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振动式黏弹力 传感器的测量电路及测量设备、测量方法

阅读：633发布：2020-05-08

专利汇可以提供振动式黏弹力传感器的测量电路及测量设备、测量方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供振动式黏弹力传感器的测量电路，包括调节电路、控制器、电压控制电流源、模拟开关、黏弹力传感器、信号采集电路、模数转换器以及参考电阻，该电路使得测量结果对大部分的电路参数的漂移不敏感；该电路测得信号正比于传感器阻抗，不需要做复杂的变换，减小计算复杂度的同时也对提高精度有益，且电路结构简单，传感器工作点设置方便，适应于多种待测样本而不易停振。本发明还涉及振动式黏弹力传感器的测量方法。该方法平衡了扫描时的频率分辨率和时间上的采样率之间的矛盾，可以获得具有较好的频率分辨率和较高时间采样率的效果。本发明还涉及振动式黏弹力传感器的测量设备。，下面是振动式黏弹力传感器的测量电路及测量设备、测量方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.振动式黏弹力传感器的测量电路，其特征在于，包括调节电路、控制器、电压控制电流源、模拟开关、信号采集电路、模数转换器以及参考电阻，黏弹力传感器与所述电压控制电流源、模拟开关、以及参考电阻串联，所述调节电路分别连接所述控制器与电压控制电流源，所述模拟开关连接所述控制器，所述模拟开关用于控制黏弹力传感器与所述参考电阻的电流的通断；
所述控制器调节所述调节电路使得所述电压控制电流源输出预设频率、相位和幅度的电流，以激励黏弹力传感器与所述参考电阻；
所述信号采集电路用于采集并转换所述参考电阻与黏弹力传感器的测量数据信号，所述模数转换器接收所述信号采集电路转换后的信号，并对其进行数字转换后发送给所述控制器。
2.如权利要求1所述的振动式黏弹力传感器的测量电路，其特征在于，所述调节电路包括直接数字频率合成器、数模转换器、重构滤波器以及乘法型数模转换器；
所述直接数字频率合成器与乘法型数模转换器分别连接所述控制器，所述控制器通过分别调节所述直接数字频率合成器与乘法型数模转换器以使得所述电压控制电流源输出预设的频率、相位与幅度；
所述数模转换器接收所述直接数字频率合成器输出的数字化的正弦信号并将其转换为模拟的正弦信号；
所述重构滤波器将所述数模转换器输出的模拟的正弦信号进行过滤。
3.如权利要求2所述的振动式黏弹力传感器的测量电路，其特征在于，所述调节电路还包括时钟基准、第一缓冲放大器以及第二缓冲放大器，所述时钟基准输出的时钟信号用于所述直接数字频率合成器的时序基准；
所述第一缓冲放大器与第二缓冲放大器分别连接所述重构滤波器与乘法型数模转换器，所述重构滤波器的输出信号通过所述第一缓冲放大器后将信号输入给所述乘法型数模转换器内；所述乘法型数模转换器的输出信号通过所述第二缓冲放大器后输入所述电压控制电流源。
4.如权利要求1所述的振动式黏弹力传感器的测量电路，其特征在于，所述信号采集电路包括第一通道电路与第二通道电路，所述第一通道电路与第二通道电路的一端分别连接黏弹力传感器与所述参考电阻；所述第一通道电路与第二通道电路分别将黏弹力传感器与所述参考电阻的测量信号转换为直流电压信号，并将转换后的所述直流电压信号发送给所述模数转换器。
5.如权利要求4所述的振动式黏弹力传感器的测量电路，其特征在于，所述第一通道电路包括黏弹力传感器、第一仪表放大器以及第一真有效值转换器，所述第一仪表放大器连接黏弹力传感器，所述第一真有效值转换器位于所述第一仪表放大器与所述模数转换器之间；
所述第二通道电路包括所述参考电阻、第二仪表放大器以及第二真有效值转换器，所述第二仪表放大器连接所述参考电阻，所述第二真有效值转换器位于所述第二仪表放大器与所述模数转换器之间；
所述第一仪表放大器与第二仪表放大器分别用于放大黏弹力传感器的两端与参考电阻的两端的电压差，得到第一正弦交流电压的幅值与第二正弦交流电压的幅值；
所述第一真有效值转换器与第二真有效值转换器分别用于将所述第一正弦交流电压的幅值与第二正弦交流电压的幅值分别转换为第一直流电压信号与第二直流电压信号；
所述模数转换器接收所述第一直流电压信号与第二直流电压信号并对二者进行数字转换。
6.振动式黏弹力传感器的测量设备，其特征在于，所述测量设备包括如权利要求1-5任一项的振动式黏弹力传感器的测量电路。
7.振动式黏弹力传感器的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取偏置值，断开电路中的模拟开关，电路上的黏弹力传感器与参考电阻的激励电流与电压降为零，此时电路上的模数转换器的转换结果即为电路引起的偏置值；
校准，将标准电阻代替黏弹力传感器接入电路中进行校准，得到各频率下的校正系数；
频率扫描，通过循环扫描获得共振频率与共振阻抗，其中，下一次扫描以上一次扫描的共振频率为中心进行扫描；
数据处理，通过设计数字滤波器将步骤频率扫描中获得的所述共振频率序列与共振阻抗序列进行滤除处理，得到共振频率与共振阻抗。
8.如权利要求7所述的振动式黏弹力传感器的测量方法，其特征在于，在步骤频率扫描中还包括：初始宽范围频率扫描与局部精细频率扫描；其中，
控制器设定第一宽度的频率范围与第一频率步长开始所述初始宽范围频率扫描，测得初始的共振频率；
所述控制器设定第二宽度的频率范围与第二频率步长以所述初始的共振频率为中心进行所述局部精细频率扫描，获得当前扫描的共振频率与共振阻抗，其中，所述第二频率步长小于所述第一频率步长，所述第一宽度的频率范围大于第二宽度的频率范围。
9.如权利要求7所述的振动式黏弹力传感器的测量方法，其特征在于，在步骤校准中还包括：
接通所述模拟开关，控制器控制直接数字频率合成器与乘法型数模转换器以使电压控制电流源输出预设的频率、相位与幅度的电流来激励黏弹力传感器与参考电阻；
所述模数转换器采样到的各个信号值减去所述偏置值，并取平均值后得到的信号值，即为扫描的最终信号值。
10.如权利要求9所述的振动式黏弹力传感器的测量方法，其特征在于，所述模数转换器的采样时间长度等于黏弹力传感器与参考电阻的激励信号的周期。

