專利名稱：一種非電學量測定系統及方法
技術領域：
本發明涉及非電學量測定領域，更準確的說是涉及一種非電學量測定系統及方 法。
背景技術：
電容傳感器被廣泛應用，但是電容傳感器具有非線性的特性，而且其非線性特性 隨溫度的變化而變化。為了保證電容傳感器的檢測精度，現有技術中，在常溫下應用分段線性的方法得 出輸入信號與輸出信號之間的折線關系。即為將輸入信號分成若干段，在每一段上都可以 認為輸入信號與輸出信號之間是線性關系，對于這些量而言，在整個量程范圍內是非線性 的，但是就輸入的某一局部范圍之內，其輸出信號和輸入信號可以近似的認為是線性關系。 分段數量越多，檢測精度越高。但是在實際應用中，因為增加分段的數量會增加成本，所以分段的數量不宜太多， 因而使用分段線性方法的精度不能很高。
發明內容
有鑒于此，本發明提供了一種非電學量測定系統及方法，不用進行分段操作，能夠 降低成本且檢測精度較高。本發明提供了一種非電學量測定系統，包括采集非電學量并轉換為電容信號值的電容傳感器；連接所述電容傳感器、將所述電容信號值轉換為頻率信號值的頻率轉換模塊；采集溫度信號值的溫度采集模塊；連接所述頻率轉換模塊和溫度采集模塊的微控制單元MCU模塊，該MCU模塊依據 預設的高階非線性特征方程處理所述頻率信號值和所述溫度信號值，得到所述非電學量的值。優選的，所述預設的高階非線性特征方程為Y = F4* (A1*T4+A2*T3+A3*T2+A4*T+A5) +F3* (B 1*T4+B2*T3+B3*T2+B4*T+B5) +F2* (C 1*T4+C2*T3+C3*T2+C4*T+C5) +F* (D1*T4+D2*T3+D3*T2+D4*T+D5) +(E1*T4+E2*T3+E3*T2+E4*T+E5)，其中，Y為所述非電學量的計算值，F為所述頻率信號值，T為所述溫度信號值， Al A5、Bl B5、Cl C5、Dl D5和El E5為所述高階非線性特征方程的系數。優選的，所述頻率轉換模塊為RC振蕩電路。優選的，本發明提供的系統還包括數字接口模塊，所述非電學量的計算值通過數 字接口模塊輸出。
優選的，所述數字接口模塊為串行外圍設備接口 SPI模塊。本發明還提供了一種非電學量測定方法，包括采集多個已知非電學量、多個溫度信號值和多個由所述已知非電學量經電容信號 轉換而來的頻率信號值；將所述已知非電學量、溫度信號值和頻率信號值輸入所述非電學量與頻率信號 值、溫度信號值之間的含有待定系數的高階非線性特征方程并利用高階非線性擬合算法計 算出高階非線性特征方程的待定系數；采集未知非電學量并將所述非電學量轉換為電容信號值，再將所述電容信號值轉 換為頻率信號值，采集溫度信號值；將所述溫度信號值和頻率信號值代入已確定系數的所述高階非線性特征方程并 計算出所述未知非電學量的值。優選的，所述高階非線性特征方程為Y = F4* (A1*T4+A2*T3+A3*T2+A4*T+A5) +F3 氺(B1*T4+B2*T3+B3*T2+B4*T+B5) +F2* (C1*T4+C2*T3+C3*T2+C4*T+C5) +F 氺(Dl 氺 T4+D2 氺 T3+D3 氺 T2+D4 氺 T+D5) +
(E1*T4+E2*T3+E3*T2+E4*T+E5)其中，Y為非電學量的計算值，F為所述頻率信號值，T為所述溫度信號值，Al A5、Bl B5、Cl C5、Dl D5和El E5為所述高階非線性特征方程的系數。優選的，所述采集多個已知非電學量、多個溫度信號值和多個由所述已知非電學 量經電容信號轉換而來的頻率信號值為采集不低于10萬個已知非電學量、不低于10萬個 溫度信號值和不低于10萬個由所述已知非電學量經電容信號轉換而來的頻率信號值。優選的，所述采集多個溫度信號值的過程包括按照預設規律改變環境溫度，分別采集不同環境溫度下的溫度信號值。優選的，所述多個已知非電學量在數值上均勻分布；所述多個溫度信號值在被采 集的時間上均勻分布。優選的，所述多個已知非電學量為整數；所述多個溫度信號值為整數。本發明提供的一種非電學量測定系統及方法能夠將非電學量變換為頻率信號值， 并采集溫度信號值，將所述頻率量和溫度輸入已經確定系數的所述高階非線性特征方程， 計算出所檢測的非電學量。由于本發明采用的是高階非線性特征方程，不用進行分段計算， 能夠降低成本。并且，由于高階非線性特征方程的系數根據大量的數據用高階非線性擬合 算法計算得出，所以精度較高。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發明實施例一的一種非電學量測定系統；
