介电谱检测系统的结构设计及高漏电电阻测量模块设计

摘要

本课题源于项目《介质材料的介电谱检测》，该项目的主要目的是探索研究材料的介电常数在频域上的谱线峰值的特性，并研究这个峰值与材料的特征频率的对应关系。在实际应用中，可以利用材料的这一特征对材料进行鉴别和分析检测，如：违禁品的检测、生物医药的成份分析等，还可以应用于相关的生物检测芯片或系统中，具有相当广泛的应用价值。该项目的重要意义还在于可以通过该方法，探索研究材料鉴别和分析的新方法。 本课题研究了测量介电谱的系统总体设计框架，确定了待测样品单元、激励源单元和检测单元(时域部分、频域部分)三大组成部分，给出了系统总体结构设计框图。 同时本课题探索解决漏电电阻高阻值测量的技术难点。在系统中采用了直流漏电电阻测量模块，从而可以在最终的复介电谱测量结果中扣除直流漏电电阻的影响，弥补了传统介电常数测量的等效模型的不足，减少了频域测量法的系统误差。其创新之处在于，基于电容的放电曲线，而非常见的欧姆法来测量电阻，设计了一个利用低电压来测量高电阻的测量系统，避免了输入端的高压。但此方法对于前置放大器的输入阻抗、共模抑制比和电流噪声有很高要求，高阻本身的热噪声也不容忽视。 本课题通过硬件和软件两方面来降低噪声影响。硬件方面，运用缓冲器与减法器构成的高输入阻抗、高共模抑制比前置放大器、线性光隔离电路以及特殊施工工艺减少引入的噪声。软件方面，通过多次平均算法均衡噪声。经检测，电路的性能指标基本达到了设计要求，为最终系统的实现创造了条件。 此外，本课题可以为进一步的材料复介电谱检测的时域弛豫法研究进行实验方法上的探索。 本文还对目前设计中存在的不足之处进行了分析，提出了部分解决方案与改进意见，具有一定的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题来源

1.2课题研究的目的和意义

1.3国内外介电常数测量研究概述

1.4论文的主要创新点和难点

1.5论文的主要研究内容

第二章介电谱测量系统整体设计

2.1介电谱背景知识概述

2.1.1 电介质的极化

2.1.2介电常数与极化

2.1.3复介电常数

2.1.4介电谱

2.1.5介电常数测量的改进模型

2.2系统的功能模块的划分

2.2.1待测样品单元

2.2.2激励源单元

2.2.3检测单元

2.3系统总体结构设计

2.4本章小结

第三章 高漏电电阻测量模块模拟电路设计

3.1国内外高电阻测量研究概况

3.2模块总体方案

3.2.1 系统的总体框图

3.2.2 系统工作原理

3.2.3 本方案的优势

3.3模块整体设计方案及要求

3.3.1 高电阻上电压测量面临的问题

3.3.2 前置放大器指标

3.4前置放大器设计

3.4.1 放大器选型

3.4.2 放大器电路设计

3.4.3 放大器电路仿真

3.4.4 放大器电路原理图

3.5继电器设计

3.5.1继电器选型

3.5.2继电器驱动电路

3.5.3继电器驱动电路原理图

3.6数模接口设计

3.6.1单片机控制继电器部分

3.6.2仪表放大器输出到单片机部分

3.7模拟部分硬件电路总图

3.8本章小结

第四章高漏电电阻测量模块数字电路设计

4.1数字电路整体功能要求

4.2单片机芯片选型及介绍

4.2.1单片机的总体介绍

4.2.2 单片机串口的硬件接口电路

4.3 MATLAB环境下的串口通信

4.3.1 串行通信的总体设计

4.3.2基于MATLAB的PC机部分串口通信设计

4.4 MATLAB数据处理

4.4.1 噪声分析

4.4.2多次平均算法的原理分析

4.4.3噪声均衡算法分析

4.5本章小结

第五章总结与展望

5.1注意要点

5.1.1前置放大器的施工要点

5.1.2线形光耦合电路制作要点

5.1.3 PCB设计要点

5.1.4噪声抑制要点

5.2电路性能测试

5.3误差分析和改进方案

5.4本章总结

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

致谢