專利名稱：一種用鎖相放大器對動平衡機微弱信號檢測的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及動平衡機技術(shù)、微弱信號檢測技術(shù)，具體地說是一種用鎖相放大器對動平衡機微弱信號檢測的方法及裝置。
背景技術(shù)：
動平衡機是用于測定轉(zhuǎn)子不平衡量的設(shè)備，并按其測量結(jié)果對轉(zhuǎn)子進行校正，以改善轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的振動或作用于軸承的力減少到允許使用范圍內(nèi)。在動平衡機的結(jié)構(gòu)中，鎖相放大器(lock in amplifier, LIA)是進行微弱信號檢測的必要儀器之一。目前有模擬LIA和數(shù)字LIA兩種主要的鎖相放大器，其中模擬LIA價格低廉但是有溫度漂移，數(shù)字LIA精度高但是一般要用數(shù)字信號處理器或大規(guī)?？删幊踢壿嬰娐罚杀竞芨?，針對以上情況，一種動平衡機用鎖相放大器設(shè)計方法及裝置的提出就有了重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種低成本、 低偏差、高精度的一種用鎖相放大器對動平衡機微弱信號檢測的方法及裝置。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種用鎖相放大器對動平衡機微弱信號檢測的方法，工作原理為(1)，設(shè)參考信號為= a*cos ( ω t)，待測信號為Sin = b*cos ( ω t+ Φ )，那么兩個信號的乘積為=Smult = Sref*Sin = -0. 5*a*b* (cos (2 ω t) +cos ( Φ))；(2)，利用無源低通濾波器濾除2 ω t及更高頻率的信號，且假設(shè)濾波器具有理想的頻率響應(yīng)，得S。ut = -0. 5*a*b*C0S ( Φ)，即S。ut為只受cos ( Φ)調(diào)制的信號，通過調(diào)整參考信號和待測信號之間的相位差使Φ = 0，可以得到最大的輸出S。utmax = -0. 5*a*b ；測量過程為第一步，對Sin信號進行斬波調(diào)制，即利用模擬開關(guān)將Sin進行正反兩個方向斬波， 所述斬波的開關(guān)由信號經(jīng)整形提供；第二步，再將第一步中斬波調(diào)制的輸出信號進行低通濾波，得到鎖相放大器的輸出s。ut，微處理器利用模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集該輸出，并通過傳輸接口將測量值傳輸給PC機。包括校準(zhǔn)過程為將進行放大接入模擬比較器，作為微處理器的中斷輸入，然后利用定時器對該信號進行移向輸出作為模擬開關(guān)的開關(guān)信號，然后模數(shù)轉(zhuǎn)換器不斷采集鎖相放大器的輸出 Sout,在某一時刻，該輸出為最大，校準(zhǔn)結(jié)束，微處理器記錄該時刻的相移，并將其作為本次測量的標(biāo)準(zhǔn)，校準(zhǔn)工作結(jié)束。一種用鎖相放大器對動平衡機微弱信號檢測的方法的實現(xiàn)裝置，包括信號處理電路、微處理器電路、模擬開關(guān)電路、無源低通濾波電路、校準(zhǔn)/測量開關(guān)和數(shù)據(jù)傳輸電路；所述信號處理電路接收動平衡機輸出的微弱信號，并將該信號進行正反兩個方向放大，所述信號處理電路同時將參考信號SMf放大并整形成方波信號作為斬波的開關(guān)；所述微處理器電路接收來自信號處理電路的方波信號，以該信號為基準(zhǔn)微處理器電路對模擬開關(guān)的時機進行調(diào)整；所述模擬開關(guān)接收來自微處理器電路的開關(guān)信號，所述模擬開關(guān)選擇正向信號或反向信號輸出；所述無源低通濾波電路接收模擬開關(guān)輸出信號， 將模擬開關(guān)的輸出信號進行低通濾波，除去該輸出信號中的高頻分量；所述校準(zhǔn)/測量開關(guān)接收模擬開關(guān)的信號，進行選通校準(zhǔn)或測量；所述數(shù)據(jù)傳輸電路將校準(zhǔn)/測量開關(guān)的輸出信號通過USB接口傳輸至PC機。所述微處理器電路的控制流程為系統(tǒng)上電后，檢測校準(zhǔn)/測量開關(guān)判斷是校準(zhǔn)，還是測量；如果為校準(zhǔn)，則判斷是否進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；如果為否，則校準(zhǔn)完成；如果為是，則進行相位調(diào)整和校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完成；校準(zhǔn)完成后進行測量；如果為測量，則判斷是否進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；如果為否，則測量完成；如果為是，則進行測量和數(shù)據(jù)傳輸，最后測量完成；將測量結(jié)果輸出至PC機。