ~8kΩ，那么就按1kΩ、2kΩ……8kΩ的梯度设置8个校准电阻并联、8个反馈电阻并联，并按图2所示电路布置8选n开关，以实现8选n校准电阻、8选n反馈电阻的并联状态，那么在测量时，既可以精确测量原本预测的1kΩ~8kΩ的待测物体的阻抗，且还能在并联后测量更小值的阻抗，以扩大精确测量范围，在更换下一批待测物体时，即使其阻抗小于原本预测的最小值1kΩ，也不影响测量，也不需麻烦的更换适应测量的校准电阻、反馈电阻。另外，在并联组合之下，原本相隔1kΩ的梯度也会减小，能在总测量范围增大的同时，使最后的测量效果更加精确。需要说明的是，上述数值仅为举例，而非限定，具体的校准电阻、
在本优选实施例中，对于所述8选1测量通道，微控制器通过控制8路模拟开关ADG708来对所述8选1测量通道进行通道切换，以实现8个待测阻抗测量通道的选择。对于所述8选n校准电阻，微控制器通过控制8路模拟开关ADG715（低压串行八位开关）的切换来实现对校准电阻的选择；对于所述8选n反馈电阻，微控制器通过控制8路模拟开关ADG715的切换来实现对反馈电阻的选择。需要说明的是，对于纯电阻而言，因其阻抗相位角为0°，因此其阻抗值即为电阻值。
参考图2，本实施例的2选1开关中与所述8选n校准电阻连接的开关接通时，也即U2中开关接通左侧S1开关时，进入校准阶段，所述校准阶段包括：根据上位机设置指令对所述8选n校准电阻进行电阻选择，并将选择的校准电阻值记为RCAL，对所述8选n反馈电阻进行电阻选择，并将选择的反馈电阻值记为RFB，其中，RCAL=RFB；执行上位机测量指令，采集此时接入校准电阻和反馈电阻工况下，所述阻抗测量电路测量并储存在寄存器中的阻抗第一实部值R校和第一虚部值I校，根据计算得到校准电阻的模值M校，计算增益系数GF和系统相位θsystem。当2选1开关中与所述8选1测量通道连接的开关接通时，也即U2中开关接通右侧S2开关时，进入测量阶段，所述测量阶段包括：选择与校准阶段相同的反馈电阻通道，根据上位机测量指令选择接入待测物体的某一测量通道；执行阻抗测量指令，采集此工况下测量到的阻抗第二实部值R测和第二虚部值I测，计算得到待测物体的阻抗模值M测，使用增益系数GF对阻抗模值M测进行修正，以及使用系统相位θsystem对待测物体的阻抗相位进行修正。
以上为一次测量过程，在具体进行测量时，需要选择多个（或所有，根据需求选择）档次的校准电阻值、反馈电阻值进行测量并对测得数据进行修正。在对待测物体的测量数据进行修正后，上位机还进行如下操作：把所有修正后的数据按照所使用的反馈电阻值的大小进行从小到大排列；分别计算每相邻的两组修正后的测量数据的幅值相对误差随反馈电阻值的变化率和曲线形状相对误差随反馈电阻值的变化率；选出幅值相对误差随反馈电阻值的变化率最小的四个电阻值，构成候选电阻值区间RI1，并根据幅值相对误差随电阻值的变化率的相对大小计算每个电阻值的第一得分；选出曲线形状相对误差随电阻值的变化率最小的四个电阻值，构成候选电阻值区间RI2，并根据曲线形状相对误差随电阻值的变化率的相对大小计算每个电阻值的第二得分；将选出的候选电阻值区间RI1和候选电阻值区间RI2取并集构成候选电阻值区间RI，把候选电阻值区间RI中的每个电阻值在幅值相对误差变化率下的第一得分和曲线形状相对误差变化率下的第二得分进行求和；挑选求和后的得分最高的电阻值作为最佳反馈电阻值。
在本优选实施例中，判断所挑选出来的最佳反馈电阻值是否唯一，若所求和后的得分最高的电阻值个数不唯一，还包括：挑选多个最佳反馈电阻值中，相应电阻值与候选电阻值区间RI中心位置的电阻值最接近的电阻值。该电阻值即为最适合用于该测量对象的校准电阻。该校准电阻可以用于帮助进行校准及测量。本实施例在挑选测量数据的时候综合考虑了阻抗幅值和阻抗相位的相对变化，所挑选出来的数据是在综合考虑阻抗幅值的精度和阻抗相位的精度的情况下校准效果最好的测量数据。进一步，本实施例所挑选的校准效果最好的测量数据是一组完整的测量数据，不会在个别频率点上出现记录溢出的现象，可以保证所得到的测量数据为连续的数据。
