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相位檢測在微弱信號測量中的應用

相位檢測在微弱信號測量中的應用
在非接觸測量旋轉物體內部溫度時,所獲取的反饋信號相當微弱,有可能會受到瞬間低電平信號的干擾。本文介紹一種利用相位檢測,來判斷所獲取的反饋信號是真是假,從而鎖定真信號并正確顯示被測對象溫度的方法。
  在工業生產過程中,有很多旋轉物體,其內部的溫度需要進行測量和控制。諸如,輕紡工業中的烘筒,軋鋼機的軋棍,電機的轉子,以及化纖工業中的牽伸加熱輥等。由于被測物體是高速旋轉的,因此必須采用非接觸式方式進行溫度測量。將鉑熱電阻和無源RC網絡組成一個可以跟隨被測物一起旋轉的
傳感器,利用磁耦合將所需要的激勵信號非接觸地感應到該傳感器中,成為無源RC網絡的輸入信號Vi(參見圖1)。該傳感器具有選頻功能,其輸出信號Vo再通過磁耦合非接觸地感應出來成為反饋信號V′o。后繼的顯示控制儀對進行分析處理,再轉化成相應的溫度,并和給定值進行比較,從而控制被測物的表面溫度。

 

2.1V′i和V′o是信號ωn——自然頻率的載體。
  采用文氏電橋的RC無源網絡見圖2。該網絡具有選頻特性,取R1=R2=RT(鉑熱電阻),其自然頻率ωn為溫度T℃的函數,顯然,溫度T和自然頻率ωn呈一一對應的關系。取Fn=ωn/2π,表1描述了溫度T和頻率Fn對應的關系(部分數據)。而T與V′I和V′o的大小無關。在整個網絡的信息傳遞中,ωn是我們需要的信息,而V′i和V′o只是信息的載體。
2.2的定量關系以及制約濕度傳感器探頭, 不銹鋼電熱管, PT100傳感器, 流體電磁閥,鑄鋁加熱器,加熱圈
  是正弦激勵信號,ω為其角頻率,令=Vimsinωt,則反饋信號。設被測對象某一時刻溫度為T,對應鉑熱電阻的電阻值為RT,RC網絡的自然頻率ωn=1RTC。取Vim=8V,當激勵信號角頻率ω<ωn或ω>ωn時,測得反饋信號Vom為600mV左右;當激勵信號角頻率時,Vom理論值為0,實際值為30mV左右。 
 
  理論上,Vom=0,但實際測得V′o為幾十mV大小的交流信號。原因一,在激勵信號中除ω=ωn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信號通過這些分布電容直接耦合給V′o,Vom當然就不等于0了。
 
3.1獲取ωn,推算出被測溫度T
  因為我們事先并不知道被測溫度T,但RC網絡的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刻網絡的ωn,從而根據表1顯示該時刻的被測溫度T。
3.2V′i是一個從小到大變化的掃頻信號
  V′i作為激勵信號,經RC網絡選頻獲得反饋信號經整流,AD轉換,轉變為數字量V(n)。激勵信號的ω加大一個步長便可獲得V(n+1),ω繼續加大便可獲得V(n+2)。單片機系統不斷進行判斷,如V(n)、V(n+1)和V(n+2)的大小相仿,表示激勵信號的ω并非ωn。顯示控制儀發出的激勵信號其ω繼續加大,系統繼續判斷新的V(n)、V(n+1)和V(n+2),如一旦某一時刻V(n+1)遠比V(n)和V(n+2)小,那么,在n+1時刻的激勵信號的頻率ω就要儲存起來,因為該頻率ω就有可能是RC無源網絡的自然頻率ωn,它包含被測對象的溫度信息。
3.3利用相位檢測鎖定ωn
  因為測量控制系統處在工廠現場中,時刻受到各種各樣的干擾。這些干擾的存在,會經常產生瞬間*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*小值V(n+1)是虛假的,它對應的ω不是我們要的ωn,所以必須剔除。如何辨別*小值V(n+1)是真是假呢?
  對文氏電橋的RC無源網絡進一步分析,其相頻特性(理論值)如圖4。在ω=ωn處,反饋信號V′o的相位發生跳變。對本檢測系統進行實際測量,發現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*小值V(n+1)的真假。
  激勵信號ω每加大一個步長,只要這個步長恰當
 
判斷φn+2減φn+1的值,如→0,則V(n+1)和V(n+2)的相位沒有發生跳變,V(n+1)的值雖然很小,但是是虛假的,應剔除。如很大,則V(n)、V(n+1)和V(n+2)的相位發生了跳變,V(n+1)才是真正的*小值。此時刻V(n+1)的ω就是我們要鎖定的。參見圖4.
3.4小結
  一旦單片機系統檢測到V(n)V(n+1)且V(n+2)V(n+1);同時它們對應的相位不滿足:φn≈φn+1≈φn+2,則鎖定此時刻V(n+1)的ω,并存儲起來,通過查表顯示相應的溫度。
  求取具體的相位大小或者求出具體的相位差的大小與判斷相位差是否為零(即相位差檢零)不是一個概念。我們的系統只需判斷相位有沒有跳變,用一個相位差檢零系統就能實現。相位差檢零系統可以用模擬的方法,也可用數字的方法,或它們的結合,這里不再贅述。
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