（控制理论与控制工程专业论文）阻容解耦软测量系统的研究与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 电阻和电容是普遍使用的电参数，对其测量方法的研究有着重要的实际意义。但在 测量中，电阻和电容经常耦合在一起，两者互相影响，直接测量时存在困难。论文分析 了阻容耦合情况下传统的电阻电容测量方法，提出将软测量方法用于阻容网络的参数解 耦。阻容解耦软测量系统采用正弦波激励阻容网络，选取激励信号和响应信号作为二次 变量，建立了激励信号、响应信号与电阻参数、电容参数之间的数学模型，应用选频软 测量方法实现了阻容网络的参数解耦。 系统采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型号d s p 作为中央处理器，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 集成 了1 8 ks a r a m 存储器和1 2 8 kf l a s h ，并带有丰富的i o 口和外设资源，能够实现复 杂的计算和数据处理。片上正弦波激励信号源由m a x 0 3 8 及其外围器件实现，可由程 序控制其外接电容的选择实现不同频率的信号输出。a d 转换器采用双通道、单+ 5 v 电 源供电、2 4 位模数转换芯片c s 5 3 6 0 ，以串行数据流的形式交替输出左右通道的转换数 据，完成了对激励信号和响应信号的同步采样。同时设计了两个异步串行通信接口，采 用r $ 4 8 5 标准，实现了与计算机的通信。 软件采用模块化设计，加强了程序的可扩展性。引入p i e 扩展功能，在中断服务程 序中完成a d 转换工作，提高了解耦系统的实时性。同时，为了保证软测量算法输入数 据的可靠性，运用了选频方法、加入了量程自动切换设计和数据转换处理，提高了测量 精度。在设计时加入了错误处理，增强了解耦系统的可靠性和抗干扰能力， 实验证明，电阻参数和电容参数的测量误差均在1 以内。阻容解耦软测量方法解 决了阻容耦合情况下电阻和电容的测量问题，采用软件计算代替了不易进行的直接测 量，获得了良好的测量精度。 关键词：阻容解耦；软测量；正弦激励；d s p 韩慧丽：阻容解耦软测量系统的研究与实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fr e s i s t a n c e c a p a c i t a n c e d e c o u p l i n gs o f t - s e n s i n gs y s t e m a b s t r a c t r e s i s t a n c ea n d c a p a c i t a n c e a r ec o n m l o nu s e de l e c t r i c a l p a r a m e t e r s ，t h es t u d yo f r e s i s t a n c em e a s u r e m e n ta n dc a p a c i t a n c em e a s u r e m e mi so fi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i e a n e e s b u tr e s i s t a n c ea n dc a p a c i t a n c ea r eo f t e nc o u p l e dt o g e t h e ra n di n t e r a c tw i 也e a c ho t h e r w h i c h m a k e st h e md 蠲c u l tt ob em e a s u r e dd i r e c t i y b ya n a l y z i n gt r a d i t i o n a lm e t h o d so fr e s i s t a n c e a n dc a p a c i t a n c em e a s u r e m e n t ，s o f ts e n s i n gi s a p p l i e dt od e c o u p l er e s i s t a n c e c a p a c i t a n c e n e t w o r ki nt h i sp a p e r i nr e s i s t a n c e c a p a c i t a n c ed e c o u p l i n gs o f t - s e n s i n gs y s t e m ，s i n es o u r c ei s u s e d b ye s t a b l i s h i n gt h em o d e lb e t w e e ne x c i t a t i o ns i g n a l ，r e s p o n s es i g n a la n dr e s i s t a n c e p a r a m e t e r , c a p a c i t a n c ep a r a m e t e r , f