本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點1.低成本；本發(fā)明利用高速的模擬開關(guān)和廉價的微處理器配合使用，避免了昂貴的數(shù)字信號處理器和大規(guī)模邏輯電路，從而降低了成本。2.低偏差；本發(fā)明使用了高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行相位校準(zhǔn)，降低了鎖定偏差。3.高精度；本發(fā)明利用數(shù)字技術(shù)控制模擬開關(guān)的開關(guān)時機，從而控制源信號和參考信號的相位差，提高控制精度。


圖1為本發(fā)明裝置工作原理示意圖；圖2為本發(fā)明裝置測量原理示意圖；圖3為本發(fā)明裝置校準(zhǔn)原理示意圖；圖4為本發(fā)明裝置電路原理示意圖；圖5為本發(fā)明裝置控制流程示意圖。
具體實施例方式如圖1、2所示，一種用鎖相放大器對動平衡機微弱信號檢測的方法，工作原理為(1)，設(shè)參考信號為= a*cos ( ω t)，待測信號為Sin = b*cos ( ω t+ Φ )，那么兩個信號的乘積為=Smult = Sref*Sin = -0. 5*a*b* (cos (2 ω t) +cos ( Φ))；(2)，利用無源低通濾波器濾除2 ω t及更高頻率的信號，且假設(shè)濾波器具有理想的頻率響應(yīng)，得S。ut = -0. 5*a*b*C0S ( Φ)，即S。ut為只受cos ( Φ)調(diào)制的信號，通過調(diào)整參考信號和待測信號之間的相位差使Φ = 0，可以得到最大的輸出S。utmax = -0. 5*a*b。測量過程為第一步，對Sin信號進行斬波調(diào)制，即利用模擬開關(guān)將Sin進行正反兩個方向斬波， 所述斬波的開關(guān)由信號經(jīng)整形提供；
第二步，再將第一步中斬波調(diào)制的輸出信號進行低通濾波，得到鎖相放大器的輸出S。ut，微處理器利用模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集該輸出，并通過傳輸接口將測量值傳輸給PC機。如圖3所示，本發(fā)明還包括校準(zhǔn)過程為將進行放大接入模擬比較器，作為微處理器的中斷輸入，然后利用定時器對該信號進行移向輸出作為模擬開關(guān)的開關(guān)信號，然后模數(shù)轉(zhuǎn)換器不斷采集鎖相放大器的輸出S。ut，在某一時刻，該輸出為最大，校準(zhǔn)結(jié)束，微處理器記錄該時刻的相移，并將其作為本次測量的標(biāo)準(zhǔn)，校準(zhǔn)工作結(jié)束。如圖4所示，本發(fā)明的實現(xiàn)裝置包括信號處理電路、微處理器電路、模擬開關(guān)電路、無源低通濾波電路、校準(zhǔn)/測量開關(guān)和數(shù)據(jù)傳輸電路；所述信號處理電路接收動平衡機輸出的微弱信號，并將該信號進行正反兩個方向放大，所述信號處理電路同時將參考信號 Sref放大并整形成方波信號作為斬波的開關(guān)；所述微處理器電路接收來自信號處理電路的方波信號，以該信號為基準(zhǔn)微處理器電路對模擬開關(guān)的時機進行調(diào)整；所述模擬開關(guān)接收來自微處理器電路的開關(guān)信號，所述模擬開關(guān)選擇正向信號或反向信號輸出；所述無源低通濾波電路接收模擬開關(guān)輸出信號，將模擬開關(guān)的輸出信號進行低通濾波，除去該輸出信號中的高頻分量；所述校準(zhǔn)/測量開關(guān)接收模擬開關(guān)的信號，進行選通校準(zhǔn)或測量；所述數(shù)據(jù)傳輸電路將校準(zhǔn)/測量開關(guān)的輸出信號通過USB接口傳輸至PC機。如圖5所示，本發(fā)明實現(xiàn)裝置中，所述微處理器電路的控制流程為系統(tǒng)上電后，檢測校準(zhǔn)/測量開關(guān)判斷是校準(zhǔn)，還是測量；如果為校準(zhǔn)，則判斷是否進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；如果為否，則校準(zhǔn)完成；如果為是，則進行相位調(diào)整和校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完成；校準(zhǔn)完成后進行測量；如果為測量，則判斷是否進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；如果為否，則測量完成；如果為是，則進行測量和數(shù)據(jù)傳輸，最后測量完成；最后通過USB將測量結(jié)果傳送到PC機直到完成測量。
權(quán)利要求