综上所述，本发明在前面申请的专利的基础上，对电路结构进行改进，使校准电阻和反馈电阻从16选1的范围改进到8选n的范围，从而使测量阻抗值的范围相较以前大大增加。优选的，本发明的8选n电阻均为并联设置，这样一来，在8个电阻的基础上，可以组合出电阻值更小的电阻组合方案，从而适应更小值的阻抗测量。本发明在极大扩大电阻选择范围后，可以适应绝大部分待测物体的阻抗测量，避免多个待测物体中，有某个待测物体阻抗与预设校准电阻、反馈电阻差距过大进而影响测量效果的情况。
实施例2:
与实施例1中无线多通道微型阻抗测量系统相对应的，本发明实施例2提供一种无线多通道微型阻抗测量方法。如图4所示，该方法包括如下步骤：
步骤100（修正数据收集阶段）：通过通道切换电路选择进入校准阶段或测量阶段，通过阻抗测量电路在校准阶段进行阻抗测试，获取校准阶段下的测量数据；通过阻抗测量电路在测量阶段对待测物体进行阻抗测试，获取测量阶段下的测量数据，并根据校准阶段下的测量数据对测量阶段下的测量数据进行修正。该步骤中，所述通道切换电路包括用于接入待测物体的8选1测量通道、用于校准的8选n校准电阻、用于反馈的8选n反馈电阻，其中，n为大于等于1、小于等于8的自然数；另外，通道切换电路还包括2选1开关，所述2选1开关的其中一个开关与所述8选1测量通道连接，所述2选1开关的另外一个开关与所述8选n校准电阻连接；所述2选1开关中与所述8选n校准电阻连接的开关接通时，进入校准阶段；所述2选1开关中与所述8选1测量通道连接的开关接通时，进入测量阶段。
步骤200（最佳反馈电阻值挑选阶段）：根据预设规则选出适用于待测物体的最佳反馈电阻值。
具体的，参考图5，本实施例步骤100中，通过阻抗测量电路在校准阶段进行阻抗测试，获取校准阶段下的测量数据具体包括：
步骤101：根据上位机设置指令对所述8选n校准电阻进行电阻选择，并将选择的校准电阻值记为RCAL，对所述8选n反馈电阻进行电阻选择，并将选择的反馈电阻值记为RFB，其中，RCAL=RFB。
步骤102：执行上位机测量指令，采集此时接入校准电阻和反馈电阻工况下，所述阻抗测量电路测量并储存在寄存器中的阻抗第一实部值R校和第一虚部值I校，根据计算得到校准电阻的模值M校，计算增益系数GF和系统相位θsystem。
本实施例步骤100中，通过阻抗测量电路在测量阶段对待测物体进行阻抗测试，获取测量阶段下的测量数据，并根据校准阶段下的测量数据对测量阶段下的测量数据进行修正具体包括：
步骤103：选择与校准阶段相同的反馈电阻通道，根据上位机测量指令选择接入待测物体的某一测量通道。
步骤104：执行阻抗测量指令，采集此工况下测量到的阻抗第二实部值R测和第二虚部值I测，计算得到待测物体的阻抗模值M测，使用增益系数GF对阻抗模值M测进行修正，以及使用系统相位θsystem对待测物体的阻抗相位进行修正。
对于一个待测物体，选取多个不同的校准电阻值/反馈电阻值，重复进行步骤100的操作，以得到多组测量数据，以及修正后的数据，之后便可以加入步骤200的阶段。
参考图6，在本实施例中，步骤200可细分为如下步骤（下方各步骤也即步骤200所述的预设规则）。
步骤201：把所有修正后的数据按照所使用的反馈电阻值的大小进行从小到大排列。在某一实现过程中，可以基于AD5933使用不同的反馈电阻值对待测对象进行校准以及测量，得到多组反馈电阻下的校准阶段的校准数据以及测量阶段的测量数据。
步骤202：分别计算每两组修正后的相邻测量数据的幅值相对误差随电阻值的变 化率REA_S和曲线形状相对误差随电阻值的变化率RES_S。例如图7所示，所示修正后的相邻 测量数据，在图7中，一个电阻下会有四组数据，其中，字符S的取值包括Z、θ、G和X四种情况， Z为使用增益系数GF对阻抗模值M测进行修正后的待测物体的阻抗幅值，θ为使用系统相位 θsystem对待测物体的阻抗相位θ测进行修正后的精确阻抗相位，G是最终修正后的测量数据的 阻抗实部，X是最终修正后的测量数据的阻抗虚部，其中，阻抗实部和虚部是由Z和
Figure 127163DEST_PATH_IMAGE001
按照公 式换算得到的：G=Z×cosθ，X=Z×sinθ。这里的RES_S和REA_S代表是一整组数据和另一整组 数据的相对偏差，在图7中RES_S表现为RES_Z、RES_
Figure 201561DEST_PATH_IMAGE001
