一種高精度頻率測量儀的制作方法
【專利摘要】一種高精度頻率測量儀，由振動測量傳感器、電容電壓轉(zhuǎn)換電路，信號處理電路和顯示裝置等組成。振動測量傳感器主要由裝有液體的桶體、桶蓋、錐形氣體段組成，其中桶蓋為電容傳感器。信號處理電路主要由放大電路、濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、現(xiàn)場可編程門列陣和中央處理單元組成。振動測量傳感器能夠把機(jī)械振動的振幅放大，并把這些振幅的變化轉(zhuǎn)化為電容的變化。電容電壓轉(zhuǎn)換電路把電容信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，放大電路把該電壓信號進(jìn)行放大，濾波電路濾除該電壓信號中的雜質(zhì)信號。測出電容電壓轉(zhuǎn)換電路輸出的信號的周期就可以實(shí)現(xiàn)頻率的測量，顯示裝置用于顯示頻率計最終測量出來的頻率。本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)高精度頻率測量。
【專利說明】一種高精度頻率測量儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于精密傳感器和檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種利用機(jī)械振動幅度放大裝置精密測量振動頻率的測量儀。

【背景技術(shù)】
[0002]很多機(jī)械裝置工作時，都會以一定的頻率振動，但它的振動幅度卻很低，直接用測量傳感器進(jìn)行測量時，由于信號太弱，不便于用傳感器進(jìn)行直接測量，所以機(jī)械參量在進(jìn)入傳感器之前，應(yīng)該對機(jī)械參量進(jìn)行放大處理。
[0003]傳統(tǒng)的頻率測量幾乎都是利用處理器的計數(shù)器模塊對被測量信號的周期進(jìn)行測量，此方法雖然能達(dá)到實(shí)時動態(tài)檢測，并能使整個頻率測量過程保持高穩(wěn)定度、高精度，但是計數(shù)器在進(jìn)行周期測量時，都是用計數(shù)器的計數(shù)值乘以計數(shù)器的時鐘周期來獲得被信號的周期，當(dāng)時鐘信號的周期大于被測量信號的周期時，就不能對被測信號的頻率進(jìn)行測量，并且利用計數(shù)器計時，只能是計數(shù)器時鐘周期的整數(shù)倍。利用A/D轉(zhuǎn)換對被測信號進(jìn)行采樣，再利用直線插補(bǔ)的方法對離散的數(shù)字信號進(jìn)行處理就可以更精確的計算出信號的周期。
[0004]專利文獻(xiàn)CN101526393B公開了一種測量振動頻率的方法和裝置，它是將物體振動時散射光的變化通過光導(dǎo)纖維傳遞給光子計數(shù)專用的光電倍增管，將信號轉(zhuǎn)換成電信號輸送給光電脈沖計數(shù)器，再經(jīng)后續(xù)處理，得到振動頻率。該方法雖然實(shí)現(xiàn)了頻率的非接觸式測量，但是也有很多的不足之處:其一，當(dāng)被測物體的材料為玻璃等透明材料時，入射光線照射到被測物體表面時，入射光會以折射的形式進(jìn)入另外的介質(zhì)，不會以反射到與入射光線相同的介質(zhì)中，這樣光探測單元就無法探測被測物體散射后的散射光；其二，散射光在被光探測單元檢測到之前，散射光的傳播受環(huán)境影響很大，比如空氣懸浮的小顆粒會使光發(fā)生衍射等。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型針對上述問題，提出一種高精度頻率測量儀，通過特殊結(jié)構(gòu)的振動測量傳感器，可以在保證測量實(shí)時性的前提下實(shí)現(xiàn)納秒級時間的測量，從而實(shí)現(xiàn)高精度振動頻率的測量。
[0006]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:
[0007]本實(shí)用新型用于實(shí)現(xiàn)高精度的頻率測量，所述測量儀包括振動測量傳感器、與傳感器連接的電容電壓轉(zhuǎn)換電路、與電容電壓轉(zhuǎn)換電路連接的放大電路、與放大電路連接的濾波電路和與濾波電路連接的信號處理電路。
