一种基于随机解调器的阻抗测量方法技术

本发明专利技术涉及一种基于随机解调器的阻抗测量装置及方法，其特征在于包括以下过程：对待测阻抗元件施加正弦电压激励，通过电流‑电压转换电路将通过阻抗元件的电流信号转换为电压信号；该电压信号通过两路开关被随机调制，经过低通滤波器后，由A/D转换器进行低速采样，得到低速采样序列；利用该低速采样序列在上位机上进行信号重建，得到电流‑电压转换电路输出的电压信号的功率谱信息，进而得到信号幅值、相位和元件阻抗值，实现基于随机解调器的阻抗测量。上述方法实现了当ADC采样频率低于被采样信号频率时的阻抗测量，不需要乘法器，仅需要电子开关、低速模数转换器等低功耗器件，具有成本低、功耗低、资源消耗少、实现简单的特点，具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于随机解调器的阻抗测量方法
一种基于随机解调器的阻抗测量方法，属于分布参数测量领域。
技术介绍
阻抗是元器件和材料的固有属性，也是与电路相联系的基本参数。阻抗测量不仅本身是电测领域的重要内容，而且通过对阻抗参数的测量往往可以间接实现对其他许多物理量的快速测量；如工程中常用的位移、温度、压力、速度、流量等传感器，其原始信号大多是电容、电阻或电感等阻抗参量。随着新检测技术的快速发展，从上世纪80年代开始，阻抗测量技术被迅速扩展到生物医学、电化学、电力控制、大规模集成电路制造、空间技术等领域。如目前生物医学领域，利用生物组织与器官的电特性及其变化规律提取人体生理、病理状况等(SegalKR,BurasteroS,ChunA,etal.Estimationofextracellularandtotalbodywaterbymultiple-frequencybioelectrical-impedancemeasurement[J].TheAmericanjournalofclinicalnutrition,1991,54(1):26-29)；在电化学领域，通过测量材料或装置的阻抗对其进行损伤监测研究等(WenzlTG,MoroderC,TrachternaM,etal.EsophagealpHmonitoringandimpedancemeasurement:acomparisonoftwodiagnostictestsforgastroesophagealreflux[J].Journalofpediatricgastroenterologyandnutrition,2002,34(5):519-523.)；在电力控制领域，通过快速测量电力线的输入阻抗、调节有源滤波器，可防止电网发生振荡，保证电力传输的质量等(YangL,RuanC,LiY.DetectionofviableSalmonellatyphimuriumbyimpedancemeasurementofelectrodecapacitanceandmediumresistance[J].BiosensorsandBioelectronics,2003,19(5):495-502.)；而在工业自动化检测领域，阻抗测量系统不仅要求具有高精度、宽量程、宽频带测量的能力，还要求设备体积小、功耗低、操作方便，同时要具有毫秒级的测量速度、快速构成自动测量系统的能力(YorkT.Statusofelectricaltomographyinindustrialapplications[J].JournalofElectronicImaging,2001,10(3):608-619.)。传统的阻抗测量方法包括交流电桥法、谐振法和电压电流法等。AgilentTechnologies,Inc.在其2006年获得的专利“Impedanceanalyzer”中(USPatant：7,161,358)，阐述了一种阻抗分析仪的构造方法。其研制的阻抗分析仪器具有较高的测量精度，但结构复杂，不适于与具体工业过程结合并应用；Coster等在其2007年获得的专利“Systemforcompleximpedancemeasurement”(USPatant：8,519,719)阐述了一种复阻抗参数测量系统；Drimusz等在其2008年获得的专利“Impedancemeasurementsystemandmethod”(USPatant：8,242,792)阐述了一种开关切换式直流激励测量阻抗系统和方法；Pinter等在其2009年获得的专利“Impedancemeasurementcircuitandmethod”(USPatant：8,831,898)中阐述了一种由激励电流源、电压测量装置和处理器组成的阻抗测量电路；MortaraInstrument,Inc.在其2013年获得的专利“Impedancemeasurementsystem”(USPatant：9,113,805)中，阐述了一种用于监测生物阻抗测量电极状态的阻抗测量系统与方法。可以看到，阻抗测量方法在各个领域都受到了很大的重视，但均未能实现简单有效的宽频阻抗测量。阻抗测量属于先激励再解调的测量方式，正弦信号的幅值相位解调是交流阻抗测量方法的重要过程，根据信号解调方法的不同又可以分为模拟式和数字式。