相位檢測在微弱信號(hào)測量中的應(yīng)用-模擬電子
相位檢測在微弱信號(hào)測量中的應(yīng)用 2011-05-17 10:49:14來源:互聯(lián)網(wǎng)
CHEN Youxian
(College of Information Science & Technology, Donghua University, Shanghai 200051, China)
Key words: feedback signal; RC network; natural frequency
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有很多旋轉(zhuǎn)物體，其內(nèi)部的溫度需要進(jìn)行測量和控制。諸如，輕紡工業(yè)中的烘筒，軋鋼機(jī)的軋棍，電機(jī)的轉(zhuǎn)子，以及化纖工業(yè)中的牽伸加熱輥等。由于被測物體是高速旋轉(zhuǎn)的，因此必須采用非接觸式方式進(jìn)行溫度測量。將鉑熱電阻和無源RC網(wǎng)絡(luò)組成一個(gè)可以跟隨被測物一起旋轉(zhuǎn)的傳感器，利用磁耦合將所需要的激勵(lì)信號(hào)非接觸地感應(yīng)到該傳感器中，成為無源RC網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)Vi(參見圖1)。該傳感器具有選頻功能，其輸出信號(hào)Vo再通過磁耦合非接觸地感應(yīng)出來成為反饋信號(hào)V′o。后繼的顯示控制儀對(duì)進(jìn)行分析處理，再轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的溫度，并和給定值進(jìn)行比較，從而控制被測物的表面溫度。
和的關(guān)系
2.1V′i和V′o是信號(hào)ωn——自然頻率的載體。
采用文氏電橋的RC無源網(wǎng)絡(luò)見圖2。該網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性，取R1=R2=RT(鉑熱電阻)，其自然頻率ωn為溫度T℃的函數(shù)，顯然，溫度T和自然頻率ωn呈一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。取Fn=ωn/2π，表1描述了溫度T和頻率Fn對(duì)應(yīng)的關(guān)系(部分?jǐn)?shù)據(jù))。而T與V′I和V′o的大小無關(guān)。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞中，ωn是我們需要的信息，而V′i和V′o只是信息的載體。
2.2的定量關(guān)系以及制約
是正弦激勵(lì)信號(hào)，ω為其角頻率，令=Vimsinωt，則反饋信號(hào)。設(shè)被測對(duì)象某一時(shí)刻溫度為T，對(duì)應(yīng)鉑熱電阻的電阻值為RT，RC網(wǎng)絡(luò)的自然頻率ωn=1RTC。取Vim=8V，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)角頻率ω＜ωn或ω＞ωn時(shí)，測得反饋信號(hào)Vom為600mV左右；當(dāng)激勵(lì)信號(hào)角頻率時(shí)，Vom理論值為0，實(shí)際值為30mV左右。參見圖3。
理論上，Vom=0，但實(shí)際測得V′o為幾十mV大小的交流信號(hào)。原因一，在激勵(lì)信號(hào)中除ω=ωn的頻率外，還有高次諧波的存在。而高次諧波的原因二，印刷線路分布電容的存在使激勵(lì)信號(hào)通過這些分布電容直接耦合給V′o，Vom當(dāng)然就不等于0了。
3.1獲取ωn，推算出被測溫度T
因?yàn)槲覀兪孪炔⒉恢辣粶y溫度T，但RC網(wǎng)絡(luò)的ωn是客觀存在的，并隨T的變化而變化。圖1中顯示控制儀的功能就是要獲得在這一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)的ωn，從而根據(jù)表1顯示該時(shí)刻的被測溫度T。
3.2V′i是一個(gè)從小到大變化的掃頻信號(hào)
V′i作為激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)RC網(wǎng)絡(luò)選頻獲得反饋信號(hào)經(jīng)整流，AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量V(n)。激勵(lì)信號(hào)的ω加大一個(gè)步長便可獲得V(n+1)，ω繼續(xù)加大便可獲得V(n+2)。單片機(jī)系統(tǒng)不斷進(jìn)行判斷，如V(n)、V(n+1)和V(n+2)的大小相仿，表示激勵(lì)信號(hào)的ω并非ωn。顯示控制儀發(fā)出的激勵(lì)信號(hào)其ω繼續(xù)加大，系統(tǒng)繼續(xù)判斷新的V(n)、V(n+1)和V(n+2)，如一旦某一時(shí)刻V(n+1)遠(yuǎn)比V(n)和V(n+2)小，那么，在n+1時(shí)刻的激勵(lì)信號(hào)的頻率ω就要儲(chǔ)存起來，因?yàn)樵擃l率ω就有可能是RC無源網(wǎng)絡(luò)的自然頻率ωn，它包含被測對(duì)象的溫度信息。