、RES_G和RES_X，即图7中RES_Xi-1代表 的是电阻Ri-1下的
Figure 653402DEST_PATH_IMAGE002
，与Ri下的
Figure 235562DEST_PATH_IMAGE003
相对偏差，其他的参数表达式依次类推。
在步骤203中，选出幅值相对误差随电阻值的变化率REA_S最小的四个电阻，构成候选电阻区间RI1，并根据幅值相对误差随电阻值的变化率的相对大小计算每个电阻的第一得分；选出曲线形状相对误差随电阻值的变化率RES_S最小的四个电阻，构成候选电阻区间RI2，并根据曲线形状相对误差随电阻值的变化率的相对大小计算每个电阻的第二得分。
如图7所示的实例中，在进行选择的过程中，会围绕Z、θ、G和X四个维度进行各自幅值相对误差随电阻值的变化率的排序以及曲线形状相对误差随电阻值的变化率的排序；在可选的实现方式中，可以选择其中的一项或者多项的排序做加权计算后得到最终的排序结果。在本发明实施例3中也将呈现直接采用其中Z单一维度作为计算幅值相对误差随电阻值的变化率的排序的解决方案实例，在此不过多赘述。
在步骤204中，将选出的候选电阻区间RI1和候选电阻区间RI2取并集构成候选电阻区间RI，把候选电阻区间RI中的每个电阻在幅值变化率下的第一得分和曲线形状变化率下的第二得分进行求和。
相应的计算方式的某一具体实例可以参考图7所呈现的架构示意图；而相应的实现细节也将在本发明后续扩展实施例中具体展开阐述。
在步骤205中，挑选求和后的得分最高的电阻作为最佳反馈电阻。
该电阻即为最适合用于该测量对象的微型阻抗测量装置的校准电阻。该校准电阻可以用于帮助微型阻抗测量装置进行校准及测量。
本发明实施例在挑选测量数据的时候综合考虑了阻抗幅值和阻抗相位的相对变化，所挑选出来的数据是在综合考虑阻抗幅值的精度和阻抗相位的精度的情况下校准效果最好的测量数据。
进一步，本发明所挑选的校准效果最好的测量数据是一组完整的测量数据，不会在个别频率点上出现记录溢出的现象，可以保证所得到的测量数据为连续的数据。
在本发明实施例中，在步骤205中还可能出现复杂情况，即判断所挑选出来的最佳反馈电阻是否唯一，若所求和后的得分最高的电阻个数不唯一，方法还包括：
挑选多个最佳反馈电阻中，相应电阻值与候选电阻区间RI中心位置的电阻值最接近的电阻。
对于步骤100中的各项系数，其中，计算增益系数GF和系统相位
Figure 987617DEST_PATH_IMAGE004
，计算公式 如下：
GF=(1/Rcal)/M校；（1）
θsystem=arctan(I校/R校)×180°/π；（2）
Rcal为校准电阻的电阻值，为已知值；
Figure 341238DEST_PATH_IMAGE005
，为校准阶段测得的校准 电阻的阻抗模值；I校为校准阶段测得的校准电阻的阻抗虚部，R校为校准阶段测得的校准电 阻的阻抗实部。
相应的，使用增益系数GF对阻抗模值M测进行修正，以及使用系统相位θsystem对待测物体的阻抗相位进行修正，具体修正公式为：
Z=(1/GF)/M测=(M校×Rcal) /M测；（3）
θ测=arctan(I测/R测)×(180°/π)；（4）
其中，
Figure 293757DEST_PATH_IMAGE006
，为测量阶段测得的待测物体的阻抗模值；Z为使用增益 系数GF对阻抗模值M测进行修正后的待测物体的阻抗幅值；I测为测量阶段测得的待测物体的 阻抗虚部；R测为测量阶段测得的待测物体的阻抗实部；θ测为根据测量阶段测得的待测物体 的阻抗实部和待测物体的阻抗虚部计算得到的阻抗相位。
其中，由于arctan函数的值域为[-π/2,π/2]，而实际相位的范围为[-π,π]，因此所述测得的系统相位θsystem和θ测均需要进行相位的象限修正；
最终使用的相位数据还需要进行系统相位修正，系统相位修正公式为：θ=θ测-θsystem；（5）其中，θ为精确的阻抗相位。根据上述公式可以实现对微型阻抗测量设备进行校准以及测量使用，并将微型阻抗测量设备的测量数据修正成准确数据，由此可以实现使用微型阻抗测量设备进行高精度测量。
所述象限修正包括：
第一象限时，θx=arctan(Ii/Ri)×(180°/π)；
