一種線圈傳感器諧振參數的測量方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發明提供一種線圈傳感器諧振參數的測量方法及裝置，通過由單片機和CPLD組成的核心部件來控制DDS產生頻率可調的信號，并將其幅值放大成恒壓信號，然后將所述恒壓信號輸入到由待檢測線圈和電阻陣列組成的串聯電路中，將串聯電阻兩端的電壓信號經過信號調理電路接入到ADC中進行數據采集，通過CPLD對同一信號頻率下的電壓數據進行多次絕對值相加并求取平均值，從而得到與該信號頻率對應的穩定電壓值，最后通過比對不同信號頻率下的各個穩定電壓值而得到最小電壓值，所述最小電壓值對應的信號頻率即為待檢測線圈的諧振頻率。該方法智能化程度高，設備結構簡單，成本低，還通過提升頻率變化精度及減少干擾，提高了測量精度。
【專利說明】
-種線圈傳感器諧振參數的測量方法及裝置
技術領域
[0001] 本發明設及線圈傳感器測量技術領域，具體地，設及一種線圈傳感器諧振參數的 測量方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 線圈傳感器常用于瞬變電磁法及一些近地表頻率域電磁法儀器中，起到前端感應 器和信號發射裝置的作用，而線圈本身的諧振參數會直接影響到信號的發射頻率W及對寄 生電容、寄生電感的測量與計算，因此需要對線圈的諧振參數進行精確測量。
[0003] 目前采用的測量方法是將待檢測線圈與一個外接電阻R和信號源串聯起來，在保 持信號源輸出信號幅值不變的情況下不斷改變輸出信號的頻率，同時利用示波器測量定值 電阻兩端的實時電壓值，將待檢測線圈等效為一個由未知電阻r、未知電容C和未知電感L組 成的電路(參見圖1)，當測量電壓為最小值時，整個串聯電路處于諧振狀態，此時，外接電阻 兩端的電壓值Vr與信號源輸出的電壓模值Vi之比最小，即：
[0004]
[0005] 確定此時信號源對應的輸出頻率，該頻率即為待檢測線圈的諧振頻率。
[0006] 雖然利用上述方法可W測量出線圈的諧振頻率，但其仍存在如下缺點：1、在每次 測量之前都要對電路進行多次手動測試，W挑選出阻值大小合適的外接電阻R，操作繁瑣； 2、信號源(一般為函數信號發生器，XFGl)輸出信號的頻率和幅值不能精確一致，即當信號 的頻率變大時其幅值將會變小，無法保證在整個測量過程中輸出信號幅值恒定不變的先決 條件，從而對測量結果的正確性造成較大干擾，除非采用一些高端信號源，但又會導致成本 的提高;3、信號源采用人工設置和讀取頻率的方法，讀數精度不高;4、利用示波器測量的電 壓值是具有一定范圍限度的，不能完全適用對所有線圈諧振頻率的測量，而且常用示波器 的分辨率只有8bit，讀數誤差大，影響最終得到的結果的可靠性。

【發明內容】

[0007] 本發明的目的在于提供一種用于測量線圈傳感器的諧振參數的方法和裝置，W解 決【背景技術】中提出的問題。
[000引為實現上述目的，本發明提供了一種線圈傳感器諧振參數的測量方法，通過由單 片機和CPLD組成的核屯、部件來控制DDS產生頻率可調的信號，并將其幅值放大成電壓為Ul 的恒壓信號，Ul為0.5V~20V之間的一個固定值，然后將所述恒壓信號輸入到由待檢測線圈 和電阻陣列組成的串聯電路中，所述電阻陣列包括阻值大小不等的多個定值電阻，且待檢 測線圈在同一時間內只與一個定值電阻串聯，將所述定值電阻兩端的電壓信號經過信號調 理電路接入到ADC中進行數據采集，通過CPLD對同一信號頻率下的電壓數據進行20次W上 的絕對值相加并求取平均值，從而得到與該信號頻率對應的穩定電壓值，最后通過比對不 同信號頻率下的各個穩定電壓值而得到最小電壓值，所述最小電壓值對應的信號頻率即為 待檢測線圈的諧振頻率。