3.3利用相位檢測鎖定ωn
因?yàn)闇y量控制系統(tǒng)處在工廠現(xiàn)場中，時(shí)刻受到各種各樣的干擾。這些干擾的存在，會(huì)經(jīng)常產(chǎn)生瞬間最小值V(n+1)，且滿足V(n)V(n+1)以及V(n+2)V(n+1)的條件(見圖3)，這個(gè)最小值V(n+1)是虛假的，它對(duì)應(yīng)的ω不是我們要的ωn，所以必須剔除。如何辨別最小值V(n+1)是真是假呢
對(duì)文氏電橋的RC無源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步分析，其相頻特性(理論值)如圖4。在ω=ωn處，反饋信號(hào)V′o的相位發(fā)生跳變。對(duì)本檢測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測量，發(fā)現(xiàn)其的跳變比理論值還要大許多。我們完全可以借助于相位的跳變特性來判斷最小值V(n+1)的真假。
激勵(lì)信號(hào)ω每加大一個(gè)步長，只要這個(gè)步長恰當(dāng)
判斷φn+2減φn+1的值，如→0，則V(n+1)和V(n+2)的相位沒有發(fā)生跳變，V(n+1)的值雖然很小，但是是虛假的，應(yīng)剔除。如很大，則V(n)、V(n+1)和V(n+2)的相位發(fā)生了跳變，V(n+1)才是真正的最小值。此時(shí)刻V(n+1)的ω就是我們要鎖定的。參見圖4.
3.4小結(jié)
一旦單片機(jī)系統(tǒng)檢測到V(n)V(n+1)且V(n+2)V(n+1)；同時(shí)它們對(duì)應(yīng)的相位不滿足：φn≈φn+1≈φn+2，則鎖定此時(shí)刻V(n+1)的ω，并存儲(chǔ)起來，通過查表顯示相應(yīng)的溫度。
在非接觸測量旋轉(zhuǎn)物體內(nèi)部溫度時(shí)，所獲取的反饋信號(hào)相當(dāng)微弱，有可能會(huì)受到瞬間低電平信號(hào)的干擾。本文介紹一種利用相位檢測，來判斷所獲取的反饋信號(hào)是真是假，從而鎖定真信號(hào)并正確顯示被測對(duì)象溫度的方法。
關(guān)鍵詞：反饋信號(hào)；RC網(wǎng)絡(luò)；自然頻率
CHEN Youxian
(College of Information Science & Technology, Donghua University, Shanghai 200051, China)
Key words: feedback signal; RC network; natural frequency
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有很多旋轉(zhuǎn)物體，其內(nèi)部的溫度需要進(jìn)行測量和控制。諸如，輕紡工業(yè)中的烘筒，軋鋼機(jī)的軋棍，電機(jī)的轉(zhuǎn)子，以及化纖工業(yè)中的牽伸加熱輥等。由于被測物體是高速旋轉(zhuǎn)的，因此必須采用非接觸式方式進(jìn)行溫度測量。將鉑熱電阻和無源RC網(wǎng)絡(luò)組成一個(gè)可以跟隨被測物一起旋轉(zhuǎn)的傳感器，利用磁耦合將所需要的激勵(lì)信號(hào)非接觸地感應(yīng)到該傳感器中，成為無源RC網(wǎng)絡(luò)的輸入信號(hào)Vi(參見圖1)。該傳感器具有選頻功能，其輸出信號(hào)Vo再通過磁耦合非接觸地感應(yīng)出來成為反饋信號(hào)V′o。后繼的顯示控制儀對(duì)進(jìn)行分析處理，再轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的溫度，并和給定值進(jìn)行比較，從而控制被測物的表面溫度。
和的關(guān)系
2.1V′i和V′o是信號(hào)ωn——自然頻率的載體。
采用文氏電橋的RC無源網(wǎng)絡(luò)見圖2。該網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性，取R1=R2=RT(鉑熱電阻)，其自然頻率ωn為溫度T℃的函數(shù)，顯然，溫度T和自然頻率ωn呈一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。取Fn=ωn/2π，表1描述了溫度T和頻率Fn對(duì)應(yīng)的關(guān)系(部分?jǐn)?shù)據(jù))。而T與V′I和V′o的大小無關(guān)。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞中，ωn是我們需要的信息，而V′i和V′o只是信息的載體。