[0008]所述振動測量傳感器是由一裝有液體和氣體的桶體和作為電容傳感器的桶蓋組成；桶體中的液體為可以傳播振動的水，液體之上為氣體段，作為振動振幅放大裝置，桶蓋的頂部是固定導(dǎo)電的金屬極板，該金屬極板作為電容傳感器的定極板，定極板下方是鍍有導(dǎo)電金屬的薄膜，該薄膜可以隨外界的振動而振動。
[0009]所述氣體段為錐形結(jié)構(gòu)，下端面積大于上端面積，當(dāng)振動特性通過介質(zhì)水傳播到放大裝置下端時，放大裝置下端也會隨液體以一定的頻率和幅度振動，振動特性可以通過氣體放大裝置傳播到放大裝置頂部，由于諧振動的振動能量與它的振幅成正相關(guān)的關(guān)系，所以，根據(jù)能量守恒定律，放大裝置頂部的振動幅度大于放大裝置底部的振動幅度。
[0010]本測量儀的信號處理電路包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)、現(xiàn)場可編程門列陣(FPGA)和中央處理單元(CPU)。
[0011]所述A/D轉(zhuǎn)換器用于把超聲波回波模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并輸入FPGA。
[0012]所述FPGA電路完成電容電壓轉(zhuǎn)換電路輸出信號的采樣，并把數(shù)據(jù)存在構(gòu)造于FPGA內(nèi)部的存儲區(qū)內(nèi)。
[0013]所述中央處理單元CPU連接現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，控制現(xiàn)場可編程門陣列FPGA發(fā)出A/D采樣控制命令，在采樣完成后，中央處理單元CPU負(fù)責(zé)從FPGA內(nèi)讀取電壓信號的A/D采樣數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
[0014]本實(shí)用新型的電容電壓轉(zhuǎn)換電路是以集成塊CAV424為核心的電路，它可以把電容的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化。放大電路采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路，它的特點(diǎn)是以電壓形式求和、能夠穩(wěn)定輸出電壓、屬于電壓控制的電壓源。
[0015]采用本實(shí)用新型進(jìn)行測量的方法如下:
[0016]將振動傳感器的桶體正放置在振動源上，中央處理單元CPU控制現(xiàn)場可編程門陣列FPGA發(fā)出A/D米樣控制信號,振動測量傳感器把機(jī)械振動轉(zhuǎn)換為電信號，輸出振動信號，放大電路對電容電壓轉(zhuǎn)換后的電信號進(jìn)行放大后，再由濾波電路對電壓信號進(jìn)行濾波，由A/D轉(zhuǎn)換電路對電壓信號進(jìn)行采樣，采樣數(shù)據(jù)先存儲在構(gòu)造于FPGA內(nèi)的存儲區(qū)內(nèi)。
[0017]采樣完成后，中央處理單元CPU首先從FPGA內(nèi)讀取電壓信號的A/D采樣數(shù)據(jù)，采用通過細(xì)分插補(bǔ)算法模塊精確計算出數(shù)據(jù)起點(diǎn)和終點(diǎn)所對應(yīng)的時刻，進(jìn)而精確確定每一組數(shù)據(jù)的時間。然后根據(jù)時間和頻率的關(guān)系精確計算出機(jī)械振動的頻率。該細(xì)分插補(bǔ)算法在發(fā)明人以前的專利和科技文獻(xiàn)中都有用到，具體可見《基于FPGA的高精度超聲波溫度計設(shè)計》(電子應(yīng)用技術(shù)，2011年8期)等。
[0018]由于振動特性是通過振動傳感器的桶內(nèi)的液體、氣體放大裝置傳到桶頂，桶頂?shù)碾娙輦鞲衅骶蜁褭C(jī)械振動特性轉(zhuǎn)換為電信號變化特性，振動傳感器出來的電信號是一個變幅值周期性信號，每組數(shù)據(jù)的起點(diǎn)時刻可以是任一過零點(diǎn)所對應(yīng)的時刻，該過零點(diǎn)所對應(yīng)的時刻可以通過細(xì)分插補(bǔ)算法來確定，每組數(shù)據(jù)終點(diǎn)時刻為第一個過零之后第八個過零點(diǎn)所對應(yīng)的時刻，該過零點(diǎn)所對應(yīng)的時刻也可以通過細(xì)分插補(bǔ)算法來確定。因此，中央處理單元CPU中設(shè)置了細(xì)分插補(bǔ)算法模塊。
