一种高精度频率测量仪的制作方法
【专利摘要】一种高精度频率测量仪，由振动测量传感器、电容电压转换电路，信号处理电路和显示装置等组成。振动测量传感器主要由装有液体的桶体、桶盖、锥形气体段组成，其中桶盖为电容传感器。信号处理电路主要由放大电路、滤波电路、模数转换器、现场可编程门列阵和中央处理单元组成。振动测量传感器能够把机械振动的振幅放大，并把这些振幅的变化转化为电容的变化。电容电压转换电路把电容信号转换为电压信号，放大电路把该电压信号进行放大，滤波电路滤除该电压信号中的杂质信号。测出电容电压转换电路输出的信号的周期就可以实现频率的测量，显示装置用于显示频率计最终测量出来的频率。本实用新型可以实现高精度频率测量。
【专利说明】一种高精度频率测量仪
【技术领域】
[0001]本实用新型属于精密传感器和检测【技术领域】，具体涉及一种利用机械振动幅度放大装置精密测量振动频率的测量仪。
【背景技术】
[0002]很多机械装置工作时，都会以一定的频率振动，但它的振动幅度却很低，直接用测量传感器进行测量时，由于信号太弱，不便于用传感器进行直接测量，所以机械参量在进入传感器之前，应该对机械参量进行放大处理。
[0003]传统的频率测量几乎都是利用处理器的计数器模块对被测量信号的周期进行测量，此方法虽然能达到实时动态检测，并能使整个频率测量过程保持高稳定度、高精度，但是计数器在进行周期测量时，都是用计数器的计数值乘以计数器的时钟周期来获得被信号的周期，当时钟信号的周期大于被测量信号的周期时，就不能对被测信号的频率进行测量，并且利用计数器计时，只能是计数器时钟周期的整数倍。利用A/D转换对被测信号进行采样，再利用直线插补的方法对离散的数字信号进行处理就可以更精确的计算出信号的周期。
[0004]专利文献CN101526393B公开了一种测量振动频率的方法和装置，它是将物体振动时散射光的变化通过光导纤维传递给光子计数专用的光电倍增管，将信号转换成电信号输送给光电脉冲计数器，再经后续处理，得到振动频率。该方法虽然实现了频率的非接触式测量，但是也有很多的不足之处:其一，当被测物体的材料为玻璃等透明材料时，入射光线照射到被测物体表面时，入射光会以折射的形式进入另外的介质，不会以反射到与入射光线相同的介质中，这样光探测单元就无法探测被测物体散射后的散射光；其二，散射光在被光探测单元检测到之前，散射光的传播受环境影响很大，比如空气悬浮的小颗粒会使光发生衍射等。
【发明内容】
[0005]本实用新型针对上述问题，提出一种高精度频率测量仪，通过特殊结构的振动测量传感器，可以在保证测量实时性的前提下实现纳秒级时间的测量，从而实现高精度振动频率的测量。
[0006]本实用新型采用的技术方案是:
[0007]本实用新型用于实现高精度的频率测量，所述测量仪包括振动测量传感器、与传感器连接的电容电压转换电路、与电容电压转换电路连接的放大电路、与放大电路连接的滤波电路和与滤波电路连接的信号处理电路。
[0008]所述振动测量传感器是由一装有液体和气体的桶体和作为电容传感器的桶盖组成；桶体中的液体为可以传播振动的水，液体之上为气体段，作为振动振幅放大装置，桶盖的顶部是固定导电的金属极板，该金属极板作为电容传感器的定极板，定极板下方是镀有导电金属的薄膜，该薄膜可以随外界的振动而振动。
[0009]所述气体段为锥形结构，下端面积大于上端面积，当振动特性通过介质水传播到放大装置下端时，放大装置下端也会随液体以一定的频率和幅度振动，振动特性可以通过气体放大装置传播到放大装置顶部，由于谐振动的振动能量与它的振幅成正相关的关系，所以，根据能量守恒定律，放大装置顶部的振动幅度大于放大装置底部的振动幅度。
[0010]本测量仪的信号处理电路包括模数转换器(A/D)、现场可编程门列阵(FPGA)和中央处理单元(CPU)。
[0011]所述A/D转换器用于把超声波回波模拟信号转换为数字信号，并输入FPGA。
