专利名称：测量阻抗值的电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种阻抗值的测量。特别是涉及一种以定性测量替代定量测量的测量阻抗值的电路。
背景技术：
目前，自动化接触式物位测量技术的常见方法有以下几种1、电、磁浮子式测量技术；2、机械式测量技术；3、电容式测量技术。电、磁浮子式测量仪表以浮子为标靶，通过电、磁技术检测浮子的位置来判断液位，其具有结构简单，可靠度高的特点，但是此类仪表只能测量粘稠度较低的液体，不能测量粘稠度高的液体和固体的物位，并且仪表安装相对不方便。机械式测量技术，以平动或转动的机械零件是否接触到被测物体为实现测量的依据。此种方法可靠度较高，但是灵敏度低，在测量过程中有较大的机械损耗，需要定期维护。电容式测量技术，其原理是通过探测电极与容器壁形成电容场，当物料(固体或液体)的位置改变时，电容场的电容量发生变化，再通过电子电路对此电容量进行测量，从而分析出物料位置。当测量介电常数较低的物料(如水泥1. 5-2. 5，矿物油2. 1)时，通常使用裸金属探测电极；而测量介电常数较高的物料(如水80)时，通常使用带有绝缘包覆层的探测电极；当测量潮湿的水泥或含水油时，探测电极的选型将成为一个难题，因为此时测量信号中不但有电容的成分还有电阻的成分，会导致测量结果偏差。可见，此类仪表通用性不高，而且带有绝缘包覆层的电极在使用时又存在磨损，需要定期维护。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种结构新颖，体积小，成本低，具有高可靠性，对环境要求低，无复杂的生产工艺，无须调试的特点，便于实现大规模现代化作业生产的测量阻抗值的电路。本实用新型所采用的技术方案是一种测量阻抗值的电路，包括基准信号发生电路、电桥电路、放大电路、相位控制电路和信号采集电路，其中，所述的基准信号发生电路生成2路对称的交流基准信号，其中一路基准信号用以驱动电桥电路的一个桥路，另一路基准信号用以驱动电桥电路的另一个桥路以及同时用以驱动相位控制电路；所述电桥电路的输出信号为反映待测阻抗值的待测信号，所述的待测信号接入放大电路的输入端；所述的放大电路的输出接在信号采集电路的数据输入端；所述的相位控制电路的输出接在信号采集电路的时钟输入端；所述的信号采集电路用于在相位控制电路规定的时刻，采集放大电路输出的信号，判断待测阻抗值的状态。所述的基准信号发生电路产生的信号为周期性对称信号，并且2路对称的基准信号相位相差180°。所述的电桥电路为平衡电桥，选择变形的惠斯顿电桥或星形电桥，量程阻抗器、基准阻抗器和待测阻抗，分别连接在电桥电路对应的桥臂上，其中量程阻抗器与待测阻抗分别置于相对的两个桥臂上。所述的放大电路选择三极管放大电路或差分仪表放大电路。所述的相位控制电路包括有由运算放大器构成的放大电路，其中，所述的运算放大器的同相/反相输入端通过第一缓冲电阻R8和第一分压电阻R5的串联接电源VCC，反相/同相输入端通过第二缓冲电阻R9和第二分压电阻R7的串联接地，所述的第一缓冲电阻R8和第一分压电阻R5的连接端与第二缓冲电阻R9和第二分压电阻R7的连接端之间连接第三分压电阻R6，所述的运算放大器的输出端连接信号采集电路。所述的运算放大器的同相/反相输入端还通过一电容C4连接基准信号发生电路输出的一路基准信号。所述的相位控制电路包括一个由施密特电路或三极管放大电路构成的单输入端的放大电路，基准信号发生电路输出的一路基准信号经过隔直电容C4耦合后进入放大电路的输入端，并且放大电路的输入端分别通过第一分压电阻R5接电压VCC以及通过第二分压电阻R6接地，由第一分压电阻R5和第二分压电阻R6确定电路的直流偏置。所述的信号采集电路由一个时序触发器构成，所述的时序触发器有两个输入端， 其中一个输入端为数据输入端，接收放大电路的输出信号，另一个输入端为时钟输入端，接收相位控制电路的输出信号。