[0009] 所述單片機是一種微型的在線式實時控制計算機，其將中央處理器CPU、隨機存儲 器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計數器等功能（可能還包括顯示驅 動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路)集成于一體，并按順序依次執 行已編寫好的程序。相對于功能已經被設計好的單片機，所述CPLD (Comp 1 ex Programmab 1 e Logic Device,復雜可編程邏輯器件)是一種可自行構造邏輯功能的數字集成電路，用戶可 根據自身需要進行編程從而實現想要的處理功能。
[0010] 由單片機和CPLD組成的核屯、部件可W監控整個測量過程的進程并完成對所得數 據的處理。
[0011 ] 所述DDS(Direct Digital Synthesizer,直接數字式頻率合成器）可產生頻率可 調的信號，且其與傳統的頻率合成器相比，具有低成本、低功耗、高分辨率、高變化進度和快 速轉換時間等優點。
[0012] 所述ADC(Analog to Digital Converter,模數轉換器）是一個用于對模擬信號進 行數字化處理的電子元件，其可將輸入的電壓信號轉換為輸出的數字信號，并最終把數字 信號輸送到數據處理設器件中。
[0013] 由于輸入ADC的電壓信號的變化相當小，因此在轉換為數字信號之前必須對其進 行調理，即對電壓信號進行放大、緩沖或定標等處理，使其適合于ADC的輸入。
[0014] 優選地，所述線圈傳感器諧振參數的測量方法包括如下步驟：
[0015] 1)將待檢測線圈接入電路，并使電阻陣列中阻值最大的定值電阻與待檢測線圈串 聯，接通電源；
[0016] 2)由單片機和CPLD組成的核屯、部件控制DDS產生起始頻率為n的輸出信號，fl為 mz~IOOHz之間的一個固定值，如果所述定值電阻兩端的電壓值高于U2，U2 = a Ul，且系數 a為0.2~0.7之間的一個固定值，則通過繼電器切換下一個阻值較小的定值電阻與待檢測 線圈串聯，直到接入電路的定值電阻兩端的電壓值不超過U2時，所選用定值電阻的阻值正 合適，如果直至切換到最小阻值的定值電阻，其兩端的電壓值仍然高于U2,則直接選用最小 阻值的定值電阻接入電路；
[0017] 3)開始測量，所述核屯、部件控制DDSW步進頻率f2不斷增大其輸出信號的頻率值， 所述步進頻率f 2為2Hz W下的一個固定值，優選f 2為0.4Hz~1.5Hz中的值，更優選f 2為 0.5Hz~1.OHz中的值；
[0018] 4)在增大輸出信號的頻率值的同時，將定值電阻兩端的電壓信號通過信號調理電 路接入到ADC中進行數據采集，通過CPLD對同一信號頻率下的電壓數據進行20次W上的絕 對值相加并求取平均值，從而得到與該信號頻率對應的穩定電壓值，隨著信號頻率的增大， 將得到的不同信號頻率下的穩定電壓值記錄下來；
[0019] 5)當檢測到第n個電壓值時，n為大于等于六的自然數，將該電壓值與之前記錄的 n-1個電壓值進行比較，如果數值一直在變小，則將最早記錄的一個電壓值丟掉，并將新檢 測到的電壓值記錄下來，不斷重復上述過程，且記錄的電壓值每增加一個則相應丟掉最早 的一個，W確保記錄下的電壓值總數為n-1個；
[0020] 6)當新檢測到的電壓值比上一個記錄的電壓值要大時，同樣將最早記錄的一個電 壓值丟掉，并將新檢測到的電壓值記錄下來，且再連續檢測n-3個電壓值，如果數值大小變 化不定，則繼續進行檢測，如果數值仍然依次增大，則可W判定此時記錄的第一個電壓值為 最小電壓值，該電壓值所對應的信號頻率即為待檢測線圈的諧振頻率。
[0021] 優選地，測量到的各電壓值及其對應的信號頻率均通過由單片機控制的LCD 化iquid化ys化1 Display,液晶顯示器)直接顯示。
[0022] 優選地，所述電阻陣列包括六個定值電阻，且各定值電阻的阻值分別為IOOQ、1K Q、10KQ、50KQ、200KQ 和500KQ。