[0012]所述FPGA电路完成电容电压转换电路输出信号的采样，并把数据存在构造于FPGA内部的存储区内。
[0013]所述中央处理单元CPU连接现场可编程门阵列FPGA，控制现场可编程门阵列FPGA发出A/D采样控制命令，在采样完成后，中央处理单元CPU负责从FPGA内读取电压信号的A/D采样数据并对数据进行处理。
[0014]本实用新型的电容电压转换电路是以集成块CAV424为核心的电路，它可以把电容的变化转化为电压的变化。放大电路采用电压串联负反馈放大电路，它的特点是以电压形式求和、能够稳定输出电压、属于电压控制的电压源。
[0015]采用本实用新型进行测量的方法如下:
[0016]将振动传感器的桶体正放置在振动源上，中央处理单元CPU控制现场可编程门阵列FPGA发出A/D米样控制信号,振动测量传感器把机械振动转换为电信号，输出振动信号，放大电路对电容电压转换后的电信号进行放大后，再由滤波电路对电压信号进行滤波，由A/D转换电路对电压信号进行采样，采样数据先存储在构造于FPGA内的存储区内。
[0017]采样完成后，中央处理单元CPU首先从FPGA内读取电压信号的A/D采样数据，采用通过细分插补算法模块精确计算出数据起点和终点所对应的时刻，进而精确确定每一组数据的时间。然后根据时间和频率的关系精确计算出机械振动的频率。该细分插补算法在发明人以前的专利和科技文献中都有用到，具体可见《基于FPGA的高精度超声波温度计设计》(电子应用技术，2011年8期)等。
[0018]由于振动特性是通过振动传感器的桶内的液体、气体放大装置传到桶顶，桶顶的电容传感器就会把机械振动特性转换为电信号变化特性，振动传感器出来的电信号是一个变幅值周期性信号，每组数据的起点时刻可以是任一过零点所对应的时刻，该过零点所对应的时刻可以通过细分插补算法来确定，每组数据终点时刻为第一个过零之后第八个过零点所对应的时刻，该过零点所对应的时刻也可以通过细分插补算法来确定。因此，中央处理单元CPU中设置了细分插补算法模块。
[0019]所述细分插补算法模块是根据FPGA中存储的A/D采样信号来确定过零点前后两个采样点(一个比零大，一个比零小)所对应的时刻；最后以过零点前后两个采样点为基准，用拟合的方法对采样点进行细分插补，确定电压信号过零点所对应的时刻，其精度主要取决于A/D采样的分辨率。
[0020]本实用新型由于采用了特殊结构的振动传感器，可以巧妙地将机械振动幅度放大并且不会改变机械振动的振动频率。机械振动幅度被放大后，电容传感器就更容易感知机械振动参量。从而实现高精度的频率测量，并保证很好的实时性。
[0021]本实用新型可广泛的用于精密频率测量和控制等领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是高精度振动频率测量仪的结构示意图；
[0023]图2是被测量物理量转换为电压信号电路原理框图；
[0024]图3是硬件电路的工作原理示意图；
[0025]图4确定信号过零点时间所对应时刻的示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合说明书附图对本实用新型的技术方案作进一步详细说明。
[0027]参见图1，该振动频率测量仪主要由锥形封装桶体10、桶盖16、电容电压转换(C/V)电路11、放大电路12、滤波电路13、A/D转换电路14、现场可编程门列阵FPGA16、中央处理单元CPU17、LCD显示18和键盘19构成。
[0028]桶体10、桶盖16以及桶内的液体和气体构成振动测量传感器。
[0029]桶内的液体是能够传输振动特性的水，液体之上的气体段作为振动振幅放大装置，气体段为锥形结构，下端面积大于上端面积，当振动特性通过介质水传播到放大装置下端时，放大装置下端也会随液体以一定的频率和幅度振动，振动特性可以通过气体放大装置传播到放大装置顶部，由于谐振动的振动能量与它的振幅成正相关的关系，所以，根据能量守恒定律，放大装置顶部的振动幅度大于放大装置底部的振动幅度。