所述的信号采集电路由一个微处理器构成，以相位控制电路的输出作为微处理器的中断输入，在中断时，判断放大电路输出的相位信息。所述的相位控制电路和信号采集电路由一个微处理器构成，所述基准信号发生电路输出的一路基准信号直接输入微处理器的ADC转换器输入端，放大电路的输出信号进入微处理器的任意I/O输入端，由微处理器直接控制采集的相位，并进行相位采集。本实用新型的测量阻抗值的电路，结构简单可靠，适用性强，为达到稳定准确的测量效果，只对元件的稳定性有一定的要求，无任何高精度元器件，无须筛选，工艺简单，有利于实现大规模的现代化流水作业生产。本实用新型只使用裸金属探测电极，即可同时测量电容、电阻成分，以比率代替具体的数值测量，以此判断出物位参数，不受被测物料物理性能的影响，能很好的抵抗各种因素的干扰(如温度、湿度、静电、原电池效应等)，可工作在各种环境恶劣的工矿场合，灵活性、扩展性、移植性好，可广泛应用于各种工业，民用测量领域。

图1是本实用新型的整体结构框图；图2是本实用新型实施例1的电路原理简图；图3是本实用新型实施例2的电路原理简图；图4(a)是当被测信号只有电容成分时的电桥原理分析图；图4(b)是图4(a)的II、12工作波形图；图5(a)是当被测信号只有电容成分时的电桥原理简图；图5(b)是当Il > 12时，图5(a)的工作波形图；图5 (c)是当Il >12时，图5(a)的工作波形图；图6(a)是当被测信号有电容成分和电阻成分时的电桥原理分析图；[0027]图6(b)是图6 (a)的II、12工作波形图；图7(a)是当被测信号有电容成分和电阻成分时的电桥原理简图；图7 (b)是图7 (a)的工作波形图；图8 (a)是实施例1中，相位控制电路的输入Ul与输出C对应关系图；图8(b)是实施例2中，相位控制电路的输入Ul与输出C对应关系图；图9(a)是实施例1中，在测量纯电容信号和阻抗信号时，Ul、A、B、C、UOUT各点波形对应关系图；图9(b)是实施例2中，在测量纯电容信号和阻抗信号时，Ul、A、B、C、UOUT各点波形对应关系图；图10是本实用新型可采用的另一种更为精确的电桥电路及放大电路原理示意图；图11是本实用新型采用微处理器作为信号采集电路的原理示意图；图12是本实用新型采用微处理器作为信号采集电路和相位控制电路的原理示意图；图13(a)、(b)、(c)、(d)是相位控制电路的四种双输入端电路原理示意图；图14(a)是相位控制电路的单输入端电路原理示意图1 ；图14(b)是图14(a)的工作波形图1 ；图14(c)是图14(a)的工作波形图2 ；图15(a)是相位控制电路的单输入端电路原理示意图2 ；图15(b)是图15(a)的工作波形图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型的测量阻抗值的电路做出详细说明。如图1所示，本实用新型的测量阻抗值的电路，包括基准信号发生电路1、电桥电路2、放大电路3、相位控制电路4和信号采集电路5，其中，所述的基准信号发生电路1生成 2路对称的交流基准信号U1、U2，其中一路基准信号U2用以驱动电桥电路2的一个桥路，另一路基准信号Ul用以驱动电桥电路的另一个桥路以及同时用以驱动相位控制电路4 ；所述电桥电路2的输出信号为反映待测阻抗值的待测信号A，所述的待测信号A接入放大电路3 的输入端；所述的放大电路3的输出接在信号采集电路5的数据输入端；所述的相位控制电路4的输出接在信号采集电路5的时钟输入端；所述的信号采集电路5用于在相位控制电路4规定的时刻，采集放大电路3输出的信号，判断待测阻抗值的状态。所述的基准信号发生电路1产生的信号为周期性对称信号，并且2路对称的基准信号Ul、U2相位相差180°。本实用新型的测量阻抗值的电路有2种基本用途，一是对被测阻抗定性的分析， 一是对被测阻抗定量的分析。定性分析时，在采集电路输出端检测信号“U0UT”，当电桥平衡状态使“A”和Ul同相时，采集电路假定输出逻辑“0”，再当电桥平衡状态使“A”和Ul反相时，采集电路假定输出逻辑“1”。定量分析时，缓慢调节电桥驱动信号幅值Ul、U2，检测输出端检测信号U0UT，当UOUT发生变化时(从“0，，到“ 1 ”，或从“ 1，，到“ 0 ”)，检测的电桥驱动信号幅值，根据电桥平
