边缘电场传感器测量系统的研究

论文摘要

边缘电场（Fringing Electric Field, FEF）传感器是一种新型电容式传感器，其电极处于同一平面，具有单边穿透、信号强度可调、层析成像等特点，被广泛应用于工业过程控制中实现对产品的性能，如含水量、多孔性、粘度、密度等非接触测量。本文在分析FEF传感器集总参数等效电路的基础上，建立两种传感器测量模型：浮地电压模型和短路电流模型，给出了两种模型的等效电路和传递函数，推导出极间电容和电导表达式。通过比较两种模型的幅频特性、抗干扰性及电路设计复杂度，选择短路电流模型用于调理电路的设计。基于LabVIEW虚拟仪器开发平台研制了FEF传感器测量系统的软硬件，并进行了测量实验。硬件电路包括驱动电路和调理电路，具有较强的抗杂散电容干扰的能力，可以在宽频率范围内进行扫频测量。设计系统软件实现驱动信号产生、信号的采集、扫频测量、计算和显示等功能。设计6mm波长FEF传感器用于样品含水量测量实验，将测量系统输出结果与LCR-819阻抗分析仪测量结果进行对比，结果表明，研制的测量系统具有较好的灵敏度和低频测量精度。设计以TMS320F28335DSP为核心的FEF传感器测量系统，实现多通道实时测量和控制功能。硬件包括基于DDS的扫频驱动电路、抗干扰信号调理电路、多片高精度ADC组成的同步采样电路、人机接口和上位机接口电路等。为FEF传感器在工业现场应用建立了良好的平台。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 目录
• 插图清单
• 第一章 绪论
• 1.1 FEF传感器简介
• 1.2 国内外FEF传感器测量研究的现状
• 1.3 课题来源和主要研究内容
• 第二章 FEF传感器测量模型
• 2.1 FEF传感器等效电路模型
• 2.1.1 浮地电压模型
• 2.1.2 短路电流模型
• 2.1.3 两种测量模型的对比
• 2.2 小结
• 第三章 基于LabVIEW的FEF传感器测量系统硬件设计
• 3.1 测量系统的组成
• 3.2 驱动电路
• 3.3 信号调理电路
• 3.4 电源电路
• 3.5 调理电路的抗杂散电容与干扰
• 3.6 小结
• 第四章 FEF传感器测量系统软件设计
• 4.1 概述
• 4.2 初始化
• 4.3 驱动信号产生
• 4.4 反馈电容放电
• 4.5 系统测量
• 4.6 小结
• 第五章 测量系统实验
• 5.1 阻抗分析仪测量实验
• 5.2 实验及结果分析
• 5.2.1 在空气中进行测量实验
• 5.2.2 对样本的含水量变化进行测量实验
• 5.2.3 测量系统误差分析
• 5.3 小结
• 第六章 基于DSP的FEF传感器测量系统硬件设计
• 6.1 系统的特点及其总体结构
• 6.2 DSP芯片
• 6.3 信号产生与驱动电路
• 6.4 AD采样电路
• 6.5 人机接口电路
• 6.6 上位机接口电路
• 6.7 掉电检测电路
• 6.8 外部存储器电路
• 6.9 电源电路
• 6.10 小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 硕士阶段撰写的论文