[0030]桶盖16为电容传感器，桶盖的顶部是固定导电的金属极板，该金属极板作为电容传感器的定极板，定极板下方是镀有导电金属的薄膜，该薄膜可以随外界的振动而振动。
[0031]电容电压转换(C/V)电路11用于把电容的变化转化为能够被处理电路识别的电压信号，滤波电路13用于滤除电压信号中的噪声信号，LCD显示电路15用于显示信号处理电路计算出来的频率值。
[0032]参见图2的电容电压转换(C/V)电路原理框图，CAV424的测量原理是通过一个外接震荡电容21与内部构成一个频率可调的参考振荡器驱动两个构造对称的积分器并使它们在时间和相位上同步。两个被控制的积分器的振幅是由电容C122和Cx 23来决定，这里Cl作参考电容而Cx作为被测电容。Cl和Cx包含了输入端与地端的所有电容，并且它们在特性上一致。这样，环境变化时芯片的两个输入端同时变化，其差值基本保持不变。当被测电容传感器电容变化时，由于积分器具有很高的共模抑制比和分辨率，所以比较两个振幅的差值得到的信号反映出两个电容Cl和Cx的相对变化量；该差值信号通过后级的低通滤波器27整流滤波到达可调增益的差分输出级。
[0033]参见图4，是滤波电路输出的电压信号，图中的V代表信号的电压，t代表时间。
[0034]参见图3，中央处理单元CPU17向FPGA16中的数据采样电路32发出开始采样命令后，数据采样电路同时对外接A/D转换器和构建于FPGA内的RAM存储区提供时钟，电容电压转换(C/V)电路11输出的电信号经过运算放大电路12放大后，经过滤波电路13滤波后连接到A/D转换电路14。FPGA内部的采样电路32控制A/D转换电路14将模拟信号转换为数字信号，并把采样值逐一存入构建于FPGA内的RAM存储区31中。采样完成后，FPGA16向CPU 17发送采样结束状态信息，CPU17接收到采样结束状态信息后，结束一次采样。
[0035]采样结束后，CPU17发出读数据命令，读取暂存于RAM存储区31中的数据，数据读取完成后，可以以任数据所对应的时间为坐标原点来建立直角坐标系，把此时刻所对应的时间作为参考零点(坐标原点)。
[0036]确定时间参初始点参考零点(坐标原点)后,根据图4所示来计算电压信号频率的计算方法是:
[0037]首先逐点比较A/D采样点，找出采样点的最大值就可以很容易的确定波形的幅值；
[0038]其次，参见图4，确定电压信号所对应的过零点Ptl前面一个采样点P和后面一个采样点P'，显然在一个周期波内采样点P的采样值大于零，采样点P'的采样值小于零；
[0039]最后，以采样点P和P两点对应的时刻作为基准，用细分插补算法(CPU内置的细分插补算法模块)可以准确计算出过零点Ptl所对应的时刻，具体计算方法如下:
[0040]设A/D的采样频率为Fa/d，相邻两个采样点之间的时间即采样周期为TA/D ;从参考零点到采样点P之间的采样数为N，采样点P对应的采样值为V1，采样点P所对应的时刻为T1 ;采样点P'对应的采样值为V2 ;采样点P所对应的时刻为T1，采样点P与过零点Ptl之间的时间为T2,过零点Ptl对应的时刻为V则:
τ I
[0041]I ,=-—
^ AU)
[0042]T1 = Vx-?—
^ A1
[0043]在过零点附近较小的区域内，电压信号的波形接近于直线，可以根据直线插补的方法确定T2:
[0044]T1 =XF1 XTmd
[0045]则过零点所对应的时刻，即参考零点之后所对应的第一个过零点时刻为:
[0046]t0 = T{+T2 = Nx —?— + 1 X TAII) X V1
FA,I> K
[0047]从上式可知，过零点所对应时刻的分辨率为:
[0048]R= \ X-Tvii
[0049]参见图4，假设振动传感器转换后信号的频率为1M，则周期为Ius ;A/D的分辨率是12位，那么可以将信号的幅值分为4096份，设A/D的采样频率为32MHz，则在正弦波正的最大值到负的最大值的半个周期内，可以最多采16个点，如果把正弦波正的最大值到负的最大值的半个周期内的波形看作是直线，则显然可知:
4096
[0050]V1 - V2=^-= 256
16
[0051]观察正弦波正的最大值到负的最大值的半个周期内的波形可以看出，过零点附近曲线的斜率远大于峰值附近曲线的斜率，则
[0052]V1-V2 > 256
[0053]R = —χΤ ?<^7Χ ΤΛ:υ =^7xix lJus = 0.122ns。
V1 — K256256 32
[0054]参见图4，以八个过零点为一组数据来进行频率值的计算，其中起点(PO)和终点(P8)需要通过上述的插补细分算法模块精确计算出来，中间点(PU P2、P3、P4、P5、P6、P7)只需判断它前后两个采样点异号即可判定它为过零点，同时，终点(P8)亦为下一组数据的起点。
[0055]根据上述插补算法计算出起点(PO)和终点(P8)所对应的时间，分别计为h和t8，如图4所示，之间的时间At为信号周期的4倍，则被测信号的频率为:
[0056]f = Y
[0057]T = - At
4
[0058]由于每组数据起点和终点所对应的时刻都是通过软件插补细分计算所得，则每组数据所对应的时间△ t的分辨率取决于起点和终点所对应时刻的分辨率,则每一组数据所对应时间的分辨率小于0.244纳秒。
【权利要求】
1.一种高精度频率测量仪，包括振动测量传感器、与传感器连接的电容电压转换电路、与电容电压转换电路连接的放大电路、与放大电路连接的滤波电路和与滤波电路连接的信号处理电路；其特征在于: 所述振动测量传感器是由一装有液体和气体的桶体和作为电容传感器的桶盖组成；桶体中的液体为可以传播振动的水，液体之上为气体段，作为振动振幅放大装置，桶盖的顶部是固定导电的金属极板，该金属极板作为电容传感器的定极板，定极板下方是镀有导电金属的薄膜，该薄膜可以随外界的振动而振动； 所述气体段为锥形结构，下端面积大于上端面积，当振动特性通过介质水传播到放大装置下端时，放大装置下端随液体以一定的频率和幅度振动，振动特性通过气体放大装置传播到放大装置顶部，由于谐振动的振动能量与它的振幅成正相关的关系，根据能量守恒定律，放大装置顶部的振动幅度大于振幅放大装置底部的振动幅度； 所述信号处理电路包括模数转换器(A/D)、现场可编程门列阵(FPGA)和中央处理单元(CPU)； 所述A/D转换器用于把超声波回波模拟信号转换为数字信号，并输入现场可编程门列阵(FPGA)； 所述现场可编程门列阵(FPGA)完成电容电压转换电路输出信号的采样，并把数据存在构造于FPGA内部的存储区内； 所述中央处理单元CPU连接现场可编程门阵列(FPGA)，控制现场可编程门阵列FPGA发出A/D采样控制命令，在采样完成后，中央处理单元CPU负责从FPGA内读取电压信号的A/D采样数据并对数据进行处理。
2.根据权利要求1所述的高精度频率测量仪，其特征在于:所述电容电压转换电路是以集成块CAV424为核心的电路，它把电容的变化转化为电压的变化。
3.根据权利要求1所述的高精度频率测量仪，其特征在于:所述放大电路采用电压串联负反馈放大电路，它以电压形式求和，稳定输出电压。
【文档编号】G01H11/06GK204007852SQ201420430206
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月1日 优先权日:2013年9月26日
【发明者】张兴红, 何涛, 张天恒, 王先全, 陈鸿雁, 武亮, 邱磊 申请人:重庆理工大学