第二象限时，θx=arctan(Ii/Ri)×(180°/π)+180°；
第三象限时，θx=arctan(Ii/Ri)×(180°/π)+180°；
第四象限时，θx=arctan(Ii/Ri)×(180°/π)+360°；
其中，x为“测”或者system，相应的i为“校”或“测”。
结合发明实施例，在步骤202中所涉及的，分别计算每两组相邻测量数据的幅值相对误差随电阻值的变化率REA_S和曲线形状相对误差随电阻值的变化率RES_S，在本发明实施例中同样提供了一种具体实现方式，包括：
Figure 899182DEST_PATH_IMAGE007
（6）
Figure 99219DEST_PATH_IMAGE008
（7）
其中，
Figure 748375DEST_PATH_IMAGE009
；m为测量频率点数量；
Figure 33863DEST_PATH_IMAGE010
为第j个位 置的反馈电阻RFB下所测得的校准数据中的第i个频率点数据，可以分别使用阻抗幅值、阻抗 相位、阻抗实部和阻抗虚部数据替代表达式S，即S=Z、
Figure 177399DEST_PATH_IMAGE001
、G或X。
其中，
Figure 231943DEST_PATH_IMAGE011
为第j个位置的反馈电阻RFB下所测得的修正后的测量数据的平均值；△R 为第j+1个位置的反馈电阻与第j个位置的反馈电阻的电阻值之差；
Figure 819044DEST_PATH_IMAGE012
为第j个位置的反馈 电阻下所测得的经过修正的测量数据的标准差；REA_Sj为第j个位置的反馈电阻的经过修 正后的测量数据幅值相对误差变化率值；CCD_Sj为第j个位置的反馈电阻的测量数据与第j +1个位置的反馈电阻的测量数据的互相关距离；RES_Sj为第j个位置的反馈电阻的经过修 正后的测量数据曲线形状相对误差变化率值，S=Z、
Figure 591828DEST_PATH_IMAGE001
、G或X。其中，上面的I是测量返回的阻 抗虚部，I并不是最终正确的阻抗虚部；这里的X是最终修正后的正确的阻抗虚部；M是阻抗 模值，Z是最终修正后得到的阻抗幅值，M和Z可以通过GF换算得到。
结合本发明实施例，还提供了一种反馈电阻的得分计算方法，相应计算公式如下：
Figure 132531DEST_PATH_IMAGE013
（8）
Pj为第j个位置的反馈电阻的得分；
Figure 448106DEST_PATH_IMAGE014
为第j个位置的反馈电阻在REA_S指标下 的第一得分；
Figure 704644DEST_PATH_IMAGE015
为第j个位置的反馈电阻在RES_S指标下的第二得分；α1为测量数据幅值 相对误差变化率的得分权重；α2为测量数据曲线形状相对误差变化率的得分权重；α1和α2根 据对测量数据幅值和曲线形状的挑选要求偏重进行设置；S=Z、
Figure 105669DEST_PATH_IMAGE001
、G或X，在本发明实施例 中，可选的α1=α2=0.5。
对于上述得分计算，需要说明的是，在本发明中，所计算出来的幅值相对误差变化率最小的电阻就是具有最高幅值精度的电阻；而所计算出来的曲线形状相对误差变化率最小的电阻就是具有最高曲线形状精度的电阻。因此，我们需要挑选出将幅值相对误差变化率最小和曲线形状相对误差变化率最小综合考虑后的电阻，其中，幅值相对误差变化率指标和曲线形状相对误差变化率指标排名越靠前的电阻的得分越高，我们挑选得分最高的电阻即能选出综合考虑幅值相对误差变化率和曲线形状误差变化率最小的电阻，也就是能挑选出综合考虑幅值精度和曲线形状精度，综合精度最高的电阻。在实际情况中，可能会出现个别电阻只有第一得分或者只有第二得分的情况，其中，若只有第一得分的，相对第二得分就按照得分为零处理，同样，若只有第二得分的，相对第一得分就按照得分为零处理，从而同样的完成求和过程；此时，相较而言，同时拥有第一得分和第二得分的电阻被挑选出来的可能性更大，并且，求和结果最高的电阻才会成为最终挑选出的电阻。另外，因为幅值误差变化率和曲线形状误差变化率可能不是同时最小。