衡公式，计算可得待测阻抗值。由于本实用新型的测量阻抗值的电路是由定性测量转换为定量测量的一种技术， 测量精度与被测阻抗值的大小无关，故测量精度高，稳定性好，在整个量程范围内，各点测
量精度完全一致。如图2、图3所示，所述的电桥电路2可以是多种构造的平衡电桥及其变形，其作用是定性的对比待测阻抗值和基准阻抗的平衡特性，可选择变形的惠斯顿电桥或星形电桥。 量程阻抗器、基准阻抗器和待测阻抗，分别连接在电桥电路对应的桥臂上，其中量程阻抗器与待测阻抗分别置于相对的两个桥臂上。因为电桥电路2主要测量的是电容类信号，为了简化电路方便说明，在图2(a)中使用了一种星形3臂电容电桥，此类电桥有2个输入端和1个输出端，使用基准信号Ul驱动一个电桥臂，使用另一个基准信号U2驱动另一个电桥臂。要求电桥使用的是对称的交流驱动信号，波形任意，为了提高测量的准确性，推荐使用正弦波，因为正弦波的波形谐波含量最少，可有效的减少后级处理电路中的干扰信号，有利于测量和分析。由于只用正弦波驱动电桥，所以电桥产生的输出信号具有清晰的相位特性。此电桥的输入输出严格的遵守基尔霍夫电流定理。在下列分析中，为方便说明，设定基准信号Ul的波形相位为a = 0°。在被测信号只有电容成分时如图4(a)所示，可见11、12的相位正好相差180°如图4(b)所示。当两路电桥臂组成电桥时如图5(a)所示，II、12遵守基尔霍夫电流定理可以直接进行代数叠加。即当Il > 12时，电桥输出a = 0°相位的信号“Α”如图5(b)所示； 当Il < 12时，电桥输出a = 180°相位的信号“Α”如图5 (c)所示。在被测信号同时包含电容和电阻成分时如图6(a)所示，其中虹为被测阻抗(包含了电阻成分和电容成分)，可见11、12的相位相差不是180°如图6(b)所示，当两路电桥臂组成电桥时如图7(a)所示，II、12同样可以遵守基尔霍夫电流定理直接进行代数叠加。 但与纯电容桥不同的是电桥输出不能达到a = 0°和a= 180°相位，当I1、I2的值变化时， 输出的信号“A”为一组连续移动相位的正弦波。相位移动范围是(0°，180° )，如图7(b) 所示。本实用新型使用的方法就是通过改变基准信号U1、U2的电压幅值，造成II、12的变化，并通过对平衡电桥输出的结果进行定性的判断，来确定阻抗平衡的临界点，经计算， 转换为对被测物料位置的测量。所述的放大电路3的作用是将电桥电路的输出信号“A”放大成为具有相位信息的脉冲信号“B”，可以是任意形式的放大电路，如简单的三极管放大电路，如图2所示，或高稳定高精度的差分仪表放大电路，如图3所示，只要满足本实用新型的设计需要即可。在此仅举2例说明工作原理。实施例1如图2所示，该电路为单电源电路，由分压电阻R1、R2，分压得到一个介于正电源和地之间的合理的直流电位，用于放大电路的直流偏置，放大电路将 “A”放大成为矩形波“B”，需注意的是此时的矩形波“B”与源信号“A”相位相反，如图9 (a) 所示，在后续的处理中需要注意电路的逻辑。实施例2如图3所示，该电路使用的是正负双电源电路，节省了分压偏置电路，同样将“A”放大成为矩形波“B”，此时的矩形波“B”与源信号“A”相位相同，如图9(b)所示。[0057]图2、图3中使用的电桥电路是为了简化电路构造，便于说明相位关系，为了得到更高的使用性能，此电桥可改用双节点输出型电桥，相较星形3臂单节点输出型电桥具有输出信号大、稳定性好的特点，相对的，应使用具有双输入端的差分式放大电路，如图10所
