一种基于电桥法测量生物体介电常数装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种介电常数测量的装置，尤其测量离体生物体介电常数的测量。
【背景技术】
[0002] 生物体的介电常数是一个重要的物理量，它反映了生物体组织在外电场作用下的 极化特性和损耗现象的发生，它是由物质本身的内在属性所决定。同一生物体的不同组织 同一组织的含水量不同以及各组织的组成成分不同等等，都会导致介电常数的取值不同。
[0003] 生物体组织的介电常数是一个重要的物理量，它是研究电磁特性及电磁波与生物 体组织之间的相互作用。生物组织发生的病变，如发炎、水肿、充血或癌变等，都能在生物组 织的介电特性上反映，即相关组织的介电常数会发生变化，比如根据发生病变的组织与正 常组织介电常数的不同，可以检测到肿瘤的位置以及大小。因此测量生物组织的介电常数 具有实用价值和现实意义。
[0004] 测量介电常数的方法很多，根据测量频段的不同，使用的方法也有所区别。目前测 量介电常数采用的方法是有电桥法、谐振腔法、自由空间法、同轴探针法、传输法等。一般测 量复介电常数的方法可达到频率范围是I-IO 17Hz,温度的范围可从-273. 15°C到1650°C。但 即使是上述的范围，仍然存在测量的准确度的问题。因为对于同一种材料（非生物体组织 和生物体组织），不同的科研工作者报道的数据往往有出入。尤其是对于极低的损耗和极高 的损耗的材料，数据误差更大。而且目前用于测量生物体介电常数的方法也较少。中国发 明专利专利公开日为2014年04月23日，公开号CN201210255630公开了一种基于最小阻 抗频率的脑部水肿变化测量方法。该发明采用通过阻抗测量来计算负载阻抗，得到一种测 量大脑组织介电常数变化的方法，与本发明所采用基于电桥法测量的方法是两种原理，方 法各有利弊。而且本发明制作的装置携带方便，测量速度快，数据也比较准确，可以进行实 时监测装置使用。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种基于电桥法测量生物体介电常数装置，该装置不仅可以测量非 生物体的电容和介电常数，还可以测量离体的生物体的介电常数。
[0006] 为实现以上功能，本发明采用的技术方案为一种基于电桥法测量生物体介电常数 装置，该装置包括供电电路、传感器电路、信号采集电路、信号处理模块、数据显示模块；供 电电路为不同电路提供所需电压；传感器电路用以将电容值Cx转变为与之成反比的方波 振荡信号；信号采集电路用以将传感器电路产生的方波振荡信号进行采集并初步处理；信 号处理模块和数据显示模块用以将采集信号电路采集到的信号进行最终处理。
[0007] 如图1所示，供电电路为传感器电路、信号采集电路、信号处理模块和数据显示模 块提供相应电压，使得各电路及模块能够正常工作。传感器电路将传感器采集到的方波信 号传给信号采集电路，经过信号采集电路的滤波等工作，再送入到信号处理模块，经过信号 处理模块中的预置软件的程序处理，最后送到显示模块进行显示，显示出电容和介电常数 等值。
[0008] 所述信号采集模块与信号处理模块连接，信号采集模块将传感器电路输入的信号 接收并缓冲后输出至信号处理模块，以防止过大的干扰电压或电流过大对下游的单片机电 路造成干扰和损坏。
[0009] 所述信号处理模块采用单片机为主控芯片，其外围电路包括复位电路、晶振电路 和浪涌保护电路。复位电路是利用RC电路的延时特性，此处选用一个IOK电阻和IOnF电 容，时间延时符合系统芯片的复位要求。电阻、电容、开关并联后接于主控芯片的端口 3。并 且电阻上串联3. 3V电源。晶振电路选用的是8M无源晶振，8M无源晶振两端分别通过20pF 的电容接地，电路简单且很容易使晶振起振。浪涌保护电路是防止瞬间高电压损坏芯片而 采用的两个并联电容C1、C 2，浪涌保护电路与晶振电路连接后接于单片机端口 2。
[0010] 所述供电电路利用主控芯片和电路将充电电压从5V的电压降到4. 2V给锂电池充 电为传感器电路供电。
[0011] 在单片机为核心的信号处理模块和显示模块需3. 3V电源电压，由于锂电池的输 出电压高于3. 3V，所以需要电压转换芯片将电压转换成3. 3V，为信号处理模块和显示模块 供电。
[0012] 所述传感器电路中设有一平行板电容器，该平行板电容器的两平行板中间放置待 测生物体。
[0013] 所述平行板电容器的两平行板结构为圆形或方形，平行板电容器的两平行板的外 表面覆膜。
[0014] 所述平行板电容器的两平行板材料为铝或铜。并且据查阅文献，平行板电容的的 宽度H和间距d之比大于一定的值时边缘效应即可以忽略不计。因此圆形平行板的直径 设置为9cm - 11cm，而方形平行板的边长为8cm - 10cm，即其两平行板板最大间距需要小于 5mm - 6mm，并且在测量介电常数时要尽量减小极板间的间距。
[0015] 所述传感器电路包括电容器，多谐振荡电路；多谐振荡电路包括LMC555计数器、 电阻RU电阻R2。其中电容器连接于LMC555计数器的5端口，电阻RU电阻R2分别连接于 端口 5和端口 2。变换Rl和R2的阻值，便获得不同频率的方波信号。端口 3位于输出方波 信号端。
[0016] 所述单片机采用STM32R)51为主控芯片。
[0017] 单片机的EDA开发语言及软件平台是ARM公司开发的工具MDK，集Keil的 μ Vision IDE环境与ARM编译工具RVCT两者的优势于一体，又称之为Keil μ Vision 4,该 集成环境能够很好地完成代码的编辑、编译、链接、调试以及在线仿真调试。在这个平台上 编译的软件写入所需要计算的计算公式十分方便。
[0018] 单片机信号处理的算法是：当达到系统时钟的Ims (设定的单位时间），STM32芯片 已经捕获了 N个周期（周期性变化的次数），频率f、电容值即可求出，最终得到生物体的相 对介电常数。GPIO初始化、时基初始化、信号采集程序、信号处理程序如下：