例如，具有最小幅值误差变化率的反馈电阻（第一得分比较高），但是可能曲线形状误差变化率相对比较大（第二得分比较低，甚至为0------即没有进本实施例拟定的排名之列）。幅值误差变化率和曲线形状误差变化率两个指标都是我们挑选的指标，并且根据权重系数α1和α2进行侧重挑选。挑选得分最高的电阻是为了挑选出综合两个指标的衡量的最优电阻。实际中，具有很高的数据幅值精度但是曲线形状精度不高的电阻也是我们想要挑选的电阻，这样的电阻也能满足实际使用要求。所以只有第一得分的电阻也能按照本实施例的逻辑进行比较，因为这样的电阻也是我们所需要的。所计算出来的幅值相对误差变化率最小的电阻就是具有最高幅值精度的电阻；所计算出来的曲线形状相对误差变化率最小的电阻就是具有最高曲线形状精度的电阻。
对于第一得分和第二得分可以采用常规的线性插值公式完成，由于其本身可根据实际需求进行灵活调整，作为最简化的一种实现，上述的线性插值公式举例如下：
Figure 981221DEST_PATH_IMAGE016
其中，x1=1,2,3,4，所代表的就是幅值相对误差随反馈电阻值的变化率最小的四个电阻的排名；x2=1,2,3,4，所代表的就是曲线形状相对误差随电阻值的变化率最小的四个电阻排名。要知道该公式仅仅是诸多可实现方式中的一种，不应该将其直接作为限定计算上述第一得分和第二得分的唯一解释。
实施例3:
在结构健康监测领域中，当使用微型阻抗测量设备基于阻抗法进行损伤监测的时候，一般先在微型阻抗测量设备上连接压电陶瓷换能器（Piezoelectric Transducer，简写为：PZT），然后将压电陶瓷换能器PZT粘贴到待监测物体上，然后，基于特定的算法，微型阻抗测量设备可以自动对待监测物体进行阻抗测量。传统的帮助微型阻抗测量设备进行自动测量的算法有增益系数校准方法，下面分别详细对比增益系数校准方法和本发明的测量方法的差异。
首先使用25个反馈电阻值（通过8选n的方式，也可以采用更多个反馈电阻值，这里以25个为例），采用增益系数校准方法对一个铁条进行[50kHz，60kHz]频率范围内的阻抗进行测量，增益系数法是适合嵌入单片机里面使用的算法，然后因为单片机的存储量和计算能力有限，它只能存储某个特定频率点下的增益系数，不可能实现增益系数的频率点全覆盖，所以在实际阻抗测量中，无可避免会存在所使用的增益系数的频率值不在所测量的频率区间范围内的问题，因此，为了与实际应用情况相符，本发明实施例中选择使用10kHz频率点下的增益系数，所使用的反馈电阻、阻抗测量范围以及增益系数如图8所示，可以依据阻抗的范围和增益系数计算出该反馈电阻下的测量模值范围，模值范围计算如下（为了便于实施例2和实施例3中公式编号自成一体系，便于浏览，在实施例2中公式编号从1开始，实施例3中公式编号从21开始）：
Mx=(1/GF)/Zx=1/(GF×Zx)；（21）其中，GF是增益系数，Zx是待测物体的阻抗幅值，Mx是待测物体的阻抗模值；
其中，Zx与测量设备的参数设置有关，以图2提供的测量系统为例，输出信号为：
Figure 904965DEST_PATH_IMAGE017
（22）
因此，Zx与测量设备的参数设置的关系如下：
Figure 348716DEST_PATH_IMAGE018
（23）
把公式（23）代入公式（21）和公式（22）中，可得如下关系：
Figure 830513DEST_PATH_IMAGE019
（24）
测量设备的输出电压需要满足一定的范围，由公式（24）可得，当测量参数设置固 定（如：可编程增益放大器，Programmable Gain Amplifier，简写为：PGA；以及输入电压
Figure 40914DEST_PATH_IMAGE020
固定），可以根据增益系数GF，反馈电阻值RFB，计算得到不同反馈电阻所对应的模值测量范 围，及Mmax和Mmin。
增益系数校准方法的测量流程如图9所示。
首先切换至最小档位的反馈电阻（例如此处使用的是470Ω反馈电阻）对待测物体进行第一个频率点（例如50kHz）下的阻抗测量，返回测量得到的模值，然后判断该测量得到的模值是否处于470Ω反馈电阻的模值范围内，如果不是，则切换至下一档位的反馈电阻重新测量并判断，直至所测量得到的模值处于所使用的反馈电阻的模值范围内，然后根据该档位反馈电阻下的增益系数计算阻抗值：