1.一種用鎖相放大器對動平衡機微弱信號檢測的方法，其特征在于 工作原理為(1)，設(shè)參考信號為= a*cos (ω t)，待測信號為Sin = b*cos (ω t+ Φ)，那么兩個信號的乘積為Smult = Sref^Sin = -0. 5*a*b* (cos (2 ω t) +cos ( Φ))；O)，利用無源低通濾波器濾除2 ω t及更高頻率的信號，且假設(shè)濾波器具有理想的頻率響應(yīng)，得S。ut = -0. 5*a*b*COS(cj5)，即3_為只受(08(小)調(diào)制的信號，通過調(diào)整參考信號和待測信號之間的相位差使Φ = 0，可以得到最大的輸出S。utmax = -0. ； 測量過程為第一步，對Sin信號進行斬波調(diào)制，即利用模擬開關(guān)將Sin進行正反兩個方向斬波，所述斬波的開關(guān)由信號經(jīng)整形提供；第二步，再將第一步中斬波調(diào)制的輸出信號進行低通濾波，得到鎖相放大器的輸出 Sout,微處理器利用模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集該輸出，并通過傳輸接口將測量值傳輸給PC機。
2.按權(quán)利要求1所述的一種用鎖相放大器對動平衡機微弱信號檢測的方法，其特征在于包括校準(zhǔn)過程為將進行放大接入模擬比較器，作為微處理器的中斷輸入，然后利用定時器對該信號進行移向輸出作為模擬開關(guān)的開關(guān)信號，然后模數(shù)轉(zhuǎn)換器不斷采集鎖相放大器的輸出S。ut， 在某一時刻，該輸出為最大，校準(zhǔn)結(jié)束，微處理器記錄該時刻的相移，并將其作為本次測量的標(biāo)準(zhǔn)，校準(zhǔn)工作結(jié)束。
3.按權(quán)利要求1所述的一種用鎖相放大器對動平衡機微弱信號檢測的方法的實現(xiàn)裝置，其特征在于包括信號處理電路、微處理器電路、模擬開關(guān)電路、無源低通濾波電路、校準(zhǔn)/測量開關(guān)和數(shù)據(jù)傳輸電路；所述信號處理電路接收動平衡機輸出的微弱信號，并將該信號進行正反兩個方向放大，所述信號處理電路同時將參考信號SMf放大并整形成方波信號作為斬波的開關(guān)；所述微處理器電路接收來自信號處理電路的方波信號，以該信號為基準(zhǔn)微處理器電路對模擬開關(guān)的時機進行調(diào)整；所述模擬開關(guān)接收來自微處理器電路的開關(guān)信號，所述模擬開關(guān)選擇正向信號或反向信號輸出；所述無源低通濾波電路接收模擬開關(guān)輸出信號，將模擬開關(guān)的輸出信號進行低通濾波，除去該輸出信號中的高頻分量；所述校準(zhǔn)/測量開關(guān)接收模擬開關(guān)的信號，進行選通校準(zhǔn)或測量；所述數(shù)據(jù)傳輸電路將校準(zhǔn)/測量開關(guān)的輸出信號通過USB接口傳輸至PC機。
4.按權(quán)利要求3所述的一種用鎖相放大器對動平衡機微弱信號檢測方法的實現(xiàn)裝置， 其特征在于所述微處理器電路的控制流程為 系統(tǒng)上電后，檢測校準(zhǔn)/測量開關(guān)判斷是校準(zhǔn)，還是測量； 如果為校準(zhǔn)，則判斷是否進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；如果為否，則校準(zhǔn)完成； 如果為是，則進行相位調(diào)整和校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完成；校準(zhǔn)完成后進行測量； 如果為測量，則判斷是否進行模數(shù)轉(zhuǎn)換；如果為否，則測量完成；如果為是，則進行測量和數(shù)據(jù)傳輸，最后測量完成；將測量結(jié)果輸出至PC機。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用鎖相放大器對動平衡機微弱信號檢測方法的實現(xiàn)裝置，包括信號處理電路、微處理器電路、模擬開關(guān)電路、無源低通濾波電路、校準(zhǔn)/測量開關(guān)和數(shù)據(jù)傳輸電路；所述信號處理電路接收動平衡機輸出的微弱信號，并將該信號進行正反兩個方向放大；同時將參考信號Sref放大整形成方波信號作為斬波的開關(guān)；所述微處理器電路接收來自信號處理電路的方波信號，并對模擬開關(guān)的時機進行調(diào)整；所述無源低通濾波電路接收模擬開關(guān)輸出信號；所述數(shù)據(jù)傳輸電路將校準(zhǔn)/測量開關(guān)的輸出信號通過USB接口傳輸至PC機。本發(fā)明的實現(xiàn)裝置具有成本低的優(yōu)點，且檢測精度高，偏差低。
文檔編號G01M1/02GK102455239SQ20101052452
公開日2012年5月16日 申請日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者佟新鑫, 劉曉安, 朱丹, 王恩德, 王旭 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所