圖2為本發明實施例一的高階非線性特征方程系數的確定方法；圖3為本發明實施例二的一種非電學量測定系統；圖4為本發明實施例三的一種非電學量測定系統；圖5為本發明實施例四的一種非電學量測定方法。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發明保護的范圍。為方便理解，現對某些詞匯進行解釋性說明高階非線性擬合算法先假設某一含有待定系數的高階非線性特征方程符合所 述特征方程中各參量之間的特征曲線或者曲面，然后采集大量已知的各參數數據，利用 matlab擬合計算出所述特征方程的待定系數的數值，從而確定各參數的特征方程。在所述 高階非線性擬合算法中，采集的數據越多，采集的數據分布越均勻，則確定的特征方程所描 述的特征曲線或曲面越接近各參量之間真正的特征曲線或者曲面。MCU 是英文Micro Control Unit的縮寫，中文意思是微控制單元。SPI 是英文Serial Peripheral Interface的縮寫，中文意思是串行外圍設備接□。參照圖1，為本發明實施例一的一種非電學量測定系統。如圖1所示，本實施例所述的一種非電學量測定系統包括電容傳感器模塊101、 頻率轉換模塊102、溫度采集模塊103、MCU模塊104 ；所述電容傳感器模塊101采集非電學量，并轉換為電容信號值輸出給頻率轉換模 塊102，所述頻率轉換模塊102將所述電容信號值轉換為頻率信號值并輸出給所述MCU模 塊104，所述溫度采集模塊103采集溫度信號值，并將得到的溫度信號值輸出給所述MCU模 塊104，所述MCU模塊104將所述頻率信號值、溫度信號值帶入所述非電學量與所述頻率信 號值、溫度信號值之間的高階非線性特征方程Y = F4* (A1*T4+A2*T3+A3*T2+A4*T+A5) +F3* (B1*T4+B2*T3+B3*T2+B4*T+B5) +F2* (C1*T4+C2*T3+C3*T2+C4*T+C5) +F 氺(Dl 氺 T4+D2 氺 T3+D3 氺 T2+D4 氺 T+D5) +(E1*T4+E2*T3+E3*T2+E4*T+E5)，并計算得出所述非電學量的數值3其中，Y為所述非電學量的計算值，F為所述頻率信號值，T為所述溫度信號值， Al A5、Bl B5、Cl C5、Dl D5和El E5為所述高階非線性特征方程的系數。所述高階非線性特征方程中，所述頻率信號值F和所述溫度信號值T均為已知， 要求出所述非電學量的值，還需要確定所述高階非線性特征方程的系數Al A5、B1 B5、 Cl C5、D1 D5 禾口 El E5。參照圖2，為本發明實施例一的高階非線性特征方程系數的確定方法。
該方法包括采集多個已知非電學量、多個溫度信號值和多個由非電學量經電容信號值轉換而 來的頻率信號值；將所述已知非電學量、溫度信號值和頻率信號值輸入所述非電學量與頻率信號 值、溫度信號值之間的含有待定系數的高階非線性特征方程Y = F4* (A1*T4+A2*T3+A3*T2+A4*T+A5) +F3 氺(B1*T4+B2*T3+B3*T2+B4*T+B5) +F2* (C1*T4+C2*T3+C3*T2+C4*T+C5) +F 氺(Dl 氺 T4+D2 氺 T3+D3 氺 T2+D4 氺 T+D5) +(E1*T4+E2*T3+E3*T2+E4*T+E5)并利用高階非線性擬合算法計算出所述高階非線性特征方程的系數；其中，Y為所述非電學量的計算值，F為所述頻率信號值，T為所述溫度信號值， Al A5、B 1 B5、Cl C5、Dl D5和El E5為所述高階非線性特征方程的系數。本實施例所述的系統能夠將非電學量變換為頻率信號值，并采集溫度信號值，將 所述頻率信號值和溫度信號值輸入已經確定系數的所述高階非線性特征方程，計算出所述 非電學量。由于本發明采用的是高階非線性擬合算法，不用進行分段操作，能夠降低成本， 且精度較高。參照圖3，為本發明實施例二的一種非電學量測定系統。如圖3所示，本實施例所 述的一種非電學量測定系統與實施例一所述的系統的區別在于，還包括數字接口模塊105， 所述頻率轉換模塊為RC振蕩電路102。除此之外，本實施例所述系統與實施例一所述系統相同。所述電容傳感器模塊101采集非電學量，并轉換為電容信號值輸出給RC振蕩電 路102，所述RC振蕩電路102將所述電容信號值轉換為頻率信號值并輸出給所述MCU模塊 104，所述溫度采集模塊103采集溫度信號值，并將得到的溫度信號值輸出給所述MCU模塊 104。所述MCU模塊104在計算出所述非電學量的數值后，通過數字接口模塊105輸出所述 非電學量的數值。參照圖4，為本發明實施例三的一種非電學量測定系統。如圖4所示，本實施例所述的一種非電學量測定系統與實施例二所述的系統的區 別在于，所述數字接口模塊為SPI模塊105。所述非電學量的數值通過所述SPI模塊105輸