7J\ ο综合两个实施例可见，本实用新型的特点是灵活性强，组合性强，对电源，放大电路，相位等信息均无特定性的要求。为了提高电路灵敏度可使用多级放大电路提高放大倍数，实现放大信号的目的。所述的相位控制电路4的作用是确定信号采集电路采集的时刻的一致性。相位控制电路的作用是根据基准信号Ul或U2相位信息，输出与Ul或U2具有严格相移的脉冲信号。其本质是一个放大电路，可以是任意形式的放大电路，只需满足本实用新型的设计需要。如图2、图3、图14(a)所示，所述的相位控制电路4包括有由运算放大器附构成的放大电路，其中，所述的运算放大器m的同相/反相输入端通过第一缓冲电阻R8和第一分压电阻R5的串联接电源VCC，反相/同相输入端通过第二缓冲电阻R9和第二分压电阻 R7的串联接地，所述的第一缓冲电阻R8和第一分压电阻R5的连接端与第二缓冲电阻R9和第二分压电阻R7的连接端之间连接第三分压电阻R6，所述的运算放大器m的输出端连接信号采集电路5。所述的运算放大器m的同相/反相输入端还通过一电容C4连接基准信号发生电路1输出的一路基准信号Ul。如图2所示的电路使用了一个双输入端的放大电路，由分压电阻R5、R6、R7划分出 2个阈值电压，R8、R9为缓冲电阻，较高的阈值电压输入到放大电路m的同相输入端，较低的阈值电压输入到放大电路W的反相输入端。基准信号Ul经电容C4耦合后与较高的阈值电压叠加，再进入放大电路W的同相输入端，此时相位控制电路将输出一个下降沿在相位(180°，270° )，一个上升沿在相位070°，360° )，如附图8(a)所示。如图3所示的电路与图2中的电路基本一致，区别在于基准信号Ul经电容C4耦合后与较低的阈值电压叠加，再进入放大电路W反相输入端，此时相位控制电路将输出一个下降沿在相位(0°，90° )，一个上升沿在相位(90°，180° )，如附图8(b)所示。如果将较高的阈值电压输入到放大电路m的反相输入端，较低的阈值电压输入到放大电路Nl的同相输入端，如图13(a)、(b)、(c)、(d)所示，结果与上述输出正好相反。相位控制电路的实现方式有很多，上述的方案是使用双输入端的放大电路，还可以使用单输入端的放大电路，如图14(a)和图15(a)所示，所述的相位控制电路4包括一个由施密特电路或三极管放大电路构成的单输入端的放大电路，基准信号发生电路1输出的一路基准信号Ul经过隔直电容C4耦合后进入放大电路的输入端，并且放大电路的输入端分别通过第一分压电阻R5接电压VCC以及通过第二分压电阻R6接地，由第一分压电阻R5 和第二分压电阻R6确定电路的直流偏置。如图14(a)所示，由分压电阻R5，R6确定电路的直流偏置，基准信号Ul经电容C4 耦合后进入放大电路的输入端。调节直流偏置值可使相位控制电路输出一个下降沿在相位 (0°，90° )，一个上升沿在相位(90°，180° )，如附图14(b)所示，或输出一个下降沿在相位070°，360° )，一个上升沿在相位(180°，270° )，如附图14 (c)所示。[0068]如图15(a)所示，由分压电阻R5，R6确定电路的直流偏置，基准信号Ul经电容C4 耦合后进入一个单输入端的施密特放大电路的输入端，此时相位控制电路将输出一个下降沿在相位(0°，90° )，一个上升沿在相位(180°，270° )，如附图15(b)所示。调节分压电阻R5、R6、R7的值，可以改变输出边沿的相位。此处边沿的相位理论上无严格的要求，在实际操作中为了得到较好的效果，建议将相位控制在，50° )， (130°，140° )，(220°，230° )，(310°，320° )，因为此时的基准信号￠/sin(如)处于孜最大的时候，此时容易获得最稳定的输出。这里主要是利用其输出的上升或下降边沿触发后面的信号采集电路。所述的信号采集电路5可以是任意一种时序触发类电路，如D触发器，JK触发器， 单稳触发器等，其特点是以所述的相位控制电路的输出信号“C”作为时钟控制信号，采集所述放大电路的输出信号“B”，并输出结果“U0UT”。