说明书全文

振动式黏弹力 传感器的测量电路及测量设备、测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及黏弹力测量仪器技术领域，尤其涉及振动式黏弹力传感器的测量电路及测量设备、测量方法。

背景技术

[0002] 振动式的黏弹力测量装置通常利用一个机械探头，此机械探头被驱动作周期性的振荡。机械探头与待测样本接触，样本的黏弹性会影响探头的运动状态。通过监控探头的运动状态便可以分析待测样本的黏弹性。一种现有的振动式黏弹力传感器，其结构类似于电动式扬声器。

[0003] 黏弹力传感器结构示意图与拆分示意图分别如图1、图2所示。永磁体在它与磁极间的气隙产生均一磁场；探针适配器分别黏附于一无支撑的线圈和环形弹簧组件的内圆；环形弹簧外圆起定位作用，它与磁极紧密结合，安装时使得上述线圈处于永磁体和磁极间气隙中均一磁场内。

[0004] 当上述线圈通过电流时，由于它处在磁场中，因而会受到磁力作用，从而带动探针适配器和环形弹簧组件一起运动。当线圈中通过一定频率的交流电流时，传感器的动件便会以这个频率发生振动。

[0005] 在进行黏弹力测量时，探针适配器通过头部安装的一次性探针与测样接触。测样的力学性质会影响传感器动件的运动状态，测样的弹性会影响传感器振动的共振频率，测样的黏性会影响线圈在电路中的等效阻抗。

[0006] 所以，通过监控测量过程中传感器的共振频率及线圈等效阻抗的变化，便可以表征测样粘弹力的变化。

[0007] 许多振动式黏弹力传感器的检测电路有分开的驱动部分和检测部分，驱动部分只负责驱动传感器振动，检测部分检测传感器运动状态，结构比较复杂。

[0008] 另一类的检测电路，驱动部分和检测部分共用一套电路，同时驱动传感器振动和检测其运动状态。这类电路的具体实现方式为将传感器线圈接入一个振荡电路，电路产生自激振荡，稳定于共振状态。这类电路的缺点是电路参数调整困难，并且很容易停振。