2.2的定量關(guān)系以及制約
是正弦激勵(lì)信號(hào)，ω為其角頻率，令=Vimsinωt，則反饋信號(hào)。設(shè)被測對(duì)象某一時(shí)刻溫度為T，對(duì)應(yīng)鉑熱電阻的電阻值為RT，RC網(wǎng)絡(luò)的自然頻率ωn=1RTC。取Vim=8V，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)角頻率ω＜ωn或ω＞ωn時(shí)，測得反饋信號(hào)Vom為600mV左右；當(dāng)激勵(lì)信號(hào)角頻率時(shí)，Vom理論值為0，實(shí)際值為30mV左右。參見圖3。
理論上，Vom=0，但實(shí)際測得V′o為幾十mV大小的交流信號(hào)。原因一，在激勵(lì)信號(hào)中除ω=ωn的頻率外，還有高次諧波的存在。而高次諧波的原因二，印刷線路分布電容的存在使激勵(lì)信號(hào)通過這些分布電容直接耦合給V′o，Vom當(dāng)然就不等于0了。
3.1獲取ωn，推算出被測溫度T
因?yàn)槲覀兪孪炔⒉恢辣粶y溫度T，但RC網(wǎng)絡(luò)的ωn是客觀存在的，并隨T的變化而變化。圖1中顯示控制儀的功能就是要獲得在這一時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)的ωn，從而根據(jù)表1顯示該時(shí)刻的被測溫度T。
3.2V′i是一個(gè)從小到大變化的掃頻信號(hào)
V′i作為激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)RC網(wǎng)絡(luò)選頻獲得反饋信號(hào)經(jīng)整流，AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量V(n)。激勵(lì)信號(hào)的ω加大一個(gè)步長便可獲得V(n+1)，ω繼續(xù)加大便可獲得V(n+2)。單片機(jī)系統(tǒng)不斷進(jìn)行判斷，如V(n)、V(n+1)和V(n+2)的大小相仿，表示激勵(lì)信號(hào)的ω并非ωn。顯示控制儀發(fā)出的激勵(lì)信號(hào)其ω繼續(xù)加大，系統(tǒng)繼續(xù)判斷新的V(n)、V(n+1)和V(n+2)，如一旦某一時(shí)刻V(n+1)遠(yuǎn)比V(n)和V(n+2)小，那么，在n+1時(shí)刻的激勵(lì)信號(hào)的頻率ω就要儲(chǔ)存起來，因?yàn)樵擃l率ω就有可能是RC無源網(wǎng)絡(luò)的自然頻率ωn，它包含被測對(duì)象的溫度信息。
3.3利用相位檢測鎖定ωn
因?yàn)闇y量控制系統(tǒng)處在工廠現(xiàn)場中，時(shí)刻受到各種各樣的干擾。這些干擾的存在，會(huì)經(jīng)常產(chǎn)生瞬間最小值V(n+1)，且滿足V(n)V(n+1)以及V(n+2)V(n+1)的條件(見圖3)，這個(gè)最小值V(n+1)是虛假的，它對(duì)應(yīng)的ω不是我們要的ωn，所以必須剔除。如何辨別最小值V(n+1)是真是假呢
對(duì)文氏電橋的RC無源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步分析，其相頻特性(理論值)如圖4。在ω=ωn處，反饋信號(hào)V′o的相位發(fā)生跳變。對(duì)本檢測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測量，發(fā)現(xiàn)其的跳變比理論值還要大許多。我們完全可以借助于相位的跳變特性來判斷最小值V(n+1)的真假。
激勵(lì)信號(hào)ω每加大一個(gè)步長，只要這個(gè)步長恰當(dāng)
判斷φn+2減φn+1的值，如→0，則V(n+1)和V(n+2)的相位沒有發(fā)生跳變，V(n+1)的值雖然很小，但是是虛假的，應(yīng)剔除。如很大，則V(n)、V(n+1)和V(n+2)的相位發(fā)生了跳變，V(n+1)才是真正的最小值。此時(shí)刻V(n+1)的ω就是我們要鎖定的。參見圖4.
3.4小結(jié)
一旦單片機(jī)系統(tǒng)檢測到V(n)V(n+1)且V(n+2)V(n+1)；同時(shí)它們對(duì)應(yīng)的相位不滿足：φn≈φn+1≈φn+2，則鎖定此時(shí)刻V(n+1)的ω，并存儲(chǔ)起來，通過查表顯示相應(yīng)的溫度。
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