基于高调制频率的快速数字锁相算法

为了提高数字锁相的检测速度以及其最高调制频率,改善数字锁相放大的实时检测性能,文中提出了一种新型快速数字锁相算法。文中根据方波参考信号傅里叶展开存在奇次谐波,使得调制频率等于参考信号频率的2m-1倍。同时,通过将采样频率设为调制频率的4的整数倍,保证两路参考信号的正交性。在相敏检波算法实现中,仅仅存在加减法运算,消除了乘法运算,提高了数字锁相算法的运算速度。而且,基于普通微处理器的数字锁相放大能达到的最高调制频率也得到了有效的提升,改善了锁相放大的实时性能。实验表明,该算法既具备较高的速度,又能提高锁相放大的实时性,使得数字锁相对微弱信号的实时检测在普通微处理器上的实现成为可能。     

基于正交锁相放大器的微弱应变信号检测系统

在工业现场利用应变传感器进行形变测量时,被测物在小负荷作用下使得传感器输出的应变信号十分微弱。微弱信号有时甚至会被现场的强噪声信号完全淹没,这时提取有效的微弱信号将变得非常困难。针对这种实际问题,应用相关检测法设计了基于正交锁相放大器的微弱应变信号检测系统。在设计中,待测微弱应变信号通过信号调理、低噪声放大和带通滤波后与严格正交的两路参考信号进行相乘。然后,将乘法器输出信号进行低通滤波得到与待测信号幅值成正比的直流信号。对直流信号经过A/D采集和计算实现微弱应变信号的检测。经过Simulink仿真、现场实验与运行,结果表明系统能有效地抑制噪声信号,准确测量出微弱的应变信号。     

基于正交锁相放大器的风洞天平信号检测系统

为了提高六分量天平信号的检测精度和抗干扰能力,设计了一种基于正交锁相放大器的风洞天平信号检测系统,由电桥激励源、正交参考信号源、正交锁相放大器及A/D转换等模块电路组成。设计的正交参考信号源采用数字闭环反馈控制方式,有利于参考信号的实时监测与调整,在实测中有效实现激励信号±2.5V、参考信号为1V条件下幅度波动小于2%,正交锁相放大器用于实现六路电桥输出信号同参考信号的正交检波,并输出双路直流分量,经放大处理后转换为数字信号,由MCU计算得到各路电桥的实际输出信号值。经过测试分析,系统能够较准确地检测天平信号,且电桥检测信号有效分辨率约1μV,最大误差为2μV,准确度优于0.2%,有效验证了系统整体设计参数要求,并在实际测试中具有较大的抗干扰特效。     

LS7266R1在双轴位置信号检测中的应用

在数控机床和加工中心等设备中,大多利用直线光栅或圆光栅编码器来测量直线位移或角位移,该传感器输出信号经放大、整形后转换为两路正交编码脉冲信号。针对闭环位置控制系统中的光栅编码器多轴位置信号检测装置,介绍和分析了双轴正交信号鉴相器LS7266R1的功能及内部结构,提出了基于LS7266R1的位置采集电路和软件设计,给出了在数控系统位置检测装置中利用LS7266R1芯片对多组数字信号进行检测的实例并证实采用该芯片不仅组态灵活,适用于多种应用场合,计数范围广、计数频带宽,而且可以简化系统硬件设计,提高系统的可靠性。     

串并转换思想与绝对式时栅传感器的频响特性研究

在分析绝对式时栅位移传感器频响特性的基础上，介绍了一种在数字信号处理电路中的数据串并转换思想，并提出了一种基于串并转换思想的绝对式时栅信号处理电路设计方案。信号处理电路采用了复杂可编程逻辑器件（CPLD）芯片，预处理电路将测头信号进行模数转换后，经可编程多路切换器模块处理，自适应地将原始测头信号分别转换为对应的多路并行信号，各路对应的分频信号通过比相电路及传感器信号处理电路模块运算后转换为绝对位移脉冲测量信号，最后将多路绝对位移脉冲测量信号进行并串转换操作输出测量值。对信号处理电路进行了仿真，结果证明，该方法可大大提高时栅位移传感器的频响特性，从而为绝对式时栅位移传感器提供了一种应用于动态测控系统的解决方法。     

基于FPGA的时栅传感器信息处理系统

提出一种基于FPGA技术的时栅传感器信息处理系统解决方案,该系统通过在单片FPGA上基于NoisⅡ软核实现整个系统的构建.经过对时栅传感器样机的测试,完成了利用高频脉冲插补感应信号和参考信号之间相位检测,实现了高精度、高分辨力测量角位移量.     