r e q u e n c ys e l e c t i o ns o f ts e n s i n gt e c h n i q u ei su s e dt or e a l i z e t h ed e c o u p l i n go f r e s i s t a n c ea n dc a p a c i t a n c e t h es y s t e mi sb a s e do n1 s 3 2 0 f 2 8 1 2o ft i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) w j t h1 8 ks a r a m 1 2 8 kf l a s h ，a b u n d a n ti 0a n dp e r i p h e r a lr e s o u r c e s ，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2c a nb eu s e dt or e a l i z e c o m p l e xc o m p u t i n ga n dd a t ap r o c e s s i n g o n b o a r ds i n ee x c i t a t i o ns o u r c ei sr e a l i z e du s i n g i a x 0 3 8p l u ss o m ep e r i p h e r a lc i r c u i t s s i n es i g n a lo fd i f f e r e n tf r e q u e n c yi sg e n e r a t e dw i t h c o r r e s p o n d i n ge x t e m a lc a p a c i t a n c e t h e2c h a n n e l s ，+ 5 vp o w e rs u p p l y ，2 4b i t sa d cc s 5 3 6 0 s a m p l e ss i g n a la n dg e n e r a t e ss e r i a ld a t as e n tt oc p u 1 1 1 cs y s t e ma l s oh a s2a s y n c h r o n o u s s e f i a lc o m m u n i c a 矗o ni n t e r f a c e sb a s e do nr s 4 8 5t oc o m m u u i c a t ew i t hp c o nt h ed e s i g no fs o f t w a r e ，m o d u l a rd e s i g ni sa d o p t e dt oe n h a n c et h e s c a l a b i l i t yo f s o f t w a r e b yu s i n gp i e ，t h ea n a l o gt od i g i 埘c o n v e r s i o ni sr e a l i z e di nt h ei s r 耽e r e f o r e ，t h e s y s t e mc a nr a p i d l yp e r f o r ms i g n a ls a m p l i n ga n dd a t ap r o c e s s i n g t om a k es u r et h a tt h ei n p u t d a t af o rt h es o f ts e n s i n ga l g o r i t h mi sr e l i a b l e ，f r e q u e n c ys e l e c t i o ni si n t r o d u c e d ，a u t or a n g e c i r c u i ta n dd i g i t a lf i l t e r i n ga r ea l s ou s e d e r r o rc o r r e c t i n gi sa l s oa p p l i e dt ot h es y s t e mt o i m p r o v et h es t a b i l i t ya n dt h ea n t i i n t e r f e r ep e r f o r m a n c e t h ee x p e r i m e n tp r o v e st l l a tt h ee r r o ri sb e l o wl r e s i s t a n c e c a p a c i t a n c ed e c o u p l i n g s o f t s e n s i n gm e t h o ds o l v e st h em e a s u r e m e n to fr e s i s t a n c ea n dc a p a c i t a n c ew h e nt 1 1 e ya r e c o u p l e dt o g e t h e ra n da c h i e v e sg o o dm e a s u r e m e n ta c c u r a c y k e yw o r d s ：r e s i s t a n c e - c a p a c i t a n c ed e c o u p l i n g ；s o f ts e n s i n g ；s i n es i g n a le x c i t a t i o n ； d s p 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：堑茎：鲢日期：塑监芏生! 