技術(shù)特征：

1.一種基于數(shù)字相敏解調(diào)和虛擬電感技術(shù)的非接觸式流體電阻抗測量裝置，其特征在于包括絕緣測量管道(1)、激勵電極(2)、檢測電極(3)、金屬屏蔽罩(4)、虛擬電感模塊(5)、信號處理與通訊模塊(6)、微型計算機(jī)(7)；激勵電極(2)和檢測電極(3)安裝在絕緣測量管道(1)外壁上，金屬屏蔽罩(4)罩住激勵電極(2)與檢測電極(3)防止外界干擾，信號處理與通訊模塊(6)和激勵電極(2)相連接，檢測電極(3)和虛擬電感模塊(5)的輸入端相連接，虛擬電感模塊(5)的輸出端和信號處理與通訊模塊(6)相連接，信號處理與通訊模塊(6)通過USB數(shù)據(jù)線和微型計算機(jī)(7)相連接。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字相敏解調(diào)和虛擬電感技術(shù)的非接觸式流體電阻抗測量裝置，其特征在于所述的虛擬電感模塊(5)結(jié)構(gòu)為：第一運(yùn)算放大器(A₁)的正相輸入端為虛擬電感模塊(5)的輸入端，檢測電極(3)、第三電阻(R₃)的一端與第一運(yùn)算放大器(A₁)的正相輸入端相連，第一電阻(R₁)、第一電容(C₁)及第六電阻(R₆)的一端與第一運(yùn)算放大器(A₁)的反相輸入端相連，第一電容(C₁)的另一端、第二電阻(R₂)的一端、第六電阻(R₆)的另一端分別與第一運(yùn)算放大器(A₁)的輸出端相連，第二運(yùn)算放大器(A₂)的正相輸入端與第一運(yùn)算放大器(A₁)的正相輸入端相連，第二電阻(R₂)的另一端、第五電阻(R₅)的一端與第二運(yùn)算放大器(A₂)的反相輸入端相連，第二運(yùn)算放大器(A₂)的輸出端通過串聯(lián)的第四電阻(R₄)、第三電阻(R₃)與第二運(yùn)算放大器(A₂)的正相輸入端相連，第五電阻(R₅)的另一端與第二運(yùn)算放大器(A₂)的輸出端相連，第一電阻(R₁)的另一端與信號處理與通訊模塊(6)中電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的運(yùn)算放大器(A_f)的反相端相連，作為虛擬電感模塊(5)的輸出端。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于數(shù)字相敏解調(diào)和虛擬電感技術(shù)的非接觸式流體電阻抗測量裝置，其特征在于所述虛擬電感的等效電感值為L值通過調(diào)節(jié)R₃的值進(jìn)行改變；利用運(yùn)算放大器在深度負(fù)反饋條件下的“虛短”特性，使虛擬電感的輸出端通過電流-電壓轉(zhuǎn)換電路中運(yùn)算放大器(A_f)的同相端虛地；R₆起到穩(wěn)定運(yùn)算放大器工作狀態(tài)的功能，保證當(dāng)電路進(jìn)入正反饋導(dǎo)致自激振蕩時，電容C₁可通過其放電，從而使虛擬電感恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。

4.一種使用如權(quán)利要求1所述裝置的流體電阻抗測量方法，其特征在于具體步驟如下：

1)信號處理與通訊模塊中的DSP芯片完成系統(tǒng)初始化，發(fā)送控制信號，F(xiàn)PGA芯片接受控制信號，其內(nèi)部的DDS模塊輔以DAC芯片產(chǎn)生正弦激勵信號，通過激勵電極(2)施加于絕緣測量管道(1)內(nèi)的導(dǎo)電流體；該狀態(tài)下激勵電極(2)與絕緣測量管道(1)內(nèi)的導(dǎo)電流體通過管壁形成耦合電容C_x1，絕緣測量管道(1)內(nèi)兩個電極間的導(dǎo)電流體等效成電阻抗Z₀，檢測電極(3)與絕緣測量管道(1)內(nèi)的導(dǎo)電流體通過管壁形成耦合電容C_x2，使三者構(gòu)成串聯(lián)交流測量通路；

2)以導(dǎo)電流體的等效電阻抗Z₀為待檢測的值，耦合電容C_x1和C_x2為干擾測量的背景信號，檢測電路的等效阻抗Z的計算公式為調(diào)整信號處理與通訊模塊激勵頻率或虛擬電感的電感值，使檢測電路達(dá)到串聯(lián)諧振狀態(tài),即當(dāng)檢測電路達(dá)到諧振狀態(tài)時，其等效阻抗即為絕緣測量管道(1)內(nèi)導(dǎo)電流體的等效阻抗，即Z＝Z₀。

3)信號經(jīng)過虛擬電感模塊(5)后，經(jīng)過信號處理與通訊模塊(6)中的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成正弦電壓信號，該信號經(jīng)過ADC芯片數(shù)字化采樣后，送入信號處理與通訊模塊的FPGA芯片中進(jìn)行數(shù)字相敏解調(diào)計算，數(shù)字相敏解調(diào)完成后，DSP芯片接收FPGA芯片中的數(shù)字相敏解調(diào)計算結(jié)果，通過USB數(shù)據(jù)線將計算結(jié)果送入微型計算機(jī)，微型計算機(jī)通過上位機(jī)程序接收計算結(jié)果，并對計算結(jié)果進(jìn)行處理，經(jīng)換算得到流體電阻抗的實部信息和虛部信息。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的流體電阻抗測量方法，其特征在于：所述的步驟2)通過調(diào)整信號處理與通訊模塊激勵頻率使檢測電路達(dá)到串聯(lián)諧振狀態(tài)；其方法為：先確定虛擬電感模塊(5)的電感值L，而后改變信號處理與通訊模塊(6)產(chǎn)生的正弦激勵信號的頻率，使其為