时栅位移传感器在传动误差检测系统中的应用研究

采用"时域信号、空域分析"的思想,将时栅位移传感器输出的按时采样的角位移传感器信号转换成按空间均分的角位移信号,实现了用时栅替代等空间采样的光栅作为检测元件应用于传动误差测量。搭建了试验装置,绘制了试验的传动误差曲线,由曲线频谱图,分析、确定了误差的主要产生环节。证明了用时栅代替光栅测量传动误差是行之有效的。该研究不仅实现了用成本低廉的时栅代替光栅,而且克服了课题组前期开发的传动误差测试系统的采样不稳定性和速率不同步性带来的误差。     

基于FPGA的新型数字锁相倍频方法

为了克服模拟锁相倍频电路在应用过程中易受温度和电压影响、锁相时间长、存在直流零点漂移及部件饱和等缺欠,以实现对被测信号的高速高精度采样,提出了一种基于FPGA的新型数字锁相倍频方法.该方法依据锁相倍频的基本原理,通过检测被测信号的边缘计算出频率值,找到相应的指针位置,再根据产生的分频因子来控制数控振荡器的输出信号,从而完成对被采集信号的锁相倍频.经过仿真分析,验证了该方法的可行性,证明了其具有精度高、锁相速度快等优点.     

静电悬浮转子微陀螺微位移信号检测系统的设计

为实现对悬浮转子微陀螺转子五自由度的测量,提出了一种频分复用的微位移检测原理,主要介绍了多频率信号发生器,前置放大器,锁相放大器组成的测试系统,设计了一种基于DDS技术的多频率信号发生器和基于锁相放大原理的解调电路。实验和分析结果表明,该电路能实现多自由度微位移检测,设计的多频率信号发生器的频率分辨率能达到0．005821Hz,相位分辨率可以达到0．006rad,检测轴向灵敏度为1．34V／μm,检测径向灵敏度为0．092V／μm,测量电路的轴向位移分辨率为0．45nm,径向位移分辨率为6．6nm,转角的分辨率为0．25μrad,位移检测电路的分辨率,灵敏度和测量范围能够满足静电悬浮转子微陀螺的控制需要。     

基于自补偿技术的时栅电流型激励信号源设计

三相激励信号源的相位对称性将直接影响时栅位移传感器性能,针对这一特点,设计了一种基于自补偿技术的电流型时栅三相激励信号源,该信号源采用直接数字频率合成技术产生三路正交的正弦信号,经相位自检和自修后,使三相激励信号源达到高稳定和高精度三相对称.实验表明该设计大大提高了时栅位移传感器的稳定性和测量精度.     

锁定放大微弱信号检测仿真与设计研究

为解决商用锁定放大器不便于特定应用背景下微弱信号检测系统的灵活扩展与剪裁,该文分析了正交锁定放大的基本原理,建立了正交锁定放大的MATLAB/SIMULINK数学模型,展示了锁定放大所能达到的性能以及数字信号处理对锁定放大性能的改善效果。给出了正交锁定放大检测装置的硬件设计过程,包括前端信号调理电路、移相电路、相敏检测电路、低通滤波电路、均方值电路及数字显示电路等。仿真表明,在高斯噪声影响下,微弱信号检测可以达到较高的检测精度,且通过滑动平均值滤波算法可以有效提高检测的精度。实验研究表明,在噪声信号峰峰值为10 V情况下,可以将50 m V的有用信号提取出来,且在50 m V以上可以拟合出较好的输入输出线性关系,便于检测装置的标定。     

Digital Lock-in Amplifier Based on Microcontroller

A method of implementing high cost-effective and highly integrated digital lock-in amplifier with microcontroller is discussed. And the digital lock-in amplifier is more suitable for measuring low-frequency weak signal.Digital signal sequence is obtained through sampling signal measured over an integer number of signal periods, but digital reference sequence is acquired through mathematical operation, then digital phase sensitive detection can be implemented by calculating the cross-correlation function of digital signal sequence and digital reference sequence.In addition, the frequency response and phase character of the digital lock-in amplifier is analyzed. Finally, the designed digital lock-in amplifier is achieved. Experimental results show that the digital lock-in amplifier can be used for measuring weak signal with low ignal-to-noise ratio.     

光纤光栅微弱信号检测的解调电路

为了在光纤光栅匹配解调系统中实现对光纤光栅微弱信号的检测与处理,在应用微弱光电信号检测原理的基础上设计一种高信噪比、高检测精度的解调电路,该解调电路采用低噪声电路元件参数选取原则和前置放大器设计的一般方法,在雪崩光电二极管与信号数模转换之间采用互阻放大器、巴特沃斯滤波电路和多级放大电路,实现了电路的最佳噪声匹配,有效地抑制了电路的噪声和干扰。该解调电路在光纤光栅匹配解调系统中具有很高的信噪比和测量精度,且具有很好的灵敏度,在测量低频率振动信号试验中具有优异的性能。实验表明:该电路解调系统在25～200 Hz正弦激励振动信号下具有很好的低噪声性能,精确的测试出振动信号,同时该电路所采用的方法与措施对其他测量系统也有借鉴意义。     

基于DSP2812的运动控制器设计

介绍了一种以TMS320X2812 DSP为控制核心的运动控制器的设计方法,重点介绍了转轴角位移的测量装置以及电机加载信号发生器的电路设计.该系统利用处理器芯片内部集成的正交编码脉冲单元(QEP)对圆光栅产生的正交脉冲信号进行采集,并在上位机上显示结果,实现了对轴转角的精确测量;而且可以输出各种类型的加载信号,控制电机的运动.     

