基于边缘电场传感器的介电测量方法和系统研究

摘要

边缘电场(FringingElectricField,FEF)传感器是一种电极板分布在同一平面或者曲面上的新型电容传感器,具有单边穿透、信号强度可调和层析成像的优点,被广泛应用于工业过程控制中产品性能,如多孔性、含水量、密度、粘度等的无损测量。边缘电场传感器的测量属于介电测量,通过测量传感器极间电容电导,转换成样本的介电常数从而实现样本物理特性的测量。
　　本文以三波长边缘电场传感器为研究对象,设计了基于数字信号处理器(DSP)的测量系统。系统以DSP为核心,包括驱动电路、调理电路、同步采样电路、人机接口电路等。驱动电路产生不同频率的正弦波激励信号,传感器不同通道输出信号由调理电路放大滤波后,经同步采样电路采样后送入DSP处理。
　　基于传感器短路电流测量模型,计算传感器极间电容和电导,转换成介电常数。利用频谱分析算法计算信号的频率、幅值和相位差,采用分段设置采样频率和频谱校正保证计算精度。利用多元非线性回归计算介电常数。
　　设计了系统软件,包括主监控程序、初始化模块、驱动控制模块、数据采集模块、信号处理模块、计算模块、人机接口模块等。实现了驱动信号产生,扫频测量,数据处理,显示和参数设置等功能。
　　选择三波长边缘电场传感器,分别对玻璃纸厚度、PCB板材损伤、电缆绝缘损坏做了测量实验,实验结果表明测量系统能有效地分辨出不同厚度和特性的样本。

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第一章 绪 论

1.1 边缘电场传感器及测量系统

1.2 国内外研究现状

1.3 课题来源和主要研究内容

第二章 介电测量方法和系统总体方案

2.1 介电测量方法

2.2 系统设计方案

2.3 小结

第三章 系统硬件设计

3.1 驱动电路

3.2 调理电路

3.3 采样电路

3.4 人机接口

3.5 DSP外围电路

3.6 电源设计

3.7 测量系统防干扰处理

3.8 小结

第四章 测量原理及算法实现

4.1 测量原理

4.2 系统算法实现

4.3 小结

第五章 系统软件设计

5.1 软件总体框图

5.2 主监控程序

5.3 初始化模块

5.4 驱动控制模块

5.5 数据采集模块

5.6 调理控制模块

5.7 计算模块

5.8 人机接口模块

5.9 中断模块

5.10 掉电保护模块

5.11 看门狗模块

5.12 小结

第六章 测量系统实验

6.1 测量系统标定

6.2 空载测量实验

6.3样本厚度测量实验

6.4 板材探伤实验

6.5 电缆绝缘损伤测量实验

6.6 小结

第七章 总结和展望

7.1 研究工作总结

7.2 下一步工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文