旦 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：筮瑟翻 导师签名： 笠 大连理工大学硕士学位论文 1 概述 1 1 论文的选题依据及意义 电阻和电容作为重要的电参数，与人们的生产生活息息相关，对其测量方法的研究 具有重要的实际意义。但是在测量中，电阻和电容通常耦合在一起，表现为电阻和电容 并联的体系，电阻测量要考虑至0 分布电容的影响，而电容测量要受到介质漏电阻的影响。 传统的电阻电容测量方法是以其中一个参数作为主参数，另一个作为干扰，通过近似、 补偿或滤波等方式减弱干扰的影响，实现主导参数的测量。这样做的目的在于削弱干扰， 而不能从本质上消除干扰。随着生产、科研的不断深化，对电阻测量和电容测量的精度 要求越来越高，因此，有必要研究新的方法，在阻容耦合的情况下实现对电阻参数和电 容参数的测量。 论文旨在解决阻容耦合情况下电阻和电容的测量问题，提出了将软测量技术用于阻 容网络的参数解耦。软测量技术也称软仪表技术，即在待测变量难于直接测量的情况下， 进行与之相关的易测变量的测量，并依据易测变量与待测变量之间的数学关系，建立数 学模型，运用各种数学计算和估计方法，实现待测变量的测量。在高速处理器技术飞速 发展的今天，测控领域中的复杂计算已经成为可能，采用软计算取代不易进行的直接测 量，是测控领域发展的新趋势。将软测量技术用于阻容网络的参数解耦，解决了阻容耦 合情况下电阻和电容的测量问题，提高了测量精度。 1 2 国内外研究现状 目前，对于阻容耦合情况下的电阻和电容的测量，多将电阻和电容建模为理想模型， 选取其中一个参数作为主参数，对主参数进行测量。将交流信号作用于阻容网络进行电 阻测量时，电容的存在对电阻测量的影响更为严重，电导率的测量即为阻容耦合情况下 进行电阻测量最典型的应用。因此，论文将从电导率测量和电容测量两个方面出发，介 绍阻容耦合测量问题的研究现状。 1 2 1 电导率测量 电导率作为重要的电化学分析参数，其测量已经广泛应用于化工、冶金、生物、医 学、粮食和水利等生产与科研部门【l “。按照检测元件和被测溶液的相对位置，电导率 测量主要分为非接触式测量和接触式测量两大类。非接触式电导率测量采用电磁感应原 理，也称电磁式电导率测量，由于检测元件不与被测溶液直接接触，常用于测量强酸、 强碱等腐蚀性液体的电导率【5 8 】。接触式电导率测量依据电解导电原理，将电极插入被 韩慧丽：阻容解耦软澳0 量系统的研究与实现 测溶液中进行测量，也称电极式电导率测量，是目前最常用的电导率测量方法。该方法 采用电阻测量法间接测量电导率，电导池在测量过程中表现为一个复杂的电化学系统， 测量结果主要受极化效应、电容效应和温度三方面的影响【9 ，”。 极化效应包括化学极化和浓差极化。电解过程中，电极与溶液构成电势与外加电势相 反的原电池，从而使电极间的电流减小，溶液等效电阻增加，产生化学极化效应。同时， 与电极接近处溶液的离子浓度很快减少，由于从溶液中供给离子的速率较因电子交换而失 去离子的速率小，导致电极与溶液的接触面之间失去平衡而产生极化效应，称为浓差极化 【1 1 】。电容效应源于双电层电容、电解质电容和电极引线分布电容。对于交流激励，每个周 期内电荷关系都将发生一次颠倒，电极表面交替吸引正负离子，离子在平衡位置处往复振 动，电能主要消耗在这种离子振动所产生的摩擦热上。此时每个电极表面都可以看作有一 个电容在起作用，该电容称为双电层电容。在两个电极之间由于电荷的互相迁移以及电极 对电荷的迁移形成电解质电容。电极引线分布电容在高频激励、引线较长时影响较为严重 1 2 - 1 4 。在电导率的测量过程中，温度会直接影响到电解质的电离度、溶解度和离子浓度，对 测量结果的影响最为严重，但补偿方法通常较为简单，易于实现1 1 5 j 。 上述影响因素中，极化效应可以利用交流激励源作为输入而消除。温度变化对电导率 测量的影响可以通过温度补偿克服。温度补偿的方法很多，如恒温法、手动补偿法和自动 补偿法等。目前最为成熟方法的是测量电导率的同时测量溶液温度，进行查表补偿或公式 补偿。因此，电容效应就成为影响电导率测量的主要因素。为了克服电容效应的影响，人 们提出过很多种测量方法，其中较为成熟的方法有以下几种： ( 1 ) 平衡电桥法 图1 1 平衡电桥法框图 f i g 1 1p r i n c i p l e o f m e t h o d o f e l e c t r i c b r i d g e 早期的电极电导率测量法为w h e a t s t o n e 电桥测量法，如图1 1 所示。