一种面向低Q值SAW磁电传感器谐振频率的检测方法和系统与流程

本发明属于表面波(saw)磁电传感器信号检测领域，更具体地，涉及一种面向低q值saw磁电传感器谐振频率的检测方法和系统。

背景技术：

saw磁电传感器是一种将磁致伸缩材料制备在压电saw器件上，利用谐振频率变化测量磁场的磁传感器，它具有体积小、功耗低、灵敏度高等优点。谐振频率是saw磁电传感器的重要参数，检测出谐振频率，找到谐振频率与外界磁场对应函数关系后可间接求得磁场变化量。对于谐振频率的检测需要满足四个方面的要求：频率检测范围宽、速度快、准确度高、稳定性好。目前检测方法主要有相位检测法、振荡电路检测法、混频检测法、pll(锁相环)检测法、dds(直接数字频率合成)扫描检测法等，这些方法对于高q值、低损耗的saw磁电传感器，具有准确度高、电路稳定性好等优点。然而，对于低q值、高损耗的saw磁电传感器，相位检测法使用固定频率进行检测，频率检测范围较窄；振荡电路检测法、混频检测法、pll检测法和dds扫描检测法均需设计振荡电路，由于器件低q值的特性，振荡频率可能会不稳定，最终导致测量谐振频率误差较大，准确度较低。

由此可见，对于低q值、高损耗的saw磁电传感器，现有检测方法存在频率检测范围较窄、稳定性较差和准确度较低的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种面向低q值saw磁电传感器谐振频率的检测方法和系统，由此解决现有技术对于低q值saw磁电传感器存在频率检测范围较窄、稳定性较差和准确度较低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种面向低q值saw磁电传感器谐振频率的检测方法，包括：

(1)对受到高频激励的低q值saw磁电传感器进行扫频，得到每个频点的分电压信号与合电压信号，对分电压信号与合电压信号依次进行混频、滤波和模数转换处理，得到数字信号；

(2)利用预处理后的数字信号计算每个频点的电压比值，将电压比值最大的频点对应的频率作为低q值saw磁电传感器的谐振频率。

进一步地，步骤(1)包括：

(1-1)利用数字化方式产生高频信号，在高频信号的激励作用下，得到每个频点的分电压信号与合电压信号；

(1-2)当本振信号与高频信号相差为固定值时，利用本振信号分别对分电压信号与合电压信号进行下变频处理，得到分电压信号的混频信号和合电压信号的混频信号；

(1-3)滤掉分电压信号的混频信号和合电压信号的混频信号中的低频和高频噪声信号，得到中频信号，将中频信号转换为数字信号，然后对数字信号进行预处理。

进一步地，预处理包括：零均值化、fft和cordic运算。

进一步地，步骤(2)包括：

(2-1)对每个频点进行n次测量，去除n次测量中点序错误的测量结果后计算第i次测量的电压比值平均值和标准差σ；

(2-2)当第i次测量的电压比值ri与电压比值平均值之差大于k倍的标准差σ时，去除该次测量结果，否则保留测量结果；

(2-3)利用步骤(2-2)中保留的测量结果计算当前频点最终的电压比值平均值作为当前频点的电压比值，进而计算每个频点的电压比值；

(2-4)将电压比值最大的频点对应的频率作为低q值saw磁电传感器的谐振频率，将将电压比值最小的频点对应的频率作为低q值saw磁电传感器的反谐振频率。

按照本发明的另一方面，