D.P.Blair等人在1975年发表于JournalofPhysicsE:ScientificInstruments杂志，第8期，第8卷，第621页，题为“Phasesensitivedetectionasameanstorecoversignalsburiedinnoise”的论文，介绍了模拟解调方法。其主要利用模拟乘法器实现测量信号与参考信号的乘积运算，利用模拟低通滤波器实现二倍频交流分量的滤除，利用低速直流耦合方式模拟--数字转换器(AnalogtoDigitalConverter，ADC)来实现直流最终解调信号的采集。MikeL.Meade在其1983年发表的专著“Lock-inamplifiers:principlesandapplications”中进一步阐述了模拟解调方法。W.Q.Yang在1999年发表于MeasurementScienceandTechnology杂志，第3期，第7卷，第225-232页，题为“Hardwaredesignofelectricalcapacitancetomographysystems”的论文中，将模拟信号解调方法应用于电容测量中。对于模拟解调技术来说，由于低通滤波器响应时间的限制，为了得到更加稳定的解调结果，整个解调过程往往需要很长的时间来达到稳定状态(一般需要数十个完整信号周期以上)。近年来，随着数字信号处理器技术和微电子技术的发展，数字相敏解调技术受到了越来越广泛的关注。与模拟相敏解调不同，数字相敏解调利用高速ADC直接对调理后的测量信号进行采样，之后利用先进的数字信号处理方法在数字器件中实现信号的解调。ZiqiangCui等人在2011年发表于MeasurementScienceandTechnology杂志，第5期，第22卷，题为“Ahigh-performancedigitalsystemforelectricalcapacitancetomography”的论文中，以及Haili,Zhou等人在2013年发表于MeasurementScienceandTechnology杂志，第7期，第24卷，题为“Acomplexprogrammablelogicdevice-basedhigh-precisionelectricalcapacitancetomographysystem”的论文中，分别将数字式测量方法应用与电容测量中，取得了良好的效果。传统的模拟解调技术实现硬件结构复杂，解调速度慢。数字式解调方法虽然结构简单，但是需要用到高速ADC进行数据采集。根据香农采样定律，需要使用信号带宽2倍以上的采样率进行采样，才能获得该信号的全部信息。因此上述测量技术存在难以实现宽频测量、采样速率要求高、数据存储空间要求大等缺点，愈来愈难以适应当今科技及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于随机解调器的阻抗测量装置及方法，其特征在于包括下列步骤：A.利用由DDS数字波形合成器101、D/A转换器102和低通滤波器103组成的信号源发生器1，产生正弦激励信号Vi(t)；利用DDS数字波形合成器101在FPGA芯片内合成数字波，经过D/A转换器102把数字波转变成模拟波后，通过低通滤波器103滤除杂波，得到稳定的正弦电压激励信号Vi(t)；B.利用电流‑电压转换电路202，获得与待测阻抗元件201的值成比例的电压信号x(t)；对待测阻抗元件201施加正弦电压激励信号Vi(t)，通过电流‑电压转换电路202将经过待测阻抗元件201的电流信号转换为电压信号x(t)，计算公式为：式(1)中，Cx为被测电容，Rf和Cf分别代表反馈电阻和反馈电容，ω代表正弦激励信号Vi(t)的角频率，t为时间；C.对电流‑电压转换电路202输出的电压信号x(t)利用随机解调器3进行压缩采样，获得采样序列y[m]，其硬件电路对信号的操作包括以下三个部分；首先，在FPGA芯片内的伪随机序列发生器301控制两路开关302(包括第I路和第II路)的随机切换，实现对电流‑电压转换电路202输出的电压信号x(t)的随机调制，这两路开关时刻保持相反的通断状态，且每路均有两个状态相同的开关构成，对x(t)的随机调制过程为：当第I路开关打开，第II路开关断开时，x(t)通过第I路开关后无改变地输出，等效于和+1信号相乘；当第II路开关打开，第I路开关断开时，x(t)通过第II路开关和反相器，被反相输出，等效于和‑1信号相乘；伪随机序列发生器301产生的两路控制信号分别为pc1(t)和pc2(t)，当控制信号的值为0时，开关断开，当控制信号的值为1时，开关打开，第I路的控制信号pc1(t)表示为：pc1(t)＝0或1,式(2)中，W为开关的切换频率，且大于x(t)的Nyquist采样频率，T为总测量时间；x(t)经过两路开关302的随机调制后，输出信号y1(t)为：y1(t)＝x(t)p(t)  (3)式(3)中的伪随机序列p(t)为p(t)和pc1(t)的关系为pc1(t)为1时，p(t)也为1，当pc1(t)为0时，p(t)为‑1；然后，对调制输出信号y1(t)经过低通滤波器303进行低通滤波，输出信号y2(t)为：y2(t)＝x(t)p(t)*h(t)  (5) 式(5)中，*代表卷积运算，h(t)为低通滤波器的冲击响应函数，表达式为：式(6)中，M为在测量时间T内得到的采样序列的个数；最后，对低通滤波器303的输出信号y2(t)通过A/D转换器304进行低速采样，获得的低速采样序列y[m]为：D.