基于CPLD的光栅信号处理专用接口芯片设计

针对光栅位移传感器输出的莫尔条纹信号,采用可编程逻辑器件(CPLD)EPM7128设计研制了由4细分与辨向模块、24位可逆计数模块以及总线接口模块构成的光栅信号处理专用接口芯片。简要介绍了光栅位移传感器的工作原理,详细介绍了细分与辩向、计数和接口模块的内部算法实现逻辑及编程方法。芯片的电路设计采用硬件描述语言VHDL,开发环境应用MAXPLUSⅡ。完成的光栅位移传感器信号处理电路精度高、测量范围大,可实现数字量输出,方便的与计算机接口。     

基于应变片阵列的机器人变刚度关节力矩传感器研究

设计了一种新型的机器人关节力矩传感器,主要用于获取关节处的力矩和转角信息,以此来计算关节刚度。传感器是由传递力矩的弹性体、旋转电位计和信号处理电路组成。弹性体通过结构参数的设计与优化来提高灵敏度。信号处理电路一方面用于对旋转电位计的输出电压信号进行滤波,另一方面对由2×2应变片阵列组成的两组全桥电路进行放大和滤波处理。最后,通过对传感器进行加载实验获得力矩、角位移与输出电压的关系,采用最小二乘法对传感器进行静态标定。传感器输出的转角和力矩信息可作为控制系统的调控依据。     

通用型光栅信号处理系统的研制

为了实现基于光栅传感器的位移测量,设计了一种通用光栅信号处理系统。无论光栅尺的输出是方波信号还是正弦波信号,处理系统均可识别并处理。运用FPGA芯片对光栅信号进行四倍频细分、辨向以及可逆计数。计数得到光栅扫描测头的位移数据经由DSP预处理,然后通过ISA或串口传到上位机,并由液晶显示位移结果。实现了对光栅信号的测量处理过程,同时通用性得到了提高。     

基于平面线圈的高分辨力时栅角位移传感器

针对现有时栅角位移传感器采用漆包线绕制工艺加工线圈,导致线圈布线不均且容易随时间发生变化进而影响测量精度的问题,提出一种基于PCB技术的新型时栅角位移传感器。该传感器通过在PCB基板的不同层上布置特定形状的激励线圈和感应线圈,形成两个完全相同并沿圆周空间正交的传感单元;当在两传感单元的激励线圈中分别通入时间正交的两相激励电流后,通过导磁定子基体和具有特定齿、槽结构的导磁转子对传感单元内的磁场实施精确约束,使两传感单元的感应线圈串联输出初相角随转子转角变化的正弦感应信号;最后通过高频时钟脉冲插补初相角实现精密角位移测量。利用有限元分析软件对传感器进行了建模和仿真。根据仿真模型制作了传感器实物,开展了验证实验,并对实验中角位移测量误差的频次和来源进行了详细分析。经过标定和补偿,最终获得了整周范围内误差在-2.82″~2.02″的时栅角位移传感器。理论推导、仿真分析和实验验证均表明,该传感器不仅能实现精密角位移测量,还能在激励线圈和感应线圈空间极距和信号质量不变的情况下,将位移测量的分辨力从信号源头提高1倍,且结构简单稳定、极易实现,特别适用于环境恶劣的工业现场。     

时栅位移传感器的误差修正实用技术

针对时栅角位移传感器定子和转子的加工误差对测量精度的影响,利用多测头法分离出多次谐波成分并加以修正.根据场式时栅角位移传感器的误差特点,针对32对极场式时栅进行了理论分析,分离并消除64次及64的整数倍次以外的谐波分量.定子和转子线槽的分度误差被修正以后,时栅角位移传感器测量精度达到了2′的预定指标.     

基于谐波检测的光谱吸收型光纤瓦斯传感器

针对目前煤矿普遍采用的热催化瓦斯探测传感器的检测灵敏度低、环境干扰大的缺陷,设计了基于谐波检测的光谱吸收型光纤瓦斯传感器。该传感器采用锁相放大器为核心的微弱信号处理电路,通过对一次谐波和二次谐波的实验数据进行数据拟合,实现了对瓦斯气体浓度的实时精确检测。实验结果表明:该传感器能够有效地提取瓦斯浓度变化信息,测量误差小,灵敏度高。