[0023] 優選地，在步驟4)中，通過CPLD對數據進行絕對值相加的次數為100次W上，優選 為1000次W上。
[0024] -種線圈傳感器諧振參數的測量裝置，按照信號的傳輸方向依次包括由單片機和 CPLD組成的核屯、部件、孤S、幅值放大電路、待檢測線圈連接結構、電阻陣列、信號調理電路、 ADC W及所述核屯、部件，且所述測量裝置還包括與所述核屯、部件連接的LCD;
[0025] 所述DDS用于產生頻率可調的信號，所述幅值放大電路用于放大輸入信號的幅值 并穩定輸出電壓為Ul的恒壓信號，Ul為0.5V~20V之間的一個固定值，所述待檢測線圈連接 結構用于連接待檢測線圈，所述電阻陣列包括多個阻值大小不等的定值電阻，且各定值電 阻間通過繼電器實現切換，所述ADC用于采集定值電阻兩端的電壓信號，所述LCD用于顯示 實時頻率及其對應的電壓值，所述單片機具有信息讀取功能，可用于控制繼電器的通斷和 LCD的顯示，所述CPLD用于完成對DDS的控制、ADC數據的采集W及數據的絕對值相加。
[0026] 優選地，所述待檢測線圈連接結構為兩個分別與幅值放大電路和電阻陣列電連接 的導電夾，且所述兩個導電夾分別與待檢測線圈的兩個引出頭連接。
[0027] 優選地，所述電阻陣列包括六個定值電阻，且各定值電阻的阻值分別為IOOQ、1K Q、10KQ、50KQ、200KQ 和500KQ。
[002引優選地，所述ADC為高精度ADC，其具有16bit的分辨率和IOOMSI^的采樣速度。
[0029] 本發明提供的技術方案具有如下有益效果：
[0030] 1、所述測量方法和裝置的智能化程度高，不需要每次人為篩選合適阻值的外接電 阻，也不需要手動設置頻率。
[0031] 2、所述測量裝置使用的均為常規設備，具有體積小、模塊化、成本低的優點。
[0032] 3、孤S輸出信號頻率的步進精度非常高，比人工設置和讀取的信號源要精確很多， ADC具有16bitW上的分辨率，遠比Sbit的示波器優越，通過幅值放大電路可W始終確保電 路中信號幅值的穩定不變，排除干擾，提高測量結果的準確性。
[0033] 4、所述測量方法和裝置所檢測的諧振頻率可達50MHz，能完全滿足隊地球物理儀 器的測量要求。
【附圖說明】
[0034] 為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使 用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本 領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可W根據運些附圖獲得其它的 附圖，其中：
[0035] 圖1是現有測量方法的裝置連接示意圖（虛線為實際接入的待檢測線圈，線圈內為 與其等效的電路結構）；
[0036] 圖2是本發明優選實施例的裝置連接示意圖；
[0037] 圖3是圖2所示實施例中電阻陣列的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0038] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它 實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0039] 參見圖2,一種線圈傳感器諧振參數的測量裝置，按照信號的傳輸方向依次包括由 單片機和CPLD組成的核屯、部件、孤S、幅值放大電路、待檢測線圈連接結構、電阻陣列、信號 調理電路、ADCW及所述核屯、部件，且所述測量裝置還包括與所述核屯、部件連接的LCD,用于 顯示檢測并記錄下的各電壓值及其對應的信號頻率。
[0040] 繼續參見圖3，所述電阻陣列包括六個定值電阻，且各定值電阻的阻值分別為100 Q、化〇、10KQ、50KQ、200KQ 和500KQ。