r 、胄2 为标准电 f i l l1 1 1r r 2 可调，r 3 为精密可调电阻，可变电容c 用以补偿电极引线分布电容c ，。当外加 大连理工大学硕士学位论文 交流电压作用于电桥时，调节r ，和r 。r ：，使示零装置读数为零，得到如= r ，r 。g ：， 可求出溶液电导率。 交流电桥测量法需要人工调节电位计，使用繁琐，可用于实验室测量，工程上不常使 用。但作为经典电导率钡4 量方法，它为其它的测量方法提供了思路。文献【1 6 】提出了一种改 进的桥路，利用振荡器原理，将得到的电导率转化为已知桥臂电阻值和激励源幅值的函数。 采用三种溶液测试，误差在3 以内。该方法减少了手动操作的复杂性，但精度较低。文献 1 7 用数字电位计取代模拟电位计，利用单片机自动调节电位计，并采用软件实现电容补偿 和温度补偿，但由于需要进行仪器校准，操作起来仍比较繁琐。 ( 2 ) 相敏检波法 图1 2 相敏检波法框图 f 谵1 2p 面c 硼e m r i v ep h a s er e c t i 矗c 撕0 l l 相敏检波法在电导率测量中的应用非常广泛，可用于工业在线测量。图l - 2 为相敏检波 法的原理框图。将振荡器产生的正弦电压加到电导池电极两端，溶液电阻r ，和双电层电容 c ，串联构成一个通道，引线分布电容c ，构成一个通道。在高溶液电阻下或者激励源频率 很高时，c ，容抗足够小，将其忽略，可视为正弦信号通过电阻r ，和电容c ，。由于正弦信 号通过电容会产生9 0 0 的相移，根据这特点，用与输入激励源同相的开关信号控制相敏检 波电路。则经过相敏检波后，通过c ，的一路信号转化为纯交流信号，滤波后无直流分量； 而通过r ，的一路信号由于相对于激励源无相移，正常整流，再经过低通滤波，得到的直流 分量只与r ，有关，由该直流量可以求出电导率。文献 1 8 】采用了相敏检波法测量溶液电导 率，精度可控制在1 以内。但相敏检波法存在固有的缺点，即通过c ，的信号必须和开关 信号绝对相差9 0 0 才能被完全滤除。 ( 3 ) 双脉冲法 1 9 7 0 年，j o h n s o n d e 等最早提出了双脉冲电导率测量方法，并在配有相应接口电路的 小型计算机上进行实验，获得了令人满意的效果。双脉冲法考虑了双电层电容和电极引线 分布电容的影响，如图1 3 所示。对电导池旌加两个持续时间很短的脉冲，两脉冲要求幅度 韩慧丽：阻容解耦软测量系统的研究与实现 为e ，宽度相等，极性相反，并保证脉冲持续时间t 远小于r ，与c 。的乘积且远大于r ，与 c ，的乘积。第一个脉冲t l 开始后，c ，迅速充电，c 。上的电压很小并随时间呈线性增长。 第二个脉冲t 2 开始后极性反转，c ，又迅速反向充电到新的电位，c ，开始放电。在t 2 结 束的瞬间，c 。已完全放电，积累的电荷为0 ，相当于短路；c ，上的电压已稳定，没有电流 流过，相当于断路。此时，池电压全部降落在r ，上，流经电导池的瞬时电流i = e r ，。因 此在t 2 结束时测得的瞬时电流与溶液电导成正比，与c 。和c ，无关，即消除了双电层电容 和引线分布电容的影响【1 9 1 。 脉 岛岛 双冲 乒 极发 t _ q 卜- _ j 性生 c * i 器t 电导池-e 图1 3 双脉冲法框图 f i g 1 3p r i n c i p l eo f m e t h o do f d o u b l ep u l s e 双脉冲电导率测量法i ；勺关键在于脉冲宽度的选择，实际测量时，可根据不同的量程， 由软件控制脉冲的持续时间。由于要保证严格的时间同步性，实现起来对硬件要求高。用 到的模拟开关要具有良好的开关特性和很高的切换速度。使用的运放要求失调电压、失调 电流、漂移和噪声尽可能小，尤其要求高速，能够瞬时跟随电导池电流的变化，造价较高踟。 ( 4 ) 动态脉冲法 图1 4 动态脉冲法框图 f i g 1 4p r i n c i p l eo f m e t h o do f d y n a m i cp u l s e 图1 4 为动态脉冲电导率测量法的原理框图。r ，和。的并联电路是电导池的简化等效 模型。信号源为脉冲激励源，幅值为e ，冠为取样电阻。设所施加的脉冲宽度为丁，当7 1 足 r | 群 和殛一 大连理工大学硕士学位论文 够长时，输出电压v 达到某一稳定值。此时。c ，相当于开路，输出电压y 只与溶液电阻r 。 有关，分布电容c ，的影响可消除。但由于极化作用的存在，使得到的电阻r ，包含了极化 阻抗，因此要设法消除极化效应。研究发现，对于一定的溶液，当y 小于某一特定值时， 溶液将不会发生极化现象【2 l 】。因此，当脉冲电压幅度减小到一定值时，可认为消除了极化 效应。 文献 2 2 中介绍的智能工业电导率测量方法是基于动态脉冲原理，最初为解决火电厂 高纯水电导率测量而提出的，已经成功的应用到实际当中。测量关键在于脉冲激励的选择， 要求脉冲激励持续时间在满足消除分布电容影响的前提下，要尽可能短，而且幅度要尽可 能小，以便消除极化效应。因此，动态脉冲法对激励源要求较赢同时要求测量电路具有较 高的速度和精度。测量过程实际上就是脉冲选择的过程，通常采用软硬件相结合的方式进 行。