[0009] 另外，对于有分辨率和时间采样率的要求的测量结果，其中，分辨率包含频率分辨率和阻抗分辨率。阻抗分辨率主要由测量电路确定。

[0010] 频率分辨率的要求即每次频谱扫描时，扫描频率点的频率步进足够小，以使测量结果能表征足够小的共振频率变化。要提高频率分辨率首先直接数字频率合成器硬件上首先要支持足够小频率调节，其次测量方法中设置的扫描频率步长要足够小。

[0011] 单次频谱扫描时间主要取决于单个频率点的频率值、传感器阻抗测量所要求的建立周期数以及频率点数。

[0012] 频率点的值由共振频率位置决定，由传感器决定，该值无法改变。

[0013] 建立周期数由传感器决定，特别是高Q值器件需要较长的建立时间，该值无法改变。

[0014] 时间采样率的要求即在测量的黏弹力变化时间内，要获得足够多点数的共振频率和共振阻抗数据，以反映黏弹力随时间变化的更多细节。此即要求单次频谱扫描时间足够短。

[0015] 由此可见，频率分辨率和时间采样率的要求之间存在矛盾：要提高频率分辨率即要求更小的频率调节步长，相同扫描区间的情况下，必然要求更多的扫描频率点数，从而导致时间采样率的降低。

发明内容

[0016] 为了克服现有技术的不足，本发明提供振动式黏弹力传感器的测量电路。本发明通过消除了数模转换器电压增益、第一缓冲放大器增益、乘法型数模转换器电压增益、第二缓冲放大器增益、电压控制电流源跨导增益漂移的影响，对激励信号幅值的漂移不敏感，以解决上述技术问题。

[0017] 本发明提供振动式黏弹力传感器的测量电路，包括调节电路、控制器、电压控制电流源、模拟开关、信号采集电路、模数转换器以及参考电阻，黏弹力传感器与所述电压控制电流源、模拟开关、以及参考电阻串联，所述调节电路分别连接所述控制器与电压控制电流源，所述模拟开关连接所述控制器，所述模拟开关用于控制黏弹力传感器与所述标准电阻的电流的通断；

[0018] 所述控制器调节所述调节电路使得所述电压控制电流源输出预设频率、相位和幅度的电流，以激励黏弹力传感器与所述参考电阻；

[0019] 所述信号采集电路用于采集并转换所述参考电阻与黏弹力传感器的测量数据信号，所述模数转换器接收所述信号采集电路转换后的信号，并对其进行数字转换后发送给所述控制器。

[0020] 优选地，所述调节电路包括直接数字频率合成器、数模转换器、重构滤波器以及乘法型数模转换器；

[0021] 所述直接数字频率合成器与乘法型数模转换器分别连接所述控制器，所述控制器通过分别调节所述直接数字频率合成器与乘法型数模转换器以使得所述电压控制电流源输出预设的频率、相位与幅度；

[0022] 所述数模转换器接收所述直接数字频率合成器输出的数字化的正弦信号并将其转换为模拟的正弦信号；

[0023] 所述重构滤波器将所述数模转换器输出的模拟的正弦信号进行过滤。

[0024] 优选地，所述调节电路还包括时钟基准、第一缓冲放大器以及第二缓冲放大器，所述时钟基准输出的时钟信号用于所述直接数字频率合成器的时序基准；

[0025] 所述第一缓冲放大器与第二缓冲放大器分别连接所述重构滤波器与乘法型数模转换器，所述重构滤波器的输出信号通过所述第一缓冲放大器后将信号输入给所述乘法型数模转换器内；所述乘法型数模转换器的输出信号通过所述第二缓冲放大器后输入所述电压控制电流源。

[0026] 优选地，所述信号采集电路包括第一通道电路与第二通道电路，所述第一通道电路与第二通道电路的一端分别连接黏弹力传感器与所述参考电阻；所述第一通道电路与第二通道电路分别将黏弹力传感器与所述参考电阻的测量信号转换为直流电压信号，并将转换后的所述直流电压信号发送给所述模数转换器。

[0027] 优选地，所述第一通道电路包括黏弹力传感器、第一仪表放大器以及第一真有效值转换器，所述第一仪表放大器连接黏弹力传感器，所述第一真有效值转换器位于所述第一仪表放大器与所述模数转换器之间；