[0019]所述細(xì)分插補(bǔ)算法模塊是根據(jù)FPGA中存儲的A/D采樣信號來確定過零點(diǎn)前后兩個采樣點(diǎn)(一個比零大，一個比零小)所對應(yīng)的時刻；最后以過零點(diǎn)前后兩個采樣點(diǎn)為基準(zhǔn)，用擬合的方法對采樣點(diǎn)進(jìn)行細(xì)分插補(bǔ)，確定電壓信號過零點(diǎn)所對應(yīng)的時刻，其精度主要取決于A/D采樣的分辨率。
[0020]本實(shí)用新型由于采用了特殊結(jié)構(gòu)的振動傳感器，可以巧妙地將機(jī)械振動幅度放大并且不會改變機(jī)械振動的振動頻率。機(jī)械振動幅度被放大后，電容傳感器就更容易感知機(jī)械振動參量。從而實(shí)現(xiàn)高精度的頻率測量，并保證很好的實(shí)時性。
[0021]本實(shí)用新型可廣泛的用于精密頻率測量和控制等領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是高精度振動頻率測量儀的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是被測量物理量轉(zhuǎn)換為電壓信號電路原理框圖；
[0024]圖3是硬件電路的工作原理示意圖；
[0025]圖4確定信號過零點(diǎn)時間所對應(yīng)時刻的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合說明書附圖對本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0027]參見圖1，該振動頻率測量儀主要由錐形封裝桶體10、桶蓋16、電容電壓轉(zhuǎn)換(C/V)電路11、放大電路12、濾波電路13、A/D轉(zhuǎn)換電路14、現(xiàn)場可編程門列陣FPGA16、中央處理單元CPU17、LCD顯示18和鍵盤19構(gòu)成。
[0028]桶體10、桶蓋16以及桶內(nèi)的液體和氣體構(gòu)成振動測量傳感器。
[0029]桶內(nèi)的液體是能夠傳輸振動特性的水，液體之上的氣體段作為振動振幅放大裝置，氣體段為錐形結(jié)構(gòu)，下端面積大于上端面積，當(dāng)振動特性通過介質(zhì)水傳播到放大裝置下端時，放大裝置下端也會隨液體以一定的頻率和幅度振動，振動特性可以通過氣體放大裝置傳播到放大裝置頂部，由于諧振動的振動能量與它的振幅成正相關(guān)的關(guān)系，所以，根據(jù)能量守恒定律，放大裝置頂部的振動幅度大于放大裝置底部的振動幅度。
[0030]桶蓋16為電容傳感器，桶蓋的頂部是固定導(dǎo)電的金屬極板，該金屬極板作為電容傳感器的定極板，定極板下方是鍍有導(dǎo)電金屬的薄膜，該薄膜可以隨外界的振動而振動。
[0031]電容電壓轉(zhuǎn)換(C/V)電路11用于把電容的變化轉(zhuǎn)化為能夠被處理電路識別的電壓信號，濾波電路13用于濾除電壓信號中的噪聲信號，LCD顯示電路15用于顯示信號處理電路計算出來的頻率值。
[0032]參見圖2的電容電壓轉(zhuǎn)換(C/V)電路原理框圖，CAV424的測量原理是通過一個外接震蕩電容21與內(nèi)部構(gòu)成一個頻率可調(diào)的參考振蕩器驅(qū)動兩個構(gòu)造對稱的積分器并使它們在時間和相位上同步。兩個被控制的積分器的振幅是由電容C122和Cx 23來決定，這里Cl作參考電容而Cx作為被測電容。Cl和Cx包含了輸入端與地端的所有電容，并且它們在特性上一致。這樣，環(huán)境變化時芯片的兩個輸入端同時變化，其差值基本保持不變。當(dāng)被測電容傳感器電容變化時，由于積分器具有很高的共模抑制比和分辨率，所以比較兩個振幅的差值得到的信號反映出兩個電容Cl和Cx的相對變化量；該差值信號通過后級的低通濾波器27整流濾波到達(dá)可調(diào)增益的差分輸出級。
[0033]參見圖4，是濾波電路輸出的電壓信號，圖中的V代表信號的電壓，t代表時間。