较常用的方法是以d a 转换器作为激励源的载体，采用半搜索法或实验确定法选取脉 冲特性】。因此，动态脉冲法不适用于实时性要求高的场合。 ( 5 ) 频率法 频率法的基本原理是将溶液电导转化为频率信号，测量频率信号求得电导。设计关键 在于电导到频率的转化。文献【2 4 】采用方波发生器的原理进行电导到频率的转化，转化后得 到的方波频率与溶液的电导率成正比。文献 2 5 】采用振荡器原理进行钡4 量，图1 5 为该方法 的原理图。运用7 5 5 5 定时器、电导池c e 、定时电容c ，、开关晶体管t 1 构成多谐振荡电 路。分析电路工作原理得到，= 0 7 2 2 r 。c r = k 。g o ) 。式中g o ) = 1 如为电极实测的电 导值，k 。= o 7 2 2 c ，为电导频率转换系数。输出频率，与电导g ( r ) 成正比，实现了电 导率到频率的线性转换。 图1 5 频率法框图 f 塘1 5p r i n c i p l eo f f r e q u e n c ym e t h o d 韩慧丽：阻容解耦软测量系统的研究与实现 频率信号与电极电阻成反比，即高阻低频，低阻高频，因此频率法能够根据待测电极 电阻大小实现自动变频，在一定意义上抑制了极化效应和电容效应。由于频率信号适合远 距离传输，因此频率法同其它测量方法相比，提供了高精度、远距离的数据传输方式，可 以简化测量仪表的结构，降低成本。但由于转换器的频率输出范围为1 1 0 k h z 时，其输出 频率的线性度最为理想，因此测量时有必要根据不同的电导率测量范围，选择具有相应电 极常数的电极，目的在于使实测值在l k ( 卜1 m n 之间，为测量造成不便。 方波激励选频法 文献【2 6 】实际上给出了一种方波激励的电导率软测量方案，测量电路原理框图如图1 6 所示。将幅值一定、频率为厂的正负脉冲激励源作用于电导池，产生的交流信号经过缓冲、 整流、滤波后得出直流电压响应信号矿，推导出v 与r ，、c ，和厂的函数关系 v = f 伍，c ，f ) ，在测量矿的两组值后，通过不动点迭代法解方程组求得溶液电导率。 该方法将电导池的激励响应看作溶液电导( 被测量) 和引线分布电容( 噪声) 的函数， 把噪声c ，建入数学模型，通过估计噪声以消除噪声，避免了直接测量时电容c ，的影响， 提高了测量精度。当激励源频率与r ，和c ，构成的阻容网络的固有频率相匹配时，振荡效 果最为明显，所以激励源的两个频率应选择在该固有频率附近，且保证一定的区分度。在 振荡波形有效的前提下，可适当提高激励源频率，削弱双电层电容的影响。同时引入在线 温度测量，在单片机内根据温度拟和公式进行温度补偿，消除了温度的影响。 图1 6 方波激励选频法框图 f i g 1 6p r i n c i p l eo f m e t h o do f s w e e p i n gs i n ee x c i t a t i o n 1 2 2 电容测量 电容测量的主要应用领域有：两相流的相浓度检测、物位检测、水分检测、压力检测、 温度检测、位移检测等田- 2 9 1 。影响电容测量准确性的因素主要有：温度影响、电容电场边缘 效应影响、寄生电容影响和电容漏电阻影响。温度影响主要是由于环境温度变化时，电容 6 大连理工大学硕士学位论文 器的尺寸发生变化，从而引起电容量变化，导致测量误差。边缘效应的影响相当于被测电 容并联了一个附加电容，导致测量的灵敏度下降和非线性增加。测量时，极板与周围体( 各 种元件甚至人体) 也产生电容联系，这种电容称为寄生电容。寄生电容极不稳定，它不但 改变了电容量，而且带来了测量的不确定性。电极引出线会产生分布电容，给测量带来影 响。同时，由于元件制造工艺的原因，实际电容器不可避免的存在漏流，即相当于在电容 两端并联了一个电阻，称为漏电阻。在精密测量中，必须考虑电容漏电阻的影响。 电容测量的上述影响因素中，温度影响可以通过补偿消除。较为普遍的抑制寄生和分 布电容的方法有：等电位环屏蔽法、低电容双屏蔽法、集成化以及电缆驱动技术等等。但 是，在当前的电容测试方法中，一般均将电容器建模为理想情形，并未考虑电容漏电阻的 存在，这势必影响电容测量精度。因此，在对电容进行精密测量的场合，需要讨论电容漏 电阻的影响刚。 目前，较为常用的电容测量方法主要有以下几种： ( 1 ) 谐振法 图1 7 谐振法框图 f i g 1 7p r i n c i p l eo f m e t h o do f r e s o n a n c 圮 谐振法测量电容可分为并联谐振法和串联谐振法。并联谐振法是在被测电容c ，( 常常 伴随有一漏电阻r ，) 两端并联一个固定电感工，并加一可变频率的电源进行激励。调整信 号源频率，使电路发生谐振。谐振时，c ，呈现的容抗和三呈现的感抗相等，从而可求得c 。 串联谐振法与并联谐振法的原理类似，图1 7 为串联谐振法的原理图。由已知电感l ( h ) ， 电阻r ( q ) 和待测电容c ，( f ) 组成振荡电路，改变信号源频率使r l c 回路谐振，当频 率为厂( 乜) 时电压表上指示最大，则c ，由下式求出。 q = 砑瓦1 韩慧丽：阻容解耦软澍量系统的研究与实现 谐振法测电容的优点是，频率范围宽，可从几百k h z 到几百m h z ；适合实验室测量； 可用于小电容测量。