[0028] 所述第二通道电路包括所述参考电阻、第二仪表放大器以及第二真有效值转换器，所述第二仪表放大器连接所述参考电阻，所述第二真有效值转换器位于所述第二仪表放大器与所述模数转换器之间；

[0029] 所述第一仪表放大器与第二仪表放大器分别用于放大黏弹力传感器的两端与参考电阻的两端的电压差，得到第一正弦交流电压的幅值与第二正弦交流电压的幅值；

[0030] 所述第一真有效值转换器与第二真有效值转换器分别用于将所述第一正弦交流电压的幅值与第二正弦交流电压的幅值分别转换为第一直流电压信号与第二直流电压信号；

[0031] 所述模数转换器接收所述第一直流电压信号与第二直流电压信号并对二者进行数字转换。

[0032] 振动式黏弹力传感器的测量设备，所述测量设备包括振动式黏弹力传感器的测量电路；所述测量设备执行振动式黏弹力传感器的测量方法。

[0033] 优选地，振动式黏弹力传感器的测量方法，包括如下步骤：

[0034] 获取偏置值，断开电路中的模拟开关，电路上的黏弹力传感器与参考电阻的激励电流与电压降为零，此时电路上的模数转换器的转换结果即为电路引起的偏置值；

[0035] 校准，将标准电阻代替黏弹力传感器接入电路中进行校准，得到各频率下的校正系数；

[0036] 频率扫描，通过循环扫描获得共振频率与共振阻抗，其中，下一次扫描以上一次扫描的共振频率为中心进行扫描；

[0037] 数据处理，通过设计数字滤波器将步骤频率扫描中获得的所述共振频率序列与共振阻抗序列进行滤除处理，得到共振频率与共振阻抗。

[0038] 优选地，在步骤频率扫描中还包括：初始宽范围频率扫描与局部精细频率扫描；其中，

[0039] 控制器设定第一宽度的频率范围与第一频率步长开始所述初始宽范围频率扫描，测得初始的共振频率；

[0040] 所述控制器设定第二宽度的频率范围与第二频率步长以所述初始的共振频率为中心进行所述局部精细频率扫描，获得当前扫描的共振频率与共振阻抗，其中，所述第二频率步长小于所述第一频率步长，所述第一宽度的频率范围大于第二宽度的频率范围。

[0041] 优选地，在步骤校准中还包括：

[0042] 接通所述模拟开关，控制器控制直接数字频率合成器与乘法型数模转换器以使电压控制电流源输出预设的频率、相位与幅度的电流来激励黏弹力传感器与参考电阻；

[0043] 所述模数转换器采样到的各个信号值减去所述偏置值，并取平均值后得到的信号值，即为扫描的最终信号值。

[0044] 优选地，所述模数转换器的采样时间长度等于黏弹力传感器与参考电阻的激励信号的周期。

[0045] 相比现有技术，本发明的有益效果在于：

[0046] 本发明公开了振动式黏弹力传感器的测量电路，该电路通过消除了数模转换器电压增益、第一缓冲放大器增益、乘法型数模转换器电压增益、第二缓冲放大器增益、电压控制电流源跨导增益漂移的影响，对激励信号幅值的漂移不敏感即该电路使得测量结果对大部分的电路参数的漂移不敏感；该电路测得信号正比于传感器阻抗，不需要做复杂的变换，减小计算复杂度的同时也对提高精度有益，且电路结构简单，传感器工作点设置方便，适应于多种待测样本而不易停振。振动式黏弹力传感器的测量方法平衡了扫描时的频率分辨率和时间上的采样率之间的矛盾，可以获得具有较好的频率分辨率和较高时间采样率的效果。