[0041] 本實施例中，所述待檢測線圈連接結構為兩個分別與幅值放大電路和電阻陣列電 連接的導電夾，且所述兩個導電夾分別與待檢測線圈的兩個引出頭連接。
[0042] 本實施例中，所述ADC為高精度ADC，其具有16bit的分辨率和100MSPS的采樣速度。
[0043] 利用上述測量裝置對線圈傳感器的諧振參數進行測量，其具體步驟如下：
[0044] 1)將待檢測線圈接入電路，并使電阻陣列中阻值為500KQ的定值電阻與待檢測線 圈串聯，接通電源；
[0045] 2)由單片機和CPLD組成的核屯、部件控制DDS產生起始頻率為IHz的輸出信號，并將 其幅值放大成電壓為IV的恒壓信號，如果所述定值電阻兩端的電壓值高于1/3V，則通過繼 電器切換下一個阻值較小的定值電阻與待檢測線圈串聯，直到接入電路的定值電阻兩端的 電壓值不超過1/3V時，所選用定值電阻的阻值正合適，如果直至切換到最小阻值的定值電 阻，其兩端的電壓值仍然高于1/3V，則直接選用最小阻值的定值電阻接入電路；
[0046] 3)開始測量，所述核屯、部件控制DDS W 0.甜Z的步進頻率不斷增大其輸出信號的頻 率值；
[0047] 4)在增大輸出信號的頻率值的同時，將定值電阻兩端的電壓信號通過信號調理電 路接入到ADC中進行數據采集，通過CPLD對同一信號頻率下的電壓數據進行1000次的絕對 值相加并求取平均值，從而得到與該信號頻率對應的穩定電壓值，隨著信號頻率的增大，將 得到的不同信號頻率下的穩定電壓值記錄下來；
[0048] 5)當檢測到第6個電壓值時，將該電壓值與之前記錄的5個電壓值進行比較，如果 數值一直在變小，則將最早記錄的一個電壓值丟掉，并將新檢測到的電壓值記錄下來，不斷 重復上述過程，且記錄的電壓值每增加一個則相應丟掉最早的一個，W確保記錄下的電壓 值總數為5個；
[0049] 6)當新檢測到的電壓值比上一個記錄的電壓值要大時，同樣將最早記錄的一個電 壓值丟掉，并將新檢測到的電壓值記錄下來，且再連續檢測3個電壓值，如果數值大小變化 不定，則繼續進行檢測，如果數值仍然依次增大，則可W判定此時記錄的第一個電壓值為最 小電壓值，該電壓值所對應的信號頻率即為待檢測線圈的諧振頻率。
[0050] W上所述僅為本發明的優選實施例，并非因此限制本發明的專利保護范圍，對于 本領域的技術人員來說，本發明可W有各種更改和變化。在本發明的精神和原則之內，凡是 利用本發明說明書及附圖內容所作的任何改進或等同替換，直接或間接運用在其它相關的 技術領域，均應包括在本發明的專利保護范圍內。
【主權項】
1. 一種線圈傳感器諧振參數的測量方法，其特征在于，通過由單片機和CPLD組成的核 心部件來控制DDS產生頻率可調的信號，并將其幅值放大成電壓為U1的恒壓信號，U1為0.5V ~20V之間的一個固定值，然后將所述恒壓信號輸入到由待檢測線圈和電阻陣列組成的串 聯電路中，所述電阻陣列包括阻值大小不等的多個定值電阻，且待檢測線圈在同一時間內 只與一個定值電阻串聯，將所述定值電阻兩端的電壓信號經過信號調理電路接入到ADC中 進行數據采集，通過CPLD對同一信號頻率下的電壓數據進行20次以上的絕對值相加并求取 平均值，從而得到與該信號頻率對應的穩定電壓值，最后通過比對不同信號頻率下的各個 穩定電壓值而得到最小電壓值，所述最小電壓值對應的信號頻率即為待檢測線圈的諧振頻 率。2. 