但是，线圈和引线的分布电容、电压表的输入电容、信号源频率的波 动和读数精度都对测量结果有较大的影响。另外，该方法不能自动测量，因此不适用于在 线测量d 1 捌。 ( 2 ) 振荡法 图l t8 振荡法框图 f i g 1 8 p r i n c i p l eo f m e t h o d o f s u r g e 振荡法的原理将对c ，的测量转化成对与之相关的振荡频率的测量。而振荡频率的测量 可以用计数器，也可以用频率电压转换积分器实现。振荡法又分r c 和l c 两种。前者简单， 但抗寄生电容能力差，振荡频率稳定性差，对小电容变化灵敏度低。后者测量范围可以从 几百k h z 到几百m h z ，比较适合高损耗材料的电容。 振荡法的关键在于c - t 变换电路。图1 8 为一种c - t 变换电路的原理图，图中a 、b 为c m o s 与非门，c f 为被测电容，r 为标准电阻，r 。为保护电阻，k 为启振键控端。当 r ， r 。时，阀电压巧，= 。2 ，振荡周期为t “2 r o q l n 2 * 1 4 r 。c ，实现了电容参数 到频率参数的转化m 朋。 ( 3 ) 交流电桥法 大多数传感器是将外界待测的非电物理量转换为传感器的电阻、电容或电感量的变化， 在这些传感器的测量电路中，电桥被广泛地用来将这些电阻、电容或电感的变化量转换为 电压( 电流) 量输出，进而达到测量的目的。较低工作频率下最常采用交流电桥法即a c 桥路法实现电容变化的精确测量。这种方法将电容传感器作为桥臂接入电桥，另一个桥臂 用标准电容实现参比，也可以采用差动电容，分别作为比例桥臂，可以进一步提高测量的 灵敏度，减小非线性度的影响郾翊。 a c 桥路的优点是选用器件少，电路简单，易于小型化。缺点之一在于远离平衡位置时 非线性较大，输出阻抗很高，输出电压很小，难于测量。但由于电子元器件性能的提高， 大连理工大学硕士学位论文 制作高阻抗、低漂移放大器的困难已不是很大，a c 桥路可用于高精度测量。缺点之二在于 桥路法需要人工调节，较为繁琐。 ( 4 ) 充放电法 充放电法的基本原理如图1 9 所示。其中，k 1 、k 2 、1 3 、k 4 为c m o s 模拟开关，受 时钟脉冲控制。k 1 与k 3 同相，k 2 与k 4 同相且与k 1 、k 3 反相。其工作原理为：在充电 过程中，k 1 与k 3 导通，k 2 与k 4 断开，被测电容c 。被充电至，它所具有的电量为 q = p o c 。；在放电过程中，k 1 与瞄断开，k 2 与k 4 导通，流经电荷检测器的平均电流 为，。= q ，= 矿。c ，f ，经电荷检测器进一步转换和平滑后，得到直流电压为 = ，丑r = p c ，丑，因此推得电容量为 c 。：一! ，l 4 y w r f f 由上式可知，要想提高灵敏度，只要提高月，、p 0 、f 中的任意参数d 绉8 】。充放电法 的优点在于结构简单，易于实现低漂移；可自动检测，无需人工干预；开关工作频率可高 达数兆赫，测量准确度高；几乎不受被测电容中的漏电阻r x 的影响。但是，用该方法测量 时，寄生电容对测量结果的影响较为严重【3 喇日。 口_ _ _ ” 图1 9 充放电法框图 f 酶1 9p r i n c i p l eo f m e t h o do f c h a 噼 1 3 论文的主要工作 论文在分析阻容耦合情况下传统的电阻电容测量方法的基础上，提出了采用软测量 方法解决阻容解耦问题。论文的主要研究内容如下： 韩慧丽：阻容解耦软测量系统的研究与实现 第二章为阻容解耦软测量方法。首先介绍了软测量方法的概念并从二次变量的选 择、软测量模型的建立和输入数据的处理三个方面讨论了软测量算法的实现过程。接下 来分析了阻容网络的特性，选取阻容网络的激励信号与响应信号作为二次变量，建立了 激励信号、响应信号与电阻参数、电容参数之间的数学模型，并提出选频方法、数据转 换、量程自动切换等方法提高了软测量方法输入数据的可靠性与稳定性。 第三章详细介绍了阻容解耦软测量系统的硬件设计。阻容解耦软测量系统在硬件电 路设计上共分为6 大部分，分别为：电源设计、1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器设计、a d 转换 设计、激励信号源设计、量程自动切换电路设计和r s 4 8 5 通信接口设计。结合原题图讨 论了各部分设计的原理和具体实现方案，并给出了部分的底层驱动程序。 第四章具体阐述了阻容解耦软测量系统的软件设计。解提系统软件采用模块化设 计，加强了程序的可扩展性。为了提高实时性，充分利用了t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 的p i e 扩展 功能，完成了对m c b s p 、s c i 、c p u t 椭e r 等外设的处理。 第五章给出了阻容解耦软测量系统对电阻参数和电容参数的测量结果。 最后，对阻容解耦软测量系统的设计思想及特点进行了总结，并对阻容耦合情况下 电阻和电容的测量进行了展望。 