[0047] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

[0048] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

[0049] 图1为本发明的背景技术中现有的黏弹力传感器的结构示意图；

[0050] 图2为本发明的背景技术中现有的黏弹力传感器的分解示意图；

[0051] 图3为本发明的振动式黏弹力传感器的测量电路的整体结构示意图；

[0052] 图4为本发明的振动式黏弹力传感器的测量电路的阻抗频谱图；

[0053] 图5为本发明的振动式黏弹力传感器的测量方法的流程图；

[0054] 附图标记：1、线圈，2、永磁体，3、环形弹簧组件，4、探头。

具体实施方式

[0055] 下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

[0056] 本发明提供振动式黏弹力传感器的测量电路，如图3所示，包括调节电路、控制器、电压控制电流源、模拟开关、信号采集电路、模数转换器以及参考电阻，黏弹力传感器与电压控制电流源、模拟开关、以及参考电阻串联，调节电路分别连接控制器与电压控制电流源，模拟开关连接控制器，模拟开关用于控制黏弹力传感器与参考电阻的电流的通断；控制器调节调节电路使得电压控制电流源输出预设频率、相位和幅度的电流，以激励黏弹力传感器与参考电阻；信号采集电路用于采集并转换参考电阻与黏弹力传感器的测量数据信号，模数转换器接收信号采集电路转换后的信号，并对其进行数字转换后发送给控制器。在一个实施例中，测样的黏性会影响黏弹力传感器在电路中的等效阻抗，记为ZX，用电压控制电流源的输出电流来激励等效阻抗ZX和参考电阻RREF，黏弹力传感器与参考电阻为串联关系。模拟开关用来控制电流源的通断，模拟开关闭合时，电流源的激励电流正常输入到黏弹力传感器(下文用待测阻抗)和参考电阻上，电路进行正常测量；当模拟开关断开时，待测阻抗和参考电阻两端电压差为零，电路无法进行测量。

[0057] 调节电路在控制器的控制下使得电压控制电流源输定设定频率、相位以及幅度的电流来激励待测阻抗与参考电阻。模数转换器将待测阻抗与参考电阻的测量数据信号进行数字转换并发送给控制器。该控制器调节激励信号的频率、相位以及幅度，获得模数转换器的测量结果，同时通过通信接口与外部通信。

[0058] 在一个具体实施例中，调节电路包括直接数字频率合成器、数模转换器、重构滤波器以及乘法型数模转换器；直接数字频率合成器与乘法型数模转换器分别连接控制器，控制器通过分别调节直接数字频率合成器与乘法型数模转换器以使得电压控制电流源输出一定的频率、相位与幅度；数模转换器接收直接数字频率合成器输出的数字化的正弦信号并将其转换为模拟的正弦信号；重构滤波器将数模转换器输出的模拟的正弦信号进行过滤。在本实施例中，直接数字频率合成器内部主要包括相位累加器以及正弦查找表，其输出为数字化的正弦波形，可通过外部接口调节正弦信号的频率和相位；数模转换器接收直接数字频率合成器输出的数字化的正弦信号，将其转换为模拟的正弦信号；重构滤波器即为一低通滤波器即允许低于截止频率的信号通过，由于上述数模转换器输出的模拟正弦信号频谱中含有不需要的镜像频率分量，利用重构滤波器衰减镜像频率分量，保留需要的正弦信号分量。

[0059] 在一个具体实施例中，调节电路还包括时钟基准、第一缓冲放大器以及第二缓冲放大器，时钟基准输出的时钟信号用于直接数字频率合成器的时序基准；第一缓冲放大器与第二缓冲放大器分别连接重构滤波器与乘法型数模转换器，重构滤波器的输出信号通过第一缓冲放大器后将信号输入给乘法型数模转换器内；乘法型数模转换器的输出信号通过第二缓冲放大器后输入电压控制电流源。在本实施例中，时钟基准电路输出的时钟信号作为直接数字频率合成器的时序基准；重构滤波器的输出通过第一缓冲放大器进行缓冲后，输入到乘法型数模转换器的参考输入端；利用乘法型数模转换器便可以实现正弦信号的幅度调节；乘法型数模转换器的输出通过第二缓冲放大器进行缓冲后，输入到电压控制电流源的输入端，从而控制电流源的输出电流按照设定的频率、相位及幅度的正弦信号变化。

[0060] 在一个具体实施例中，信号采集电路包括第一通道电路与第二通道电路，第一通道电路与第二通道电路的一端分别连接黏弹力传感器与参考电阻；第一通道电路与第二通道电路分别将黏弹力传感器与参考电阻的测量信号转换为直流电压信号，并将转换后的直流电压信号发送给模数转换器。第一通道电路包括黏弹力传感器、第一仪表放大器以及第一真有效值转换器，第一仪表放大器连接黏弹力传感器，第一真有效值转换器位于第一仪表放大器与模数转换器之间；