如图2、图3所示，所述的信号采集电路5由一个时序触发器N2构成，所述的时序触发器N2有两个输入端，其中一个输入端为数据输入端，接收放大电路3的输出信号B，另一个输入端为时钟输入端，接收相位控制电路4的输出信号C。信号采集电路的主要功能是判断放大电路的输出信号“B”的相位信息。参见图2 的电路原理图以及图9(a)的波形图。可见，当采集信号时，如果电桥中Il < 12，采集电路将输出逻辑“1”，标志被测阻抗值大于平衡点，当采集信号时，如果电桥中Il > 12，采集电路将输出逻辑“0”，标志被测阻抗值小于平衡点。参见图3的电路原理图以及图9(b)的波形图。可见，当采集信号时，如果电桥中Il > 12，采集电路将输出逻辑“1”，标志被测阻抗值大于平衡点，当采集信号时，如果电桥中Il < 12，采集电路将输出逻辑“0”，标志被测阻抗值小于平衡点。综合图2，图3可见，此信号采集电路灵活性大，无特定的输入输出模式限制。如图11所示，所述的信号采集电路5还可以是由一个微处理器N3构成，以相位控制电路4的输出作为微处理器N3的中断输入，在中断时，判断放大电路3输出的相位信息。 (此处使用的是微处理器的最基本的功能，所以可以是任意型号的微处理器，如8051系列、 MSP430系列等)如附图12所示，所述的相位控制电路4和信号采集电路5由一个微处理器N4构成，所述基准信号发生电路1输出的一路基准信号Ul直接输入微处理器N4的ADC转换器输入端，放大电路3的输出信号B进入微处理器N4的任意I/O输入端，由微处理器N4直接控制采集的相位，并进行相位采集。如此可获得高可靠度的检测结果。(具有10-bit ADC 功能的微处理器型号众多，如MSP430系列的MSP430F1122、MSP430F1132等，相对更高级的 C8051F005、ADuC814 带有 12-bit ADC 功能，而 C8051F060、ADuC816 带有 16-bit ADC 可得到更准确的结果)。因为微处理器具有智能处理功能，所以图11、图12中的“U0UT”可以不再输出，而是由微处理器内部对其分析、处理。本实用新型的测量阻抗值的电路关于测量的有益改善1)使用较高精度、高稳定度的基准电容；2)使用稳定性高的，或有稳定性补偿的电桥电路；3)使用较高增益、高稳定性的放大电路；[0081]4)使用多级低增益高稳定的放大电路级联充当所述放大电路；5)为了得到稳定的相位信息，防止电磁干扰对结果的影响，可在“A”、“B”等处加入滤波电路，以去除干扰。本实用新型测量阻抗值的电路，电气结构简单，电路运行可靠，灵敏度高，体积小， 没有特殊的元器件，安装方便，无须调试，有利于实现大规模的现代化流水线作业生产。尽管上面结合如附图对本发明的运行过程进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是最精简及必要的原理性示意，而不是限制性的。本领域的技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权力要求所保护的范围情况下，还可以做出很多有益的保护功能和功能强化，这些均属于本实用新型的保护之内。
权利要求1.一种测量阻抗值的电路，其特征在于，包括基准信号发生电路(1)、电桥电路O)、 放大电路(3)、相位控制电路⑷和信号采集电路(5)，其中，所述的基准信号发生电路⑴ 生成2路对称的交流基准信号(U1、U2)，其中一路基准信号(U2)用以驱动电桥电路O)的一个桥路，另一路基准信号(Ul)用以驱动电桥电路的另一个桥路以及同时用以驱动相位控制电路⑷；所述电桥电路⑵的输出信号为反映待测阻抗值的待测信号(A)，所述的待测信号㈧接入放大电路⑶的输入端；所述的放大电路⑶的输出接在信号采集电路(5) 的数据输入端；所述的相位控制电路⑷的输出接在信号采集电路(5)的时钟输入端；所述的信号采集电路(5)用于在相位控制电路⑷规定的时刻，采集放大电路⑶输出的信号，判断待测阻抗值的状态。