大连理工大学硕士学位论文 2 阻容解耦软测量方法 2 1 软测量技术概述 软测量技术也称为软仪表技术，即在待测变量难于直接测量的情况下，进行与之相关 的易测变量的测量，并依据易测变量( 常称为辅助变量或二次变量) 与待测变量( 常称为 主导变量) 之间的数学关系，建立数学模型，通过各种数学计算和估计方法，实现待测变 量的测量【4 1 ，4 2 j 。软测量算法的具体实现过程包括二次变量的选择、数学模型的建立和输入数 据的处理三个方面。 2 1 i 二次变量的选择 二次变量的选择包括变量类型、变量数目和检测点位置三方面的选择。这三个方面相 互关联、互相影晌，由钡4 量模型特性决定，此外还受设备价格、可靠性和安装维护的难易 程度等外部因素制约网。 二次变量的选择应结合测量机理，深入了解实际情况，满足以下几个方面的要求： ( 1 ) 灵敏性，即对输出能做出快速反应； ( 2 ) 特异性，即对输出之外的干扰不敏感； ( 3 ) 适用性，即可直接测量并具有一定的测量精度； ( 4 ) 精确性，即构成的数学模型能满足精度要求； ( 5 ) 鲁棒性，即构成的数学模型对误差不敏感。 二次变量数目的下限是被估计的变量数。二次变量的最佳数目则与过程的自由度、测 量噪声以及模型的不确定性有关。选择时应从系统的自由度出发，确定二次变量的最小数 目，结合具体过程的特点适当增加。 二次变量检测点位置一般应选择最能代表对象特性的位置，检测点位置的不同将直接 影响数学模型的结构和参数。因此，当模型确定后，检测点位置不能随意变动。 2 1 2 软测量模型的建立 由于软测量技术是依据某种最优化准则，利用由辅助变量构成的可测信息，通过软件 计算实现对主导变量的测量，其核心是表征辅助变量和主导变量之间数学关系的软测量模 型。因此，软测量的本质就是软测量模型的建立问题。一般而言，建立软测量模型的方法 包括：机理建模法( “自箱”问题) 、辨识建模法( “黑箱”闯题) 及机理建模与辨识建 模相结合的方法( “灰箱”问题) 4 4 1 。 韩慧丽：阻容解耦软测量系统的研究与实现 基于机理建模的方法是软测量建模的常规方法。在全面深刻地了解测量机理后，就可 以根据相关机理列写平衡方程式，找出不可测主导变量与可测辅助变量之间的数学关系， 建立估计主导变量的机理模型，从而实现某一参数的软测量。基于机理建模的优点在于， 所建立的模型有明确的物理意义，可以充分利用已知的知识，从事物的本质上认识外部特 征，适用范围较广，外推性能好。但是，对于复杂的测量过程，其内在机理往往不十分清 楚，完全依赖于机理分析进行建模比较困难。 辨识建模是把辅助变量和主导变量组成的系统看成“黑箱”，以辅助变量作为输入， 主导变量作为输出，通过现场采集、流程模拟或实验测试，获得试验过程的输入输出数据， 以此作为依据建立软测量模型。辨识建模的方法主要包括：基于回归分析的辨识建模、 基于状态估计的辨识建模、基于人工神经网络的辨识建模和基于模糊数学的辨识建模。 回归方法是辨识建模的基本方法。以最小二乘原理为基础的一元和多元线性回归技术 已相当完善，对于辅助变量较少的情况，一般采用多元线性回归中的逐步回归技术可获得 较好的软测量模型。对于辅助变量较多的情况，通常要借助机理分析，首先获得模型各变 量组合成的大致框架，然后采用逐步回归方法获得软测量模型。 若已知系统状态空间模型，而主导变量作为系统的状态变量对辅助变量是完全可观的， 则构造软测量模型问题就转化为典型的状态观测和估计问题。k a l m a n 滤波器和l u e n b e r g e r 观测器是解决上述问题的有效方法。基于状态估计的软测量方法可以反映主导变量和辅助 变量之间的动态关系，有利于处理各变量间动态特性的差异和系统滞后等情况。但是对于 复杂的工业过程，很难建立系统的状态空间模型，在一定程度上限制了该方法的应用。 近年来，神经网络方法特别是前向神经网络方法发展很快，在工程中获得了广泛的应 用。理论上，在不具备对象先验知识的条件下，如果将辅助变量作为人工神经网络的输入， 而待测变量作为网络的输出，再构造足够的理想样本，通过网络学习就可以获得软测量的 人工神经网络模型。由于人工神经网络具有自学习、联想记忆、自适应和非线性逼近等功 能，所以模型的在线校正能力强，可以适用于高度非线性和严重不确定性系统，是解决复 杂系统过程参数软测量问题的一种较为理想的方法。但该测量技术不是万能的，在实际应 用中，网络学习训练样本的数量和质量、学习算法、对网络的拓扑结构和类型的选择都对 所构成的软仪表的性能都有重大的影响。 模糊数学模仿人脑逻辑思维特点，是处理复杂系统的一种有效手段，在软测量中也得 到了大量的应用。基于模糊数学的软测量所建立的相应模型是一种知识性模型。这种软测 量方法特别适用于复杂工业过程中被测对象呈现出不确定性、难以用常规数学定量描述的 场合。实际应用中常将模糊技术和其它人工智能技术相结合，这样可以相互取长补短，提 高软测量仪表的性能。 大连理工大学硕士学位论文 辨识建模能够应用在复杂的测量之中，但是测量时具有一定的不确定性，在现场测试 和实施中也有较大的难处。把机理建模与辨识建模结合起来，可兼容两者之长，补各自之 短。两者相结合时，由机理出发，通过计算或仿真，得到大量输入数据，再采用辨识方法 得到模型。