[0061] 第二通道电路包括参考电阻、第二仪表放大器以及第二真有效值转换器，第二仪表放大器连接参考电阻，第二真有效值转换器位于第二仪表放大器与模数转换器之间；

[0062] 第一仪表放大器或第二仪表放大器分别用于放大黏弹力传感器的两端与参考电阻的两端的电压差，得到第一正弦交流电压的幅值与第二正弦交流电压的幅值；

[0063] 第一真有效值转换器或第二真有效值转换器分别用于将第一正弦交流电压的幅值与第二正弦交流电压的幅值分别转换为第一直流电压信号与第二直流电压信号；模数转换器接收第一直流电压信号与第二直流电压信号并对二者进行数字转换。在本实施例中，通过第一仪表放大器和第二仪表放大器分别放大待测阻抗和参考电阻两端的电压差，分别得到第一通道电路与第二通道电路的正弦交流电压信号，这两个通道的正弦交流电压的幅度分别正比于待测阻抗ZX和参考电阻RREF；

[0064] 通过第一真有效值转换器与第二真有效值转换器来测量上述两个通道的正弦交流电压信号的幅度，真有效值转换器输出一个正比于输入信号真有效值的直流电压信号；由于真有效值转换器的输入均为正弦信号，所以其直流输出也正比于输入正弦信号的幅度。将上述正比于待测阻抗ZX与参考电阻RREF的两通道的直流信号输入到数模转换器，作同步采样，并对其进行数字转换。

[0065] 具体地，设通过直接数字频率合成器、数模转换器和乘法型数模转换器等电路产生的可以调频调、相位和调幅的正弦波电压信号为：

[0066] vSET(t)＝VV sin(2πfV+θV)

[0067] 其中VV、fV、θV分别为正弦信号的幅度、频率和相位，均可变。

[0068] 设电压控制电流源的跨导增益为Gm，则其输出电流可以表示为：

[0069] iSET(t)＝GmVV sin(2πfV+θV)

[0070] 用此电流激励黏弹力传感器和参考电阻，所以黏弹力传感器和参考电阻两端的电压分别为：

[0071] vX(t)＝ZXGmVV sin(2πfV+θV)

[0072] vREF(t)＝RREFGmVV sin(2πfV+θV)

[0073] 设第一仪表放大器和第二仪表放大器的电压增益分别为A1和A2，则两个仪表放大器的输出分别为：

[0074] vINA1(t)＝A1ZXGmVV sin(2πfV+θV)

[0075] vINA2(t)＝A2RREFGmVV sin(2πfV+θV)

[0076] 设第一真有效值转换器和第二真有效值转换器的真有效值到输出直流电压的传输比分别为K1和K2，则两者输出的直流电压分别为：

[0077]

[0078]

[0079] 设模数转换器的参考电压为VConstant，对VDCx和VDCREF进行模数转换，模数转换器输出数字值Datax和DataREF为

[0080]

[0081]

[0082] 其中，N为模数转换器的二进制位数。

[0083] 故待测阻抗ZX计算式为：

[0084]

[0085] 通过上述比例式测量，消除了数模转换器电压增益、第一缓冲放大器增益、乘法型数模转换器电压增益、第二缓冲放大器增益、电压控制电流源跨导增益漂移的影响，对激励信号幅值的漂移不敏感，即该电路使得测量结果对大部分的电路参数的漂移不敏感；该电路测得信号正比于传感器阻抗，不需要做复杂的变换，减小计算复杂度的同时也对提高精度有益，且电路结构简单，传感器工作点设置方便，适应于多种待测样本而不易停振。

[0086] 通过上述测量电路，测量黏弹力传感器在不同频率下的阻抗，可得到如图4所示的阻抗频谱。其中，阻抗频谱中的阻抗峰值点所对应的频率值即为共振频率，共振频率值表征测样的弹性；阻抗峰值点对应的阻抗值即为共振阻抗，共振阻抗表征测样的黏性。

[0087] 一般地，在黏弹力测量时，对黏弹力传感器进行连续的阻抗频谱测量扫描，分析数据，得到共振频率和共振阻抗随扫描时间变化的曲线，便可以最终得到表征测样弹性和黏性随时间变化的曲线。

