CN102455239B - 一种用锁相放大器对动平衡机微弱信号检测的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用锁相放大器对动平衡机微弱信号检测方法的实现装置，包括：信号处理电路、微处理器电路、模拟开关电路、无源低通滤波电路、校准/测量开关和数据传输电路；所述信号处理电路接收动平衡机输出的微弱信号，并将该信号进行正反两个方向放大；同时将参考信号S_ref放大整形成方波信号作为斩波的开关；所述微处理器电路接收来自信号处理电路的方波信号，并对模拟开关的时机进行调整；所述无源低通滤波电路接收模拟开关输出信号；所述数据传输电路将校准/测量开关的输出信号通过USB接口传输至PC机。本发名的实现装置具有成本低的优点，且检测精度高，偏差低。

Description

一种用锁相放大器对动平衡机微弱信号检测的方法及装置

技术领域

本发明涉及动平衡机技术、微弱信号检测技术，具体地说是一种用锁相放大器对动平衡机微弱信号检测的方法及装置。

背景技术

动平衡机是用于测定转子不平衡量的设备，并按其测量结果对转子进行校正，以改善转子的质量分布，使转子转动时的振动或作用于轴承的力减少到允许使用范围内。在动平衡机的结构中，锁相放大器(lock in amplifier，LIA)是进行微弱信号检测的必要仪器之一。目前有模拟LIA和数字LIA两种主要的锁相放大器，其中模拟LIA价格低廉但是有温度漂移，数字LIA精度高但是一般要用数字信号处理器或大规模可编程逻辑电路，成本很高，针对以上情况，一种动平衡机用锁相放大器设计方法及装置的提出就有了重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种低成本、低偏差、高精度的一种用锁相放大器对动平衡机微弱信号检测的方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用锁相放大器对动平衡机微弱信号检测的方法，

工作原理为：

(1)，设参考信号为S_ref＝a*cos(ωt)，待测信号为S_in＝b*cos(ωt+φ)，那么两个信号的乘积为：S_mult＝S_ref*S_in＝-0.5*a*b*(cos(2ωt)+cos(φ))；

(2)，利用无源低通滤波器滤除2ωt及更高频率的信号，且假设滤波器具有理想的频率响应，得S_out＝-0.5*a*b*cos(φ)，即S_out为只受cos(φ)调制的信号，通过调整参考信号和待测信号之间的相位差使φ＝0，可以得到最大的输出S_outmax＝-0.5*a*b；

测量过程为：

第一步，对S_in信号进行斩波调制，即利用模拟开关将S_in进行正反两个方向斩波，所述斩波的开关由S_ref信号经整形提供；

第二步，再将第一步中斩波调制的输出信号进行低通滤波，得到锁相放大器的输出S_out，微处理器利用模数转换模块采集该输出，并通过传输接口将测量值传输给PC机。

包括校准过程为：

将S_ref进行放大接入模拟比较器，作为微处理器的中断输入，然后利用定时器对该信号进行移向输出作为模拟开关的开关信号，然后模数转换器不断采集锁相放大器的输出S_out，在某一时刻，该输出为最大，校准结束，微处理器记录该时刻的相移，并将其作为本次测量的标准，校准工作结束。

一种用锁相放大器对动平衡机微弱信号检测的方法的实现装置，包括：信号处理电路、微处理器电路、模拟开关电路、无源低通滤波电路、校准/测量开关和数据传输电路；

所述信号处理电路接收动平衡机输出的微弱信号，并将该信号进行正反两个方向放大，所述信号处理电路同时将参考信号S_ref放大并整形成方波信号作为斩波的开关；

所述微处理器电路接收来自信号处理电路的方波信号，以该信号为基准微处理器电路对模拟开关的时机进行调整；所述模拟开关接收来自微处理器电路的开关信号，所述模拟开关选择正向信号或反向信号输出；所述无源低通滤波电路接收模拟开关输出信号，将模拟开关的输出信号进行低通滤波，除去该输出信号中的高频分量；所述校准/测量开关接收模拟开关的信号，进行选通校准或测量；所述数据传输电路将校准/测量开关的输出信号通过USB接口传输至PC机。

所述微处理器电路的控制流程为：

***上电后，

检测校准/测量开关判断是校准，还是测量；

如果为校准，则判断是否进行模数转换；如果为否，则校准完成；

如果为是，则进行相位调整和校准，校准完成；校准完成后进行测量；

如果为测量，则判断是否进行模数转换；如果为否，则测量完成；如果为是，则进行测量和数据传输，最后测量完成；

将测量结果输出至PC机。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.低成本；本发明利用高速的模拟开关和廉价的微处理器配合使用，避免了昂贵的数字信号处理器和大规模逻辑电路，从而降低了成本。

2.低偏差；本发明使用了高精度模数转换器进行相位校准，降低了锁定偏差。

3.高精度；本发明利用数字技术控制模拟开关的开关时机，从而控制源信号和参考信号的相位差，提高控制精度。

附图说明

图1为本发明装置工作原理示意图；

图2为本发明装置测量原理示意图；

图3为本发明装置校准原理示意图；

图4为本发明装置电路原理示意图；

图5为本发明装置控制流程示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，一种用锁相放大器对动平衡机微弱信号检测的方法，工作原理为：

(1)，设参考信号为S_ref＝a*cos(ωt)，待测信号为S_in＝b*cos(ωt+φ)，那么两个信号的乘积为：S_mult＝S_ref*S_in＝-0.5*a*b*(cos(2ωt)+cos(φ))；