[0034]參見圖3，中央處理單元CPU17向FPGA16中的數(shù)據(jù)采樣電路32發(fā)出開始采樣命令后，數(shù)據(jù)采樣電路同時對外接A/D轉(zhuǎn)換器和構(gòu)建于FPGA內(nèi)的RAM存儲區(qū)提供時鐘，電容電壓轉(zhuǎn)換(C/V)電路11輸出的電信號經(jīng)過運(yùn)算放大電路12放大后，經(jīng)過濾波電路13濾波后連接到A/D轉(zhuǎn)換電路14。FPGA內(nèi)部的采樣電路32控制A/D轉(zhuǎn)換電路14將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并把采樣值逐一存入構(gòu)建于FPGA內(nèi)的RAM存儲區(qū)31中。采樣完成后，F(xiàn)PGA16向CPU 17發(fā)送采樣結(jié)束狀態(tài)信息，CPU17接收到采樣結(jié)束狀態(tài)信息后，結(jié)束一次采樣。
[0035]采樣結(jié)束后，CPU17發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令，讀取暫存于RAM存儲區(qū)31中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)讀取完成后，可以以任數(shù)據(jù)所對應(yīng)的時間為坐標(biāo)原點(diǎn)來建立直角坐標(biāo)系，把此時刻所對應(yīng)的時間作為參考零點(diǎn)(坐標(biāo)原點(diǎn))。
[0036]確定時間參初始點(diǎn)參考零點(diǎn)(坐標(biāo)原點(diǎn))后,根據(jù)圖4所示來計算電壓信號頻率的計算方法是:
[0037]首先逐點(diǎn)比較A/D采樣點(diǎn)，找出采樣點(diǎn)的最大值就可以很容易的確定波形的幅值；
[0038]其次，參見圖4，確定電壓信號所對應(yīng)的過零點(diǎn)Ptl前面一個采樣點(diǎn)P和后面一個采樣點(diǎn)P'，顯然在一個周期波內(nèi)采樣點(diǎn)P的采樣值大于零，采樣點(diǎn)P'的采樣值小于零；
[0039]最后，以采樣點(diǎn)P和P兩點(diǎn)對應(yīng)的時刻作為基準(zhǔn)，用細(xì)分插補(bǔ)算法(CPU內(nèi)置的細(xì)分插補(bǔ)算法模塊)可以準(zhǔn)確計算出過零點(diǎn)Ptl所對應(yīng)的時刻，具體計算方法如下:
[0040]設(shè)A/D的采樣頻率為Fa/d，相鄰兩個采樣點(diǎn)之間的時間即采樣周期為TA/D ;從參考零點(diǎn)到采樣點(diǎn)P之間的采樣數(shù)為N，采樣點(diǎn)P對應(yīng)的采樣值為V1，采樣點(diǎn)P所對應(yīng)的時刻為T1 ;采樣點(diǎn)P'對應(yīng)的采樣值為V2 ;采樣點(diǎn)P所對應(yīng)的時刻為T1，采樣點(diǎn)P與過零點(diǎn)Ptl之間的時間為T2,過零點(diǎn)Ptl對應(yīng)的時刻為V則:
τ I
[0041]I ,=-—

^ AU)
[0042]T1 = Vx-?—

^ A1
[0043]在過零點(diǎn)附近較小的區(qū)域內(nèi)，電壓信號的波形接近于直線，可以根據(jù)直線插補(bǔ)的方法確定T2:
[0044]T1 =XF1 XTmd
[0045]則過零點(diǎn)所對應(yīng)的時刻，即參考零點(diǎn)之后所對應(yīng)的第一個過零點(diǎn)時刻為:
[0046]t0 = T{+T2 = Nx —?— + 1 X TAII) X V1

FA,I> K
[0047]從上式可知，過零點(diǎn)所對應(yīng)時刻的分辨率為:
[0048]R= \ X-Tvii
[0049]參見圖4，假設(shè)振動傳感器轉(zhuǎn)換后信號的頻率為1M，則周期為Ius ;A/D的分辨率是12位，那么可以將信號的幅值分為4096份，設(shè)A/D的采樣頻率為32MHz，則在正弦波正的最大值到負(fù)的最大值的半個周期內(nèi)，可以最多采16個點(diǎn)，如果把正弦波正的最大值到負(fù)的最大值的半個周期內(nèi)的波形看作是直線，則顯然可知:

4096
[0050]V1 - V2=^-= 256

16
[0051]觀察正弦波正的最大值到負(fù)的最大值的半個周期內(nèi)的波形可以看出，過零點(diǎn)附近曲線的斜率遠(yuǎn)大于峰值附近曲線的斜率，則