[0088] 振动式黏弹力传感器的测量方法，如图5所示，包括如下步骤：

[0089] S1、获取偏置值，断开电路中的模拟开关，电路上的黏弹力传感器与参考电阻的激励电流与电压降为零，此时电路上的模数转换器的转换结果即为电路引起的偏置值。在一个实施例中，在开始样本测试之前，需要进行电路的去偏置处理以及使用标准阻抗校准。断开上述的电路中的模拟开关，则待测阻抗和参考电阻的激励电流均为零，其上的电压降也为零，即仪表放大器、真有效值电路和模数转换器部分电路的有效输入信号为零。此时得到的模数转换器的两路转换结果DataBias1、DataBias2，即为该部分电路引起的偏置值。对电路的去偏置处理目的是去除待测阻抗与标准电阻连接的仪表放大器、真有效电路以及模数转换器所产生的偏置。

[0090] S2、校准，将标准电阻代替黏弹力传感器接入电路中并进行频率扫描，得到各频率下的校正系数。在一个实施例中，将标准电阻代替待测阻抗接入上述电路，进行传感器工作频率范围内的频率扫描即接通模拟开关，控制直接数字频率合成器输出某一频率ω和相位的信号，控制乘法型数模转换器确定激励的幅度，这样电压控制电流源便输出特定频率ω、相位和幅度的电流激励待测阻抗和参考电阻。经过一定数量的建立周期后，按照一定的采样率fS对模数转换器的两路输入进行同步采样，控制采样点数，使得采样时间长度刚好为激励信号的周期，即每个通道的扫描结果均减去电路去偏置步骤中得到的DataBias1、DataBias2两个偏置值，并对每个通道的去偏置后的结果取平均值，即为该通道的最终扫描结果，设得到的两个结果分别为CalDataX(ω)和CalDataREF(ω)。因为真有效值转换器输出电压具有一定的纹波，而该纹波的周期即为激励信号的周期，通过周期平均后可以消除纹波影响。校正系数的计算式为：

[0091]

[0092] 其中，RCal为校准电阻即标准电阻。

[0093] 这样经过步骤S1和本步骤后，待测阻抗计算式修正为：

[0094]

[0095] 在待测阻抗的计算式中，其由测量的模数转换结果计算得出，为了保证最后结果的准确性，对系数的准确性有要求。为此，需要仪表放大器增益、真有效值转换芯片的电压传输比和参考电阻有绝对的精度。其中系数是与扫描频率相关的，设其为K(ω)，其精度不仅在是在某个频率点的精度，而是要求在整个黏弹力传感器频率扫描区间内有绝对的精度。这个要求比较难以达到并且实现的成本较高。通过校准不需要仪表放大器增益、真有效转换芯片的电压传输比和参考电阻有绝对的精度，仅要求他们具有较小的漂移。在校准时，使用精度较高的标准电阻，例如万分之一精度的标准金属箔电阻，该电阻的精度与温漂对与黏弹力传感器的测量要求而言已经足够。

[0096] S3、频率扫描，通过循环扫描获得共振频率与共振阻抗，其中，下一次扫描以上一次扫描的共振频率为中心进行扫描。在一个实施例中，通过多次的循环扫描以获得黏弹力传感器的共振频率与共振阻抗，第二次扫描以第一次扫描获得的共振频率为中心进行扫描，第三次扫描以第二次扫描获得的共振频率为中心进行扫描，以此类推直到样本测试扫描时间结束。

[0097] 具体地，在步骤频率扫描中还包括：初始宽范围频率扫描与局部精细频率扫描；其中，

[0098] 控制器设定第一宽度的频率范围与第一频率步长开始所述初始宽范围频率扫描，测得初始的共振频率；

[0099] 所述控制器设定第二宽度的频率范围与第二频率步长以所述初始的共振频率为中心进行所述局部精细频率扫描，获得当前扫描的共振频率与共振阻抗，其中，所述第二频率步长小于所述第一频率步长，所述第一宽度的频率范围大于第二宽度的频率范围。

[0100] 频率扫描包括首先进行一个较宽频率范围的扫描即初始宽范围频率扫描再进行局部精细频率扫描。在较宽频率范围的扫描也是第一次扫描时，通过通信接口向控制器写入初始频率扫描的起始频率、终止频率、频率步长、激励信号幅度后，开始扫描。在扫描完所有的频率点后，按修正后的待测阻抗计算式计算阻抗Zx(ω)，获得初始频率扫描数据，进行数据分析，测得初始共振频率ωR(0)。较宽频率范围的扫描只要求测得共振频率的大致范围，不要求很精确。