[0019] GPIO 初始化
[0020] GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure ;// 初始化 GPIO 结构体
[0021] TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure ；
[0022] RCC_AHBPeriphClockCmd (RCC_AHBPeriph_GPIOA，ENABLE) ;// 使能 GPIOA
[0023] RCC_APBlPeriphClockCmd (RCC_APBlPeriph_HM2, ENABLE) ;// 使能 ??Μ2
[0024] GPIO_InitStructure. GPI0_Pin = GPI0_Pin_0 ;// 选择要控制的 GPIO 引脚 AO
[0025] RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOA, ENABLE)；
[0026] GPIO_InitStructure. GPI0_Mode = GPI0_Mode_AF ;// 设置引脚的模式为复用输 出
[0027] GPIO_InitStructure. GPI0_Speed = GPI0_Speed_50MHz ;// 引脚的速率为 50MHz
[0028] GPIO_InitStructure. GPI0_0Type = GPI0_0Type_PP ；
[0029] GPIO_InitStructure. GPI0_PuPd = GPI0_PuPd_N0PULL ；
[0030] GPI0_Init (GPIOA, &GPIO_InitStructure) ;// 按照上述控制参数初始化 GPIO
[0031] 时基初始化
[0032] TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure ；
[0033] RCC_APBlPeriphClockCmd(RCC_APBlPeriph_TIM2, ENABLE)；
[0034] TIM_TimeBaseStructure. TIM_Period = OxFFFFFFFF ;// 当定时器从 0 计数到 4294967295,即为4294967296次，为一个定时周期
[0035] TIM_TimeBaseStructure. TIM_Prescaler = 0 ;// 设置预分频：不预分频，即为 48MHz
[0036] TIM_TimeBaseStructure. TIM_ClockDivision = 0 ;// 设置时钟分频系数：不分频
[0037] TIM_TimeBaseStructure. TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up ;// 向上计数 模式
[0038] TIM_TimeBaseInit (TIM2, &TIM_TimeBaseStructure) ;// 按照上述控制参数初始 化 ??Μ2
[0039] 信号采集程序
[0040] /*配置??Μ2为外部触发输入捕获*/
[0041] TIM_ETRConfig(TIM2, TIM_ExtTRGPSC_OFF, TIM_ExtTRGPolarity_Inverted,0)； //??Μ2的时钟源选择外部触发输入捕获；无预分频器，即捕获每一个上升沿
[0042] TIM_SetCounter(TIM2, 0)；
[0043] HM_Cmd (TIM2, ENABLE) ;// 使能 TIM2
[0044] 信号处理程序
[0045] if (Main_Thread == I)
[0046] {
[0047] temp = TIM_GetCounter (TIM2) ;// 频率 f
[0048] temp2 = 1000000000000/ (temp*0. 693*32400*3) ;// 电容值
[0049] sprintf (b，Pmt: % · 3f' temp2*0. 005八0· 082*0. 082*8. 85)) ;// 相对介电常数
[0050] Main_Thread = 0 ；
[0051] HM_SetCounter(TIM2, 0) ;//设置 ??Μ2 数值为 0
[0052] 本发明专利的有益效果在于：本发明是以单片机STM32R)51为主控芯片，在传感 器电路成功将待测物体在先变为电容，再变为方波信号后被单片机的外围电路采集并输入 单片机进行处理，随后单片机将处理结果传输给显示模块。此装置原理简单，模块比较小、 方便携带、测量速度快，灵敏度高等特点。可以为实时监测与介电常数相关的参数提供一定 的便利。
【附图说明】
[0053] 图1为本装置的结构示意图。
[0054] 图2是猪肝1的介电常数随水分变化趋势图。
[0055] 图3是猪肝2的介电常数随水分变化趋势图。
【具体实施方式】
[0056] 下面将结合附图和实施例，详细说明本发明专利的技术方案。
[0057] 附图1是本发明专利的系统结构示意图。由图1可知，一种基于电桥法测量生物 体介电常数的装置，其特征在于：包括为不同电路提供所需要电压的供电电路、将将电容值 Cx转变为与之成反比的方波振荡信传感器电路，将传感器电路产生的方波信号采集并初步 处理的信号采集电路，将采集信号电路采集来的信号进行最终处理的信号处理模块和数据 显示模块。
[0058] 首先将不同电压供电模块将充电电压从5V的电压降到4. 2V给锂电池充电，为传 感器电路供电。而在传感器芯片和显示模块需要3. 3V的电源电压上，故由电压转换芯片将 电压转换