2.根据权利要求1所述的测量阻抗值的电路，其特征在于，所述的基准信号发生电路 (1)产生的信号为周期性对称信号，并且2路对称的基准信号(U1、U2)相位相差180°。
3.根据权利要求1所述的测量阻抗值的电路，其特征在于，所述的电桥电路(2)为平衡电桥，选择变形的惠斯顿电桥或星形电桥，量程阻抗器、基准阻抗器和待测阻抗，分别连接在电桥电路对应的桥臂上，其中量程阻抗器与待测阻抗分别置于相对的两个桥臂上。
4.根据权利要求1所述的测量阻抗值的电路，其特征在于，所述的放大电路(3)选择三极管放大电路或差分仪表放大电路。
5.根据权利要求1所述的测量阻抗值的电路，其特征在于，所述的相位控制电路(4)包括有由运算放大器(Ni)构成的放大电路，其中，所述的运算放大器(Ni)的同相/反相输入端通过第一缓冲电阻R8和第一分压电阻R5的串联接电源VCC，反相/同相输入端通过第二缓冲电阻R9和第二分压电阻R7的串联接地，所述的第一缓冲电阻R8和第一分压电阻R5 的连接端与第二缓冲电阻R9和第二分压电阻R7的连接端之间连接第三分压电阻R6，所述的运算放大器(Ni)的输出端连接信号采集电路(5)。
6.根据权利要求5所述的测量阻抗值的电路，其特征在于，所述的运算放大器(Ni)的同相/反相输入端还通过一电容C4连接基准信号发生电路(1)输出的一路基准信号(Ul)。
7.根据权利要求1所述的测量阻抗值的电路，其特征在于，所述的相位控制电路(4) 包括一个由施密特电路或三极管放大电路构成的单输入端的放大电路，基准信号发生电路 (1)输出的一路基准信号(Ul)经过隔直电容C4耦合后进入放大电路的输入端，并且放大电路的输入端分别通过第一分压电阻R5接电压VCC以及通过第二分压电阻R6接地，由第一分压电阻R5和第二分压电阻R6确定电路的直流偏置。
8.根据权利要求1所述的测量阻抗值的电路，其特征在于，所述的信号采集电路(5)由一个时序触发器(拟)构成，所述的时序触发器(拟)有两个输入端，其中一个输入端为数据输入端，接收放大电路(3)的输出信号(B)，另一个输入端为时钟输入端，接收相位控制电路⑷的输出信号(C)。
9.根据权利要求1所述的测量阻抗值的电路，其特征在于，所述的信号采集电路(5)由一个微处理器(N3)构成，以相位控制电路(4)的输出作为微处理器(N3)的中断输入，在中断时，判断放大电路(3)输出的相位信息。
10.根据权利要求1所述的测量阻抗值的电路，其特征在于，所述的相位控制电路和信号采集电路(5)由一个微处理器(N4)构成，所述基准信号发生电路(1)输出的一路基准信号(Ul)直接输入微处理器(N4)的ADC转换器输入端，放大电路(3)的输出信号(B)进入微处理器(N4)的任意I/O输入端，由微处理器(N4)直接控制采集的相位，并进行相位采集。
专利摘要一种测量阻抗值的电路，由基准信号发生电路生成2路对称的交流基准信号，其中一路基准信号用以驱动电桥电路的一个桥路，另一路基准信号用以驱动电桥电路的另一个桥路以及同时用以驱动相位控制电路；电桥电路的输出信号为反映待测阻抗值的待测信号，待测信号接入放大电路的输入端；放大电路的输出接在信号采集电路的数据输入端；相位控制电路的输出接在信号采集电路的时钟输入端；信号采集电路用于在相位控制电路规定的时刻，采集放大电路输出的信号，判断待测阻抗值的状态。本实用新型结构简单可靠，适用性强，为达到稳定准确的测量效果，只对元件的稳定性有一定的要求，无任何高精度元器件，无须筛选，工艺简单，有利于实现大规模的现代化流水作业生产。
文档编号G01R27/02GK201984111SQ20112004199
公开日2011年9月21日 申请日期2011年2月18日 优先权日2011年2月18日
发明者鲍云竹 申请人:鲍云竹