出ο除此之外，本實施例所述系統與實施例二所述系統相同。參照圖5，為本發明實施例四的一種非電學量測定方法。如圖5所示，本實施例所述的方法包括采集多個已知非電學量、多個溫度信號值和多個由非電學量經電容信號值轉換而 來的頻率信號值；將所述已知非電學量、溫度信號值和頻率信號值輸入所檢測的非電學量與頻率信 號值、溫度信號值之間的含有待定系數的高階非線性特征方程Y = F4* (A1*T4+A2*T3+A3*T2+A4*T+A5) +F3 氺(B1*T4+B2*T3+B3*T2+B4*T+B5) +
F2* (C1*T4+C2*T3+C3*T2+C4*T+C5) +F 氺(Dl 氺 T4+D2 氺 T3+D3 氺 T2+D4 氺 T+D5) +(E1*T4+E2*T3+E3*T2+E4*T+E5)其中，Y為所述非電學量的計算值，F為所述頻率信號值，T為所述溫度信號值，其 中，Al A5、Bl B5、C1 C5、D1 D5和El E5為所述高階非線性特征方程的系數。在實際應用中，為了提高檢測的精度，所述高階非線性特征方程還可以增加頻率F 的冪的多項式，例如，所述高階非線性特征方程可以為Y = F5* (G1*T4+G2*T3+G3*T2+G4*T+G5) +
F4* (A1*T4+A2*T3+A3*T2+A4*T+A5) +F3 氺(B1*T4+B2*T3+B3*T2+B4*T+B5) +F2* (C1*T4+C2*T3+C3*T2+C4*T+C5) +F 氺(Dl 氺 T4+D2 氺 T3+D3 氺 T2+D4 氺 T+D5) +(E1*T4+E2*T3+E3*T2+E4*T+E5)其中，Y為所述非電學量的計算值，F為所述頻率信號值，T為所述溫度信號值，其 中，Al A5、B1 B5、C1 C5、D1 D5、E1 E5和Gl G5為所述高階非線性特征方程 的系數。利用高階非線性擬合算法計算出高階非線性特征方程的系數；采集未知非電學量并將所述非電學量轉換為電容信號值，再將所述電容信號值轉 換為頻率信號值，采集溫度信號值。將所述溫度信號值和頻率信號值代入已確定系數的所述高階非線性特征方程并 計算出所述非電學量的值。優選的，本方法中，所述采集多個已知非電學量、多個溫度信號值和多個由所述已 知非電學量經電容信號轉換而來的頻率信號值為采集不低于10萬個已知非電學量、不低 于10萬個溫度信號值和不低于10萬個由所述已知非電學量經電容信號轉換而來的頻率信號值。優選的，本方法中，所述采集多個溫度信號值的過程包括按照預設規律改變環境 溫度，分別采集不同環境溫度下的溫度信號值。具體的，所述預設規律為將環境溫度從室溫 緩慢變化到零下40°C，到零下40°C之后維持此溫度兩個小時，然后升溫到85°C，到85°C之 后維持此溫度兩個小時，然后降溫到室溫。優選的，本方法中，所述多個已知非電學量在數值上均勻分布；所述多個溫度信號 值在被采集的時間上均勻分布。優選的，本方法中，所述多個已知非電學量為整數；所述多個溫度信號值為整數。對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。 對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的 一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明 將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一 致的最寬的范圍。
權利要求