主体上按照机理建模，实际测量出部分参数；通过机理分析，把变量适当结合， 得出数学模型的函数形式，由于具有模型结构，可以容易地进行参数估计，同时减少了自 变量的数目。 2 1 3 输入数据的处理 在软测量方法中，主导变量通过二次变量间接得出，输入数据的正确性和可靠性直接 关系到软测量方法的输出精度。但是，输入的辅助变量参数常因自身特点或外部干扰而引 起误差，不能直接用于软测量。因此，有必要对输入数据进行预处理。输入数据处理主要 包括数据变换和误差处理两部分【4 5 】。 数据变换影响着测量模型的精度和非线性映射能力以及数值算法的运行结果，数据变 换包括标度、转换和权函数三个方面。软测量方法中各种辅助变量往往具有不同的工程单 位，变量之间在数值上可能相差几个数量级，直接使用这些数据进行计算可能会影响数学 模型的计算精度，因此应利用合适的因子进行标度变换，以便改善算法的精度和稳定性。 转换包括直接转换和寻找新变量代替原变量两种方式，通过转换可有效地降低原对象的非 线性特性。权函数可实现对变量动态特性的补偿。 软测量方法的实现过程中，融合了大量的现场数据，数据的失效很可能导致系统整体 性能的下降。因此，对输入数据进行误差处理是实现软测量方法不可缺少的一步。误差主 要分为系统误差和随机误差两大类。系统误差是指在多次测量同一物理量的过程中，保持 不变或以可预知方式变化的测量误差的分量。系统误差主要来源于仪器的固有缺陷、实验 理论近似性或实验方法的不完善性、环境因素的影响等。系统误差一般应通过校准测量仪 器、改进实验装置和实验方案、对测量结果进行修正等方法加以消除或尽可能减小。随机 误差是指在多次测量同一被测量的过程中，绝对值和符号以不可预知的方式变化着的测量 误差的分量。随机误差是实验中各种因素的微小变动引起的，主要包括：实验装置的变动 性、实验条件和环境因素的变动性。这些因素的共同影响使测量结果围绕测量的平均值发 生涨落变化，这一变化量就是各次测量的随机误差。随机误差的出现，就某一测量而言是 没有规律的，当测量次数足够多时，随机误差服从统计分布规律，可以用统计学方法估算 随机误差。对于随机误差，常采用数字滤波法减弱其对测量结果的影响，如高通滤波、低 通滤波和移动平均值滤波等。 韩慧丽：阻容解耦软测量系统的研究与实现 2 2 软测量技术用于阻容解耦 由于阻容耦合情况下电阻和电容不易直接测量，需要通过相关易测变量的测量，间接 实现阻容解耦。因此，将软测量技术用于阻容网络的参数解耦，是解决阻容耦合测量问题 的适宜选择。阻容解耦软测量系统采用正弦波激励阻容网络，选择激励信号和响应信号作 为二次变量，通过建立激励信号、响应信号与电阻参数、电容参数之间的数学模型，采用 数学计算与估计方法，实现阻容参数的解耦测量。图2 1 为阻容解耦软损量方法的模型框图。 r r 图2 1 阻容解耦软测量方法模型图 f i g 2 1m 砌0 f r e s i 蛐- c a p a c i t a n c ed e c o u p l i n gs o f t - s e n s i n gm e t h o d 其中，“；为激励信号，“。为响应信号，墨为取样电阻，r 。和c 。分别为待测的电阻参 数和电容参数。激励信号与响应信号均为正弦电压信号，电压信号是目前最常用的电参数， 测量技术最为成熟。同时，电压信号可以方便地进行整流、滤波等处理，并能够直接与a i d 转换器相连，得到数字信号在c p u 中进行复杂处理。 将软测量方法应用于阻容网络的解耦处理，主要采用机理分析法建立数学模型。根据 阻容网络的特性，当采用频率为厂的正弦波激励阻容网络时，得到的甜。和”。的关系如式2 1 所示， t i lr 1 + r 。| c 。= 杀筹滁矗 眨z ， ( r 。+ b ) + ，2 习墨q 取阻容网络的幅频特性进行分析，得到式2 2 ， ( 2 2 ) 由于激励信号和响应信号均为正弦波，设u 为激励信g - u 。的最大值，u 。为响应信号“。 的最大值，得到 大连理工大学硕士学位论文 为了简化处理，令 矿一 u fr 1 2 + ( 2 班。r ，c ) 2 v ( 胄，+ r 。) 2 + ( 2 ，灭，皿c 。) 2 m = r l + r j 玎= 马r ，c ， ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 得到关于m ，h 的表达式 u 0 2 聊2 + 4 万2 帆2 一u i 2 沙2 z ：以2 r 2 ( 2 6 ) 式2 6 建立了m 、n 与q 、u o 的关系，即电阻参数r 一电容参数e 与激励信号”。、 响应信号之间的数学关系。激励信号最大值u 。、响应信号最大值u 。能够直接测出，可作 为已知量估计足和t 。考虑到一个方程不能求得两个未知数，有必要建立方程组。当采用 两个频率不同、幅值相同的信号激励阻容网络时，可以得到关于m ，h 的二元二次方程组 ( 2 7 ) 玑，、u o ：分别为激励信号频率为 、厶时响应信号的最大值。观察得到的方程组，可 知虽然表达式含有m 、h 的平方项，为二次方程组，但由于该方程组不包含m 与疗的乘积 项，所以等同于实际意义上的二元一次方程组。当激励信号频率z 、不已知时，只要测得配、 u 。l 、u 口2 ，就可以通过方程组2 7 解