[0101] 需要说明的是，通过通信接口向控制器写入的数据是通过大量样品的离线使用得出的，控制器设定的数据可以覆盖大多数可能出现的样品参数。另外，起始频率与终止频率所确定的频率范围可尽量大一些，以确保覆盖所有的样品共振频率范围，频率步长可相对长一些。

[0102] 在循环的局部精细频率扫描中，该频段的中心频率为上一步初始宽范围频率扫描测得的共振频率ωR(0)；频段宽度取本步骤扫描所需时间和样本共振频率的时间变化率最大值的乘积，相对初始宽范围频率扫描范围较窄。样本的共振频率的时间变化率最大值一般通过离线实验的方法来确定。取样本的共振频率时间变化率最大值，可以确保在该步的扫描时间内系统的共振频率不会超出本次扫描频段范围。频率扫描的步长小于第一次扫描的步长，其最大值由系统要求的频率分辨率决定。扫描完所有频率点后，按上述修正后的阻抗计算式计算阻抗Zx(ω)，获得局部精细频率扫描数据，进行数据分析，测得该次扫描得到的共振频率ωR(n)，其中n为局部精细频率扫描的序号。

[0103] 该步骤中的频率扫描需要循环重复上述过程，进行多次的循环局部精细频率扫描即每次局部精细频率扫描的中心频率为上一次局部精细频率扫描测得的共振频率；频段宽度取本步骤扫描所需时间和样本共振频率的时间变化率最大值的乘积。频率扫描的步长由系统要求的频率分辨率决定。扫描完所有频率点后，按上述修正后的阻抗计算式计算阻抗Zx(ω)，获得局部精细频率扫描数据，进行数据分析，测得该次扫描得到的共振频率ωR(n)。其中n为局部精细频率扫描的序号。

[0104] 另外，局部精细频率扫描的宽度在少数情况下可能需要修正，例如离线确定的样本的共振频率的时间变化率最大值取得过大，实测的共振频率变化范围远小于扫描频段范围，扫描频段大部分是无用的扫描；或者离线确定的样本的共振频率的时间变化率最大值取得过小，实测的共振频率变化范围超出扫描频段范围，即本次扫描的频段范围未覆盖共振频率。这种扫描频段太宽和太窄的情况均需要修正，将修正后的频宽用于下次扫描。例如：测量时间为45分钟，每10秒扫描一次，可能会循环扫描270次。

[0105] 该步骤中使用较窄的扫描频宽，避免了无价值的频率扫描时间开销，只扫描有用频段，提高了时间的利用率，这样即使扫描频率步长很小，仍然可以获得较好的时间分辨率；由于使用了较小的频率步长，这样即使共振频率变化较小也可以分辨出来，即可以取得较好的频率分辨率。

[0106] S4、数据处理，通过设计数字滤波器将步骤S3中获得的共振频率序列与共振阻抗序列进行滤除处理，得到共振频率与共振阻抗。在一个实施例中，通过步骤S3中的局部精细频率扫描得到一个共振频率序列ω0(n)，以及与之对应的共振阻抗序列ZR(n)。根据样本信号变化特性设计合适的数字滤波器，滤除这两个序列的噪声信号，特别典型的是测量过程中的设备振动引起的噪声信号，保留反应样本弹性、和黏性变化的有用信号。

[0107] 本发明提供一种振动式黏弹力传感器的测量电路及测量方法，电路结构相对简单，传感器工作点设置方便，适应于多种待测样本而不易停振；该电路结构使得测量结果对大部分的电路参数的漂移不敏感；该电路测得的信号即正比于传感器阻抗，不需要再做复杂变换，减小计算复杂度的同时也对提高精度有益。本发明提供的测量方法，进一步去除了电路中器件产生的偏置；通过校正，不需要电路传递环节有绝对的精度；同时平衡了扫描时的频率分辨率和时间上的采样率之间的矛盾，可以获得具有较好的频率分辨率和较高时间采样率的结果。本发明提供的电路和方法能够满足应用结构类似于电动式扬声器的振动式黏弹力传感器分析的要求，具有很好的推广应用价值。

[0108] 本发明提供了一种振动式黏弹力传感器的测量设备，测量设备包括振动式黏弹力传感器的测量电路；测量设备执行振动式黏弹力传感器的测量方法。

[0109] 以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

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