非電材料的阻抗檢測裝置設計

摘 要：采用平面散場式電容傳感器，結合阻抗檢測專用芯片AD5933，精確測出1Hz-100KHz激勵頻率范圍內待測樣品的阻抗，LCD1602實時顯示阻抗信息，MC9S08AC60微控制器全面分析和處理各個頻率點的阻抗值，并完成整個系統的協調和控制任務。

關鍵詞；非電材料；阻抗檢測；平面散場式電容傳感器；阻抗檢測芯片

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 22-0000-01

非電材料在工業、農業和日常生活中被廣泛應用，按照狀態可分為固體、液體和氣體材料，深入研究其特性將對該類材料的加工生產、合理利用、提高經濟效益和社會效益等方面產生積極作用。目前非電材料的檢測方法有感官檢驗法、紫外可見分光光度法、熒光分析法、氣象色譜法等。

一、非電材料檢測原理與系統總體設計方案

由于不合格的非電材料其內部含有的各種重金屬、細菌、病毒、有害化學物質等，根據這些特性，可以考慮采用測量樣品在一定激勵頻率信號下的阻抗的方法來鑒別。

在阻抗測量方法中，傳感器采用易于制作、清洗和重復使用的電容式傳感器。為了提高阻抗測量的精度，盡可能減少外界因素對測量系統的干擾，本課題采用ADI公司生產的阻抗測量專用芯片AD5933作為整個檢測電路的核心。檢測數據通過小體積、低功耗、通用的LCD1602實時顯示。采用飛思卡爾半導體公司生產的MC9S08AC60微控制器完成整個系統的阻抗數據采集、處理、數據顯示等任務。系統框圖如圖1所示。

二、矢量電壓電流法測量阻抗

矢量電壓電流法是基于現代電子計算機技術的一種數字測量方法，是將測試信號電壓加到被測件，測量信號電流流過被測件，然后由電壓和電流矢量之比計算測試端阻抗。矢量電壓電流的方法利用傅立葉變換，將采集到的一系列時域信號映射到頻域，在頻域中給出信號之間關系的數學描述。在阻抗測量中需要表示激勵電流（輸入）和電壓響應（輸出）之問的關系。如果系統是線性的，測得的時域電壓和電流的傅里葉變換的比值就等于其阻抗，且它可表示成一個復數。

然而在實際測量中，激勵信號往往不是純正弦，會產生失真。利用離散傅立葉變換（DFT）可將采樣信號分解為基波分量和諧波分量，對信號進行頻譜分析，提取有用信號。本設計中選用的DSP的特殊總線結構和特殊指令使得FFT算法實現起來非常簡單。

設阻抗Z=U/I=R+jX，激勵信號i（t），u（t）為阻抗端電壓信號。對i（t），u（t）進行等間隔同步采樣，得采樣序列{u（u），i（n）}，0≤n≤N-1（N為采樣點數）。對{u（u），i（n）}進行離散傅立葉變換（DFT），得

I（K）同理。由上式可看出通過離散傅立葉變換（DFT）后采樣信號被映射到頻域，分解為基波分量和具有基波頻率整數倍的諧波分量。計算中只保留基波分量，濾掉諧波分量。

三、阻抗測量電路設計

本設計采用平面散場式傳感器，采用阻抗測量專用芯片AD5933，其內部結合了直接數字頻率合成（DDS）、模數轉換、模擬信號處理技術和數字信號處理技術，從而為精密阻抗測量提供了一種超小型集成解決方案。外加少量元件，使用MCU對其內部寄存器進行簡單配置就可以直接讀出阻抗的實部和虛部，可以實現高精度、高穩定度阻抗測量。

四、結束語

非電材料阻抗檢測裝置通過測量一定激勵頻率下樣品的阻抗值，進而判斷該材料品質是否符合要求。設計完成的非電材料阻抗檢測裝置，能夠實現一定激勵頻率下非電材料阻抗的檢測。根據平面散場式電容傳感器獨有的幾何特點，推測經過少量修改即可完成液體和粉塵固體的阻抗檢測，由于能力有限，本設計在某些方面還存在著不足和需要加以改進的地方。

參考文獻：

[1]馬立新，陶鵬舉.局部放電超聲波定位智能算法的研究[J].無線通信技術，2013（01）.

[作者簡介]徐振宇（1970.05-），男，講師，本科，研究方向：電子技術。