根據權利要求1所述的測量方法，其特征在于，包括如下步驟： 1) 將待檢測線圈接入電路，并使電阻陣列中阻值最大的定值電阻與待檢測線圈串聯， 接通電源； 2) 由單片機和CPLD組成的核心部件控制DDS產生起始頻率為Π 的輸出信號，Π 為1Hz~ 100Hz之間的一個固定值，如果所述定值電阻兩端的電壓值高于U2，U2 = a U1，且系數a為 0.2~0.7之間的一個固定值，則通過繼電器切換下一個阻值較小的定值電阻與待檢測線圈 串聯，直到接入電路的定值電阻兩端的電壓值不超過U2時，所選用定值電阻的阻值正合適， 如果直至切換到最小阻值的定值電阻，其兩端的電壓值仍然高于U2,則直接選用最小阻值 的定值電阻接入電路； 3) 開始測量，所述核心部件控制DDS以步進頻率f2不斷增大其輸出信號的頻率值，所述 步進頻率f 2為2Hz以下的一個固定值，優選f 2為0.4Hz~1.5Hz中的值，更優選f 2為0.5Hz~ 1.0Hz中的值； 4) 在增大輸出信號的頻率值的同時，將定值電阻兩端的電壓信號通過信號調理電路接 入到ADC中進行數據采集，通過CPLD對同一信號頻率下的電壓數據進行20次以上的絕對值 相加并求取平均值，從而得到與該信號頻率對應的穩定電壓值，隨著信號頻率的增大，將得 到的不同信號頻率下的穩定電壓值記錄下來； 5) 當檢測到第η個電壓值時，η為大于等于六的自然數，將該電壓值與之前記錄的n-1個 電壓值進行比較，如果數值一直在變小，則將最早記錄的一個電壓值丟掉，并將新檢測到的 電壓值記錄下來，不斷重復上述過程，且記錄的電壓值每增加一個則相應丟掉最早的一個， 以確保記錄下的電壓值總數為n-1個； 6) 當新檢測到的電壓值比上一個記錄的電壓值要大時，同樣將最早記錄的一個電壓值 丟掉，并將新檢測到的電壓值記錄下來，且再連續檢測n-3個電壓值，如果數值大小變化不 定，則繼續進行檢測，如果數值仍然依次增大，則可以判定此時記錄的第一個電壓值為最小 電壓值，該電壓值所對應的信號頻率即為待檢測線圈的諧振頻率。3. 根據權利要求2所述的測量方法，其特征在于，測量到的各電壓值及其對應的信號頻 率均通過單片機控制的IXD直接顯示。4. 根據權利要求3所述的測量方法，其特征在于，所述電阻陣列包括六個定值電阻，且 各定值電阻的阻值分別為1〇〇Ω、1ΚΩ、1〇ΚΩ、50ΚΩ、200ΚΩ和500ΚΩ。5. 根據權利要求4所述的測量方法，其特征在于，在步驟4)中，通過CPLD對數據進行絕 對值相加的次數為100次以上，優選為1000次以上。6. -種線圈傳感器諧振參數的測量裝置，其特征在于，按照信號的傳輸方向依次包括 由單片機和CPLD組成的核心部件、DDS、幅值放大電路、待檢測線圈連接結構、電阻陣列、信 號調理電路、ADC以及所述核心部件，且所述測量裝置還包括與所述核心部件連接的IXD; 所述DDS用于產生頻率可調的信號，所述幅值放大電路用于放大輸入信號的幅值并穩 定輸出電壓為U1的恒壓信號，U1為0.5V~20V之間的一個固定值，所述待檢測線圈連接結構 用于連接待檢測線圈，所述電阻陣列包括多個阻值大小不等的定值電阻，且各定值電阻間 通過繼電器實現切換，所述ADC用于采集定值電阻兩端的電壓信號，所述LCD用于顯示實時 頻率及其對應的電壓值，所述單片機具有信息讀取功能，可用于控制繼電器的通斷和LCD的 顯示，所述CPLD用于完成對DDS的控制、ADC數據的采集以及數據的絕對值相加。7. 根據權利要求6所述的測量裝置，其特征在于，所述待檢測線圈連接結構為兩個分別 與幅值放大電路和電阻陣列電連接的導電夾，且所述兩個導電夾分別與待檢測線圈的兩個 引出頭連接。8. 根據權利要求7所述的測量裝置，其特征在于，所述電阻陣列包括六個定值電阻，且 各定值電阻的阻值分別為1〇〇Ω、1ΚΩ、1〇ΚΩ、50ΚΩ、200ΚΩ和500ΚΩ。9. 根據權利要求8所述的測量裝置，其特征在于，所述ADC為高精度ADC，其具有16bit的 分辨率和100MSPS的采樣速度。
【文檔編號】G01R35/02GK106019200SQ201610622621
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年8月1日
【發明人】嚴發寶, 柳建新, 蘇艷蕊, 鄭翾宇, 趙廣東
【申請人】中南大學