[0052]V1-V2 > 256
[0053]R = —χΤ ?<^7Χ ΤΛ:υ =^7xix lJus = 0.122ns。
V1 — K256256 32
[0054]參見圖4，以八個過零點(diǎn)為一組數(shù)據(jù)來進(jìn)行頻率值的計算，其中起點(diǎn)(PO)和終點(diǎn)(P8)需要通過上述的插補(bǔ)細(xì)分算法模塊精確計算出來，中間點(diǎn)(PU P2、P3、P4、P5、P6、P7)只需判斷它前后兩個采樣點(diǎn)異號即可判定它為過零點(diǎn)，同時，終點(diǎn)(P8)亦為下一組數(shù)據(jù)的起點(diǎn)。
[0055]根據(jù)上述插補(bǔ)算法計算出起點(diǎn)(PO)和終點(diǎn)(P8)所對應(yīng)的時間，分別計為h和t8，如圖4所示，之間的時間At為信號周期的4倍，則被測信號的頻率為:
[0056]f = Y
[0057]T = - At

4
[0058]由于每組數(shù)據(jù)起點(diǎn)和終點(diǎn)所對應(yīng)的時刻都是通過軟件插補(bǔ)細(xì)分計算所得，則每組數(shù)據(jù)所對應(yīng)的時間△ t的分辨率取決于起點(diǎn)和終點(diǎn)所對應(yīng)時刻的分辨率,則每一組數(shù)據(jù)所對應(yīng)時間的分辨率小于0.244納秒。
【權(quán)利要求】
1.一種高精度頻率測量儀，包括振動測量傳感器、與傳感器連接的電容電壓轉(zhuǎn)換電路、與電容電壓轉(zhuǎn)換電路連接的放大電路、與放大電路連接的濾波電路和與濾波電路連接的信號處理電路；其特征在于: 所述振動測量傳感器是由一裝有液體和氣體的桶體和作為電容傳感器的桶蓋組成；桶體中的液體為可以傳播振動的水，液體之上為氣體段，作為振動振幅放大裝置，桶蓋的頂部是固定導(dǎo)電的金屬極板，該金屬極板作為電容傳感器的定極板，定極板下方是鍍有導(dǎo)電金屬的薄膜，該薄膜可以隨外界的振動而振動； 所述氣體段為錐形結(jié)構(gòu)，下端面積大于上端面積，當(dāng)振動特性通過介質(zhì)水傳播到放大裝置下端時，放大裝置下端隨液體以一定的頻率和幅度振動，振動特性通過氣體放大裝置傳播到放大裝置頂部，由于諧振動的振動能量與它的振幅成正相關(guān)的關(guān)系，根據(jù)能量守恒定律，放大裝置頂部的振動幅度大于振幅放大裝置底部的振動幅度； 所述信號處理電路包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)、現(xiàn)場可編程門列陣(FPGA)和中央處理單元(CPU)； 所述A/D轉(zhuǎn)換器用于把超聲波回波模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并輸入現(xiàn)場可編程門列陣(FPGA)； 所述現(xiàn)場可編程門列陣(FPGA)完成電容電壓轉(zhuǎn)換電路輸出信號的采樣，并把數(shù)據(jù)存在構(gòu)造于FPGA內(nèi)部的存儲區(qū)內(nèi)； 所述中央處理單元CPU連接現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，控制現(xiàn)場可編程門陣列FPGA發(fā)出A/D采樣控制命令，在采樣完成后，中央處理單元CPU負(fù)責(zé)從FPGA內(nèi)讀取電壓信號的A/D采樣數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度頻率測量儀，其特征在于:所述電容電壓轉(zhuǎn)換電路是以集成塊CAV424為核心的電路，它把電容的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度頻率測量儀，其特征在于:所述放大電路采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路，它以電壓形式求和，穩(wěn)定輸出電壓。
【文檔編號】G01H11/06GK204007852SQ201420430206
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】張興紅, 何濤, 張?zhí)旌? 王先全, 陳鴻雁, 武亮, 邱磊 申請人:重慶理工大學(xué)