一種非電學量測定系統，其特征在于，包括采集非電學量并轉換為電容信號值的電容傳感器；連接所述電容傳感器、將所述電容信號值轉換為頻率信號值的頻率轉換模塊；采集溫度信號值的溫度采集模塊；連接所述頻率轉換模塊和溫度采集模塊的微控制單元MCU模塊，該MCU模塊依據預設的高階非線性特征方程處理所述頻率信號值和所述溫度信號值，得到所述非電學量的值。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述預設的高階非線性特征方程為Y= F4* (A1*T4+A2*T3+A3*T2+A4*T+A5) +F3* (B1*T4+B2*T3+B3*T2+B4*T+B5) + F2* (C1*T4+C2*T3+C3*T2+C4*T+C5) + F* (D1*T4+D2*T3+D3*T2+D4*T+D5) + (E1*T4+E2*T3+E3*T2+E4*T+E5)，其中，Y為所述非電學量的計算值，F為所述頻率信號值，T為所述溫度信號值，Al A5、Bl B5、Cl C5、Dl D5和El E5為所述高階非線性特征方程的系數。
3.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述頻率轉換模塊為RC振蕩電路。
4.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，還包括數字接口模塊， 所述非電學量的計算值通過數字接口模塊輸出。
5.根據權利要求4所述的系統，其特征在于，所述數字接口模塊為串行外圍設備接口 SPI模塊。
6.一種非電學量測定方法，其特征在于，包括采集多個已知非電學量、多個溫度信號值和多個由所述已知非電學量經電容信號轉換 而來的頻率信號值；將所述已知非電學量、溫度信號值和頻率信號值輸入所述非電學量與頻率信號值、溫 度信號值之間的含有待定系數的高階非線性特征方程并利用高階非線性擬合算法計算出 高階非線性特征方程的待定系數；采集未知非電學量并將所述非電學量轉換為電容信號值，再將所述電容信號值轉換為 頻率信號值，采集溫度信號值；將所述溫度信號值和頻率信號值代入已確定系數的所述高階非線性特征方程并計算 出所述未知非電學量的值。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述高階非線性特征方程為 Y = F4*(A1*T4+A2*T3+A3*T2+A4*T+A5) +F3* (B1*T4+B2*T3+B3*T2+B4*T+B5) + F2* (C1*T4+C2*T3+C3*T2+C4*T+C5) + F* (D1*T4+D2*T3+D3*T2+D4*T+D5) + (E1*T4+E2*T3+E3*T2+E4*T+E5)其中，Y為非電學量的計算值，F為所述頻率信號值，T為所述溫度信號值，Al A5、 Bl B5、Cl C5、Dl D5和El E5為所述高階非線性特征方程的系數。
8.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述采集多個已知非電學量、多個溫度信 號值和多個由所述已知非電學量經電容信號轉換而來的頻率信號值為采集不低于10萬個已知非電學量、不低于10萬個溫度信號值和不低于10萬個由所述已知非電學量經電容信 號轉換而來的頻率信號值。
9.根據權利要求6或8所述的方法，其特征在于，所述采集多個溫度信號值的過程包括按照預設規律改變環境溫度，分別采集不同環境溫度下的溫度信號值。
10.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述多個已知非電學量在數值上均勻分 布；所述多個溫度信號值在被采集的時間上均勻分布。
11.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述多個已知非電學量為整數；所述多 個溫度信號值為整數。
全文摘要
本發明公開了一種非電學量測定系統及方法，用于測定非電學量；本發明所述的系統及方法采用高階非線性特征方程描述被檢測非電學量與頻率信號值和溫度信號值之間的關系，同時，所述高階非線性方程的系數使用高階非線性擬合算法，通過大量的數據擬合算出，保證了檢測的精度，避免了由于采用分段線性的方法而導致的檢測精度不高的情況。
文檔編號G01D3/028GK101936746SQ20101024309
公開日2011年1月5日 申請日期2010年8月2日 優先權日2010年8月2日
發明者常先明, 徐昭敏, 耿東漢, 陳小楓 申請人:北京華控技術有限責任公司