利用采样序列y[m]在上位机305进行信号重建，得到重建信号为并计算出待测阻抗元件201的阻抗值；所述信号重建包括构造感知矩阵Θ和利用压缩感知重建算法进行信号重建两个部分；首先，根据上面所述的随机解调器的测量过程和可知，感知矩阵Θ由稀疏变换矩阵Ψ、伪随机序列p(t)和低通滤波器303的冲击响应函数h(t)共同决定，因为x(t)在频域具有稀疏性，所以稀疏变换矩阵Ψ选则傅里叶正交反变换矩阵：根据伪随机序列信号p(t)的数学表达式(4)，得到p(t)的离散化矩阵形式为式(9)中，εi＝±1；根据低通滤波器303的冲击响应函数h(t)的数学表达式(6)，得到h(t)的离散化矩阵形式为式(10)中，R＝N/M为压缩率；至此，得到测量矩阵Φ＝HP，而感知矩阵Θ是由测量矩阵Φ和稀疏变换矩阵Ψ相乘得到的，因此感知矩阵Θ＝ΦΨ＝HPΨ；其次，以感知矩阵Θ为参数从采样序列y[m]中，利用匹配追踪算法重建电容‑电压转换器202的输出信号x(t)，得到重建结果为并且等效为x(t)以WHz的频率进行采样得到的离散序列，该采样过程满足Nyquist采样定理；这里采用正交匹配追踪算法进行信号重建，它以贪婪迭代的方式选择Θ的列，使得在每次迭代中所选择的列与当前的冗余向量最大程度地相关，从采样序列y[m]中减去相关部分并反复迭代，直到迭代次数达到稀疏度2K，强制迭代停止；匹配追踪算法通过求余量r与感知矩阵Θ中各个原子θj之间内积的绝对值，来计算相关系数u：u＝{uj|uj＝|<r，θj>|，j＝1，2，...，N}  (11)并采用最小二乘法进行信号逼近及余量更新：正交匹配追踪算法的具体步骤如下：(1)初始余量r0＝y，迭代次数n＝1，给定误差δ＝δ0，索引值集合(2)计算相关系数u,并将u中最大值对应的索引值存入J中；(3)更新支撑集ΘΛ，其中Λ＝Λ∪J0；(4)应用式(12)得到同时用式(13）对余量进行更新；(5)若||rnew‑r||≥δ0，令r＝rnew，n＝n+1，转到(2)；否则，停止迭代；直到迭代次数为n＝2K，迭代结束，得到电流‑电压转换电路202的输出电压...

【技术特征摘要】
1.一种基于随机解调器的阻抗测量方法，其特征在于包括下列步骤：A.利用由DDS数字波形合成器（101）、D/A转换器（102）和低通滤波器（103）组成的信号源发生器（1），产生正弦激励信号Vi(t)；利用DDS数字波形合成器（101）在FPGA芯片内合成数字波，经过D/A转换器（102）把数字波转变成模拟波后，通过低通滤波器（103）滤除杂波，得到稳定的正弦电压激励信号Vi(t)；B.利用电流-电压转换电路（202），获得与待测阻抗元件（201）的值成比例的电压信号x(t)；对待测阻抗元件（201）施加正弦电压激励信号Vi(t)，通过电流-电压转换电路（202）将经过待测阻抗元件（201）的电流信号转换为电压信号x(t)，计算公式为：式(1)中，Cx为被测电容，Rf和Cf分别代表反馈电阻和反馈电容，ω代表正弦激励信号Vi(t)的角频率，t为时间；C.对电流-电压转换电路（202）输出的电压信号x(t)利用随机解调器（3）进行压缩采样，获得采样序列y[m]，其硬件电路对信号的操作包括以下三个部分；首先，在FPGA芯片内的伪随机序列发生器（301）控制两路开关（302）的随机切换，实现对电流-电压转换电路（202）输出的电压信号x(t)的随机调制，这两路开关时刻保持相反的通断状态，且每路均有两个状态相同的开关构成，对x(t)的随机调制过程为：当第I路开关打开，第II路开关断开时，x(t)通过第I路开关后无改变地输出，等效于和+1信号相乘；当第II路开关打开，第I路开关断开时，x(t)通过第II路开关和反相器，被反相输出，等效于和-1信号相乘；伪随机序列发生器（301）产生的两路控制信号分别为pc1(t)和pc2(t)，当控制信号的值为0时，开关断开，当控制信号的值为1时，开关打开，第I路的控制信号pc1(t)表示为：式(2)中，W为开关的切换频率，且大于x(t)的Nyquist采样频率，T为总测量时间；x(t)经过两路开关（302）的随机调制后，输出信号y1(t)为：y1(t)＝x(t)p(t)(3)式(3)中的伪随机序列p(t)为p(t)和pc1(t)的关系为pc1(t)为1时，p(t)也为1，当pc1(t)为0时，p(t)为-1；然后，对调制输出信号y1(t)经过低通滤波器（303）进行低通滤波，输出信号y2(t)为：y2(t)＝x(t)p(t)*h(t)(5)式(5)中，*代表卷积运算，h(t)为低通滤波器的冲击响应函数，表达式...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹章，任迎，徐立军，孙世杰，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11