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的流體電阻抗測量方法，其特征在于：所述的步驟2)通過調(diào)整虛擬電感的電感值使檢測電路達(dá)到串聯(lián)諧振狀態(tài)；其方法為：先確定信號處理與通訊模塊(6)產(chǎn)生的正弦激勵信號的頻率f，而后改變虛擬電感模塊(5)的電感值，使其為

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的流體電阻抗測量方法，其特征在于：所述的步驟3)具體為：

檢測電極流出的交流電流，經(jīng)過電流-電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為交流電壓，該電壓經(jīng)過ADC芯片離散采樣后，送入數(shù)字相敏解調(diào)模塊后分解為同相分量V₁和正交分量V₂，根據(jù)和V₁和V₂，計算檢測信號的幅值A(chǔ)_out和相位θ；

假設(shè)激勵信號V_i(t)為：

V_in(t)＝A_insinωt

其中，ω為正弦交流激勵信號的角頻率。

經(jīng)過電流-電壓轉(zhuǎn)換電路之后的交流電壓信號V_out(t)為：

V_out(t)＝A_outsin(ωt+θ)

該信號通過ADC芯片可以轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號V_out(nT)為：

V_out(nT)＝A_outsin(2πnT/N+θ)

式中，T為ADC芯片的采樣周期，N為正弦信號每個周期的采樣點數(shù)，n＝0,1,2…,N-1。

同相參考信號為：

V_sin(nT)＝Bsin(2πnT/N)

正交參考信號為：

V_cos(nT)＝Csin(2πnT/N)

式中，B和C分別為兩路參考信號的幅值，將參考信號V_sin(nT)和V_cos(nT)分別與V_out(nT)進(jìn)行乘法累加計算，得到

$\begin{array}{c}{V}_1=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{V}_{out}\left(nT\right)*V_{\sin }\left(nT\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{A}_{out}\sin (2\mathrm{\π}nT/N+\mathrm{\θ})*B\sin (2\mathrm{\π}nT/N)\\ =\frac{1}{2}{A}_{out}B\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}\[-\cos (4\mathrm{\π}nT/N+\mathrm{\θ})+\cos \mathrm{\θ}\]=\frac{1}{2}{\mathrm{NA}}_{out}B\cos \mathrm{\θ}\end{array}$

$\begin{array}{c}{V}_2=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{V}_{out}\left(nT\right)*V_{\cos }\left(nT\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{A}_{out}\sin (2\mathrm{\π}nT/N+\mathrm{\θ})*C\cos (2\mathrm{\π}nT/N)\\ =\frac{1}{2}{A}_{out}C\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}\[\sin (4\mathrm{\π}nT/N+\mathrm{\θ})+\sin \mathrm{\θ}\]=\frac{1}{2}{\mathrm{NA}}_{out}C\sin \mathrm{\θ}\end{array}$

由上述兩式得到

$A_{out}=\frac{2}{N}\sqrt{\frac{V_1^2}{B^2}+\frac{V_2^2}{C^2}}$

$\mathrm{\θ}=arctan\frac{{\mathrm{BV}}_2}{{\mathrm{CV}}_1}$

通過幅值A(chǔ)_out和相位θ可以推算出被測流體的電阻抗，具體推算過程如下：

假設(shè)被測流體的阻抗Z₀＝X+Yj，其中X為電阻抗的實部，Y為電阻抗的虛部，j為復(fù)數(shù)阻抗的虛數(shù)單位，則激勵信號V_i(t)和經(jīng)過電流-電壓轉(zhuǎn)換電路之后的交流電壓信號V_out(t)之間的關(guān)系為：

$R_f\×\frac{A_{in}sin\mathrm{\ω}t}{X+Yj}=A_{out}sin(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\θ})$

其中，R_f為電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的放大倍數(shù)；

上式可以變換為復(fù)數(shù)形式：

$\frac{R_f{A}_{in}X}{X^2+Y^2}=A_{out}cos\mathrm{\θ}$

$-\frac{R_f{A}_{in}Y}{X^2+Y^2}=A_{out}sin\mathrm{\θ}$

將上述兩式聯(lián)立可求得實部阻抗X和虛部阻抗Y：

$X=\frac{R_f{A}_{in}cos\mathrm{\θ}}{A_{out}}$

$Y=-\frac{R_f{A}_{in}sin\mathrm{\θ}}{A_{out}}$

因此，可以得到被測流體的阻抗將計算出的A_out和θ帶入即可計算出最終結(jié)果。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的流體電阻抗測量方法，其特征在于：首先，通過調(diào)節(jié)激勵頻率或者虛擬電感模塊的電感值，使系統(tǒng)達(dá)到串聯(lián)諧振狀態(tài)，在該狀態(tài)下，虛擬電感模塊產(chǎn)生的感抗與耦合電容產(chǎn)生的容抗相互抵消，此時得到的阻抗即為管內(nèi)流體的等效阻抗Z＝Z₀，然后，通過數(shù)字相敏解調(diào)的方法，獲得流體電阻抗的完整信息Z₀＝X+Yj。