[发明专利]应用电容法测量湿型砂含水量的装置及含水量测量方法

权利要求书

1.应用电容法测量湿型砂含水量的装置，其特征在于，它包括电容水分传感器（1）、信 号调理单元（2）、激励信号源（3）、数据采集模块（4）、通信模块（5）、控制模块（6）和计算机 （7），电容水分传感器（1）的信号输出端与信号调理单元（2）的第一信号输入端连接，激励信 号源（3）的激励信号输出端与信号调理单元（2）的第二信号输入端连接、同时与数据采集模 块（4）的第一信号采集输入端连接，信号调理单元（2）的信号输出端与数据采集模块（4）的 第二信号采集输入端连接，数据采集模块（4）的信号输出端与通信模块（5）的信号输入端连 接，通信模块（5）的控制信号输出端与控制模块（6）的控制信号输入端连接，控制模块（6）的 控制信号输出端与激励信号源（3）的控制信号输入端连接，计算机（7）的双向信号输入/输 出端与通信模块（5）的双向信号输入/输出端连接。

2.根据权利要求1所述的应用电容法测量湿型砂含水量的装置，其特征在于，所述的激 励信号源（3）为正弦波激励信号源。

3.根据权利要求1所述的应用电容法测量湿型砂含水量的装置，其特征在于，所述的数 据采集模块（4）为采样频率150kHz以上的高速数据采集模块。

4.基于权利要求1所述的应用电容法测量湿型砂含水量的装置实现电容法测量湿型砂 含水量的方法，其特征在于：

该方法中应用到的由电容水分传感器（1）、信号调理单元（2）和激励信号源（3）组成的 测量电路，它包括构成电容水分传感器（1并联等效模型的电阻R_x和电容C_x、反馈电阻R_f、放 大器A、平衡电阻R₀和正弦波激励信号源U_i，反馈电阻R_f的一端与放大器A的输出端连接，另 一端与放大器A的反相输入端连接、同时与构成电容水分传感器（1）并联等效模型的电阻R_x和电容C_x的一端连接，构成电容水分传感器（1）并联等效模型的电阻R_x和电容C_x的另一端与 正弦波激励信号源U_i的一端连接、同时接地，正弦波激励信号源U_i的另一端与平衡电阻R₀的 一端连接，平衡电阻R₀的另一端与放大器A的同相输入端连接，放大器A的输出端输出电压U₀和正弦波激励信号源U_i接数据采集模块（4）；

所述的电容法测量湿型砂含水量的方法包括以下步骤：

步骤一、将电容水分传感器（1）插入被测湿型砂中；

步骤二、在计算机（7）控制下，通过通信模块（5）、控制模块（6）向激励信号源（3）发出控 制信号，启动激励信号源（3），激励信号源（3）产生正弦波激励信号U_i=U_imsin(ωt)；

步骤三、数据采集模块（4）对放大器A的输出端输出电压U₀=a₀cos(ωt+φ)采样n次，得 到采样序列U₀(n)，并通过通信模块（5）送至计算机（7）；

步骤四、计算机（7）对采样序列U₀(n)进行FFT变换，提取复数形式的基波分量，并对基波 分量的实部和虚部进行分离，得到虚部

步骤五、由公式，可求得湿型砂的电容，再通过已有的湿型砂电容C_x与含水量之间的关系，即可求得湿型砂的含水量。

5.基于权利要求4所述的应用电容法测量湿型砂含水量的装置实现电容法测量湿型砂 含水量的方法，其特征在于：

所述的步骤三，在任意时刻φ_i，对正弦波激励信号U_i=U_imsin(ωt+φ_i)和放大器A的输 出端输出电压U₀=a₀cos(ωt+φ+φ_i)同时采样n次，得到采样序列U₀(n)和U_i(n)；

所述的步骤四，对采样序列U₀(n)和U_i(n)都进行FFT变换，可求得U₀(n)的FFT变换结果 的模为Z、相位为φ+φ_i，U_i(n)的FFT变换结果的相位为φ_i，由（φ+φ_i）-φ_i=φ可得出在任 意时刻采样的初始相位φ，又因任意时刻采样FFT变换结果的模不变，可将Z与φ重新组合 可得到U₀(n)的FFT变换。