Z=(1/GF)/Mx=1/(GF×Mx)；其中，M是测量得到的模值；
如果该频率点在所有档位的反馈电阻下所测量得到模值均不在相应的模值范围内，则标记该频率点记录溢出。最后记录以及输出计算得到的阻抗值，并重复以上流程测量下一个频率点下的阻抗。
上述现有技术的增益系数校准方法的测量结果如图10所示，可以看到测量数据与精确数据存在一定误差，而且可以看到在图10中标注的，1、2点之间（在图中表现为测量数据线上的两个相邻的点，并且在他们之间发生了测量数据的中断），3、4点之间，5、6点之间以及7、8点之间均出现了记录溢出，导致所测量得到的阻抗幅值曲线不连续。而且该算法只返回阻抗幅值数据，并没有考虑以及返回阻抗相位数据。因此，需要一种测量数据连续，能够同时返回阻抗幅值和阻抗相位数据的高精度测量方法。
本发明实施例3基于实施例2所提出的一种无线多通道微型阻抗测量方法基础上，进一步结合上述介绍的已有增益系数校准算法场景，阐述本发明技术方案对应场景下的创新性实现过程，从而通过对比的方式呈现本发明的改进效果。本发明采用该算法使用25个反馈电阻值对上述铁条进行[50kHz，60kHz]频率范围内的阻抗进行测量。首先选择其中一个反馈电阻值对微型阻抗测量系统进行校准，采集校准阶段反馈电阻的阻抗实部R校和阻抗虚部I校数据，然后切换开关连接待测物体进行测量，采集测量阶段待测物体的阻抗实部R测和阻抗虚部I测数据。依次切换不同的校准电阻进行校准以及测量，重复以上的流程。在把所有校准阶段下的反馈电阻的阻抗实部R校和阻抗虚部I校数据以及相应的待测物体的阻抗实部R测和阻抗虚部I测数据采集回来之后，使用本发明的测量方法对所有测量数据进行处理和分析，算法的计算流程图如图11所示，包括如下步骤：
步骤301中，采集测量数据，并对测量数据按照阻抗修正公式进行修正。
修正过程中的校准阶段：Zx位置连接电阻值与反馈电阻相等的校准电阻，然后采集得到的校准电阻的阻抗实部值R校和阻抗虚部值I校，然后根据计算得到的校准电阻的阻抗模值M校，计算增益系数GF和系统相位θsystem，计算公式如实施例2中的公式（1）~公式（2）。
修正过程中的测量阶段：Zx位置连接待测物体，然后采集返回的待测物体的阻抗实部值R测和阻抗虚部值I测，然后计算得到待测物体的阻抗模值M测，最后，使用校准阶段得到的增益系数对待测物体的阻抗模值进行修正，修正公式如实施例1中的公式（3）；使用R测和I测计算测量阶段测得的待测物体的阻抗相位，并实用系统相位θsystem对阻抗相位θ测进行修正，修正公式如实施例2中的公式（4）~公式（5）。
由于arctan函数的值域为[-π/2,π/2]，而实际相位的范围为[-π,π]，因此上面测得的相位θsystem和θ测均需要进行象限修正，相位的象限修正关系如图12所示，详见实施例2中关联描述。
根据上述公式可以实现对微型阻抗测量设备进行校准以及测量使用，并将微型阻抗测量设备的测量数据修正成准确数据，由此可以实现使用微型阻抗测量设备进行高精度测量。
在步骤302中，把所有修正后的数据按照所使用的反馈电阻值的大小进行从小到大排列。
在步骤303中，分别计算每两组相邻数据的幅值相对误差随电阻值的变化率REA_S和曲线形状相对误差随电阻值的变化率RES_S。
计算相邻数据的幅值相对误差随电阻值的变化率和曲线形状相对误差随电阻值的变化率的公式，计算公式如公式（6）~（7）。
在步骤304中，选出幅值相对误差随电阻值的变化率最小的四个电阻，构成候选区间RI1，并根据变化率的相对大小计算每个电阻的得分；选出曲线形状相对误差随电阻值的变化率最小的四个电阻，构成候选区间RI2，并根据变化率的相对大小计算每个电阻的得分，对于每个电阻下的得分如图13所示。
在步骤305中，把上述选出的候选电阻区间RI1和RI2取并集构成候选电阻区间RI，并且把候选电阻区间RI中的每个电阻在幅值变化率下的得分和曲线形状变化率下的得分进行求和。
在步骤306中，挑选求和后的得分最高的电阻作为最佳反馈电阻。
在步骤307中，判断所挑选出来的最佳反馈电阻是否唯一，如果所挑选出来的电阻个数不唯一，则继续挑选最佳反馈电阻中电阻值与候选电阻区间中心位置的电阻值最接近的电阻。