(2)，利用无源低通滤波器滤除2ωt及更高频率的信号，且假设滤波器具有理想的频率响应，得S_out＝-0.5*a*b*cos(φ)，即S_out为只受cos(φ)调制的信号，通过调整参考信号和待测信号之间的相位差使φ＝0，可以得到最大的输出S_outmax＝-0.5*a*b。

测量过程为：

第一步，对S_in信号进行斩波调制，即利用模拟开关将S_in进行正反两个方向斩波，所述斩波的开关由S_ref信号经整形提供；

第二步，再将第一步中斩波调制的输出信号进行低通滤波，得到锁相放大器的输出S_out，微处理器利用模数转换模块采集该输出，并通过传输接口将测量值传输给PC机。

如图3所示，本发明还包括校准过程为：将S_ref进行放大接入模拟比较器，作为微处理器的中断输入，然后利用定时器对该信号进行移向输出作为模拟开关的开关信号，然后模数转换器不断采集锁相放大器的输出S_out，在某一时刻，该输出为最大，校准结束，微处理器记录该时刻的相移，并将其作为本次测量的标准，校准工作结束。

如图4所示，本发明的实现装置包括：信号处理电路、微处理器电路、模拟开关电路、无源低通滤波电路、校准/测量开关和数据传输电路；所述信号处理电路接收动平衡机输出的微弱信号，并将该信号进行正反两个方向放大，所述信号处理电路同时将参考信号S_ref放大并整形成方波信号作为斩波的开关；所述微处理器电路接收来自信号处理电路的方波信号，以该信号为基准微处理器电路对模拟开关的时机进行调整；所述模拟开关接收来自微处理器电路的开关信号，所述模拟开关选择正向信号或反向信号输出；所述无源低通滤波电路接收模拟开关输出信号，将模拟开关的输出信号进行低通滤波，除去该输出信号中的高频分量；所述校准/测量开关接收模拟开关的信号，进行选通校准或测量；所述数据传输电路将校准/测量开关的输出信号通过USB接口传输至PC机。

如图5所示，本发明实现装置中，所述微处理器电路的控制流程为：

***上电后，

检测校准/测量开关判断是校准，还是测量；

如果为校准，则判断是否进行模数转换；如果为否，则校准完成；

如果为是，则进行相位调整和校准，校准完成；校准完成后进行测量；

如果为测量，则判断是否进行模数转换；如果为否，则测量完成；如果为是，则进行测量和数据传输，最后测量完成；

最后通过USB将测量结果传送到PC机直到完成测量。

Claims (4)

1.一种用锁相放大器对动平衡机微弱信号检测的方法，其特征在于：

工作原理为：

(1)，设参考信号为S_ref＝a*cos(ωt)，待测信号为S_in＝b*cos(ωt+φ)，那么两个信号的乘积为：S_mult＝S_ref*S_in＝-0.5*a*b*(cos(2ωt)+cos(φ))；

(2)，利用无源低通滤波器滤除2ωt及更高频率的信号，且假设滤波器具有理想的频率响应，得S_out＝-0.5*a*b*cos(φ)，即S_out为只受cos(φ)调制的信号，通过调整参考信号和待测信号之间的相位差使φ＝0，可以得到最大的输出S_outmax＝-0.5*a*b；

测量过程为：

第一步，对S_in信号进行斩波调制，即利用模拟开关将S_in进行正反两个方向斩波，所述斩波的开关由S_ref信号经整形提供；

第二步，再将第一步中斩波调制的输出信号进行低通滤波，得到锁相放大器的输出S_out，微处理器利用模数转换模块采集该输出，并通过传输接口将测量值传输给PC机。

2.按权利要求1所述的一种用锁相放大器对动平衡机微弱信号检测的方法，其特征在于：包括校准过程为：

将S_ref进行放大接入模拟比较器，作为微处理器的中断输入，然后利用定时器对该信号进行移向输出作为模拟开关的开关信号，然后模数转换器不断采集锁相放大器的输出S_out，在某一时刻，该输出为最大，校准结束，微处理器记录该时刻的相移，并将其作为本次测量的标准，校准工作结束。

3.按权利要求1所述的一种用锁相放大器对动平衡机微弱信号检测的方法的实现装置，其特征在于：

包括：信号处理电路、微处理器电路、模拟开关电路、无源低通滤波电路、校准/测量开关和数据传输电路；

所述信号处理电路接收动平衡机输出的微弱信号，并将该信号进行正反两个方向放大，所述信号处理电路同时将参考信号S_ref放大并整形成方波信号作为斩波的开关；

所述微处理器电路接收来自信号处理电路的方波信号，以该信号为基准微处理器电路对模拟开关的时机进行调整；所述模拟开关接收来自微处理器电路的开关信号，所述模拟开关选择正向信号或反向信号输出；所述无源低通滤波电路接收模拟开关输出信号，将模拟开关的输出信号进行低通滤波，除去该输出信号中的高频分量；所述校准/测量开关接收模拟开关的信号，进行选通校准或测量；所述数据传输电路将校准/测量开关的输出信号通过USB接口传输至PC机。

4.按权利要求3所述的一种用锁相放大器对动平衡机微弱信号检测方法的实现装置，其特征在于：

所述微处理器电路的控制流程为：

***上电后，

检测校准/测量开关判断是校准，还是测量；

如果为校准，则判断是否进行模数转换；如果为否，则校准完成；

如果为是，则进行相位调整和校准，校准完成；校准完成后进行测量；

如果为测量，则判断是否进行模数转换；如果为否，则测量完成；如果为是，则进行测量和数据传输，最后测量完成；

将测量结果输出至PC机。

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