在本次实验中，使用本发明的测量方法的阻抗幅值测量结果如图14所示，阻抗相位的测量结果如图15所示。增益系数校准方法和本发明的测量方法的阻抗幅值测量结果对比图如图16所示，可以看出在增益系数校准方法在测量过程中出现了记录溢出现象导致测量回来的曲线不连续，如图上的曲线在1、2点之间，3、4点之间，5、6点之间以及7、8点之间不连续，相比之下，本发明的测量方法测量回来的数据的连续性比较好，不会出现记录溢出的现象。此外，对比两种方法所测量得到的阻抗幅值数据与精确数据之间的相对误差，对比结果如图17所示，可见本发明的测量方法在阻抗幅值的精度上进一步得到提高，并且本发明的方法可以返回阻抗相位数据，有利于后续在结构健康监测领域中基于阻抗幅值和阻抗相位进行损伤监测。
本发明实施例在挑选测量数据的时候综合考虑了阻抗幅值和阻抗相位的相对变化，所挑选出来的数据是在综合考虑阻抗幅值的精度和阻抗相位的精度的情况下校准效果最好的测量数据。相比增益系数校准方法所测量得到的数据，本发明基于对所有测量得到的数据进行遍历计算与分析所挑选出来的测量数据在阻抗幅值和阻抗相位的精度上均有所提高。进一步，本发明所挑选的校准效果最好的测量数据是一组完整的测量数据，不会在个别频率点上出现记录溢出的现象，可以保证所得到的测量数据为连续的数据。
另外，本发明使校准电阻和反馈电阻从16选1的范围改进到8选n的范围，从而使测量阻抗值的范围相较以前大大增加。优选的，本发明的8选n电阻均为并联设置，这样一来，在8个电阻的基础上，可以组合出电阻值更小的电阻组合方案，从而适应更小值的阻抗测量。本发明在极大扩大电阻选择范围后，可以适应绝大部分待测物体的阻抗测量，避免多个待测物体中，有某个待测物体阻抗与预设校准电阻、反馈电阻差距过大进而影响测量效果的情况。
实施例4:
如图18所示，是本发明实施例的无线多通道微型阻抗测量装置的架构示意图。本实施例的无线多通道微型阻抗测量装置包括一个或多个处理器21以及存储器22。其中，图18中以一个处理器21为例。
处理器21和存储器22可以通过总线或者其他方式连接，图18中以通过总线连接为例。
存储器22作为一种非易失性计算机可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序和非易失性计算机可执行程序，如实施例2中的无线多通道微型阻抗测量方法。处理器21通过运行存储在存储器22中的非易失性软件程序和指令，从而执行无线多通道微型阻抗测量方法。
存储器22可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中，存储器22可选包括相对于处理器21远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器21。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
所述程序指令/模块存储在所述存储器22中，当被所述一个或者多个处理器21执行时，执行上述实施例1中的无线多通道微型阻抗测量方法，例如，执行以上描述的图4-图5所示的各个步骤。
值得说明的是，上述装置和系统内的模块、单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明的处理方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器（ROM，Read Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random AccessMemory）、磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无线多通道微型阻抗测量系统，其特征在于，包括阻抗测量电路以及通道切换电路，其中：
所述通道切换电路包括用于接入待测物体的8选1测量通道、用于校准的8选n校准电阻、用于反馈的8选n反馈电阻，其中，n为大于等于1、小于等于8的自然数；
所述阻抗测量电路与所述通道切换电路连接，用于产生正弦激励电压以对待测物体进行阻抗测量。
2.根据权利要求1所述的无线多通道微型阻抗测量系统，其特征在于，所述通道切换电路还包括2选1开关，所述阻抗测量电路与所述2选1开关连接，所述2选1开关的其中一个开关与所述8选1测量通道连接，所述2选1开关的另外一个开关与所述8选n校准电阻连接，所述8选1测量通道以及所述8选n校准电阻分别与所述8选n反馈电阻连接，所述8选n反馈电阻与所述阻抗测量电路连接。
3.根据权利要求2所述的无线多通道微型阻抗测量系统，其特征在于，所述2选1开关中与所述8选n校准电阻连接的开关接通时，进入校准阶段，所述校准阶段包括：
根据上位机设置指令对所述8选n校准电阻进行电阻选择，并将选择的校准电阻值记为RCAL，对所述8选n反馈电阻进行电阻选择，并将选择的反馈电阻值记为RFB，其中，RCAL=RFB；
执行上位机测量指令，采集此时接入校准电阻和反馈电阻工况下，所述阻抗测量电路测量并储存在寄存器中的阻抗第一实部值R校和第一虚部值I校，根据计算得到校准电阻的模值M校，计算增益系数GF和系统相位θsystem。
4.根据权利要求3所述的无线多通道微型阻抗测量系统，其特征在于，所述2选1开关中与所述8选1测量通道连接的开关接通时，进入测量阶段，所述测量阶段包括：
选择与校准阶段相同的反馈电阻通道，根据上位机测量指令选择接入待测物体的某一测量通道；
执行阻抗测量指令，采集此工况下测量到的阻抗第二实部值R测和第二虚部值I测，计算得到待测物体的阻抗模值M测，使用增益系数GF对阻抗模值M测进行修正，以及使用系统相位θsystem对待测物体的阻抗相位进行修正。
5.根据权利要求4所述的无线多通道微型阻抗测量系统，其特征在于，在对待测物体的测量数据进行修正后，上位机还进行如下操作：
把所有修正后的数据按照所使用的反馈电阻值的大小进行从小到大排列；
分别计算每相邻的两组修正后的测量数据的幅值相对误差随反馈电阻值的变化率和曲线形状相对误差随反馈电阻值的变化率；
选出幅值相对误差随反馈电阻值的变化率最小的四个电阻值，构成候选电阻值区间RI1，并根据幅值相对误差随电阻值的变化率的相对大小计算每个电阻值的第一得分；选出曲线形状相对误差随电阻值的变化率最小的四个电阻值，构成候选电阻值区间RI2，并根据曲线形状相对误差随电阻值的变化率的相对大小计算每个电阻值的第二得分；
将选出的候选电阻值区间RI1和候选电阻值区间RI2取并集构成候选电阻值区间RI，把候选电阻值区间RI中的每个电阻值在幅值相对误差变化率下的第一得分和曲线形状相对误差变化率下的第二得分进行求和；
挑选求和后的得分最高的电阻值作为最佳反馈电阻值。
6.根据权利要求5所述的无线多通道微型阻抗测量系统，其特征在于，判断所挑选出来的最佳反馈电阻值是否唯一，若所求和后的得分最高的电阻值个数不唯一，还包括：
挑选多个最佳反馈电阻值中，相应电阻值与候选电阻值区间RI中心位置的电阻值最接近的电阻值。
7.根据权利要求1-6任一所述的无线多通道微型阻抗测量系统，其特征在于，所述8选n校准电阻中的各个校准电阻为并联状态；所述8选n反馈电阻中的各个反馈电阻为并联状态。
8.根据权利要求1-6任一所述的无线多通道微型阻抗测量系统，其特征在于，对于所述8选1测量通道，微控制器通过控制8路模拟开关ADG708来对所述8选1测量通道进行通道切换，以实现8个待测阻抗测量通道的选择。
9.根据权利要求1-6任一所述的无线多通道微型阻抗测量系统，其特征在于，对于所述8选n校准电阻，微控制器通过控制8路模拟开关ADG715的切换来实现对校准电阻的选择；对于所述8选n反馈电阻，微控制器通过控制8路模拟开关ADG715的切换来实现对反馈电阻的选择。
10.根据权利要求1-6任一所述的无线多通道微型阻抗测量系统，其特征在于，所述阻抗测量电路包括直接数字合成器、数模转换器、模数转换器以及数字信号处理引擎；其中，所述直接数字合成器产生正弦激励电压，该正弦激励电压经过数模转换器处理后对耦合在待测物体上的压电材料进行激励并得到待测物体的响应信号，之后，该响应信号经过增益放大器、低通滤波器和模数转换器的处理操作后，输送到数字信号处理引擎进行傅里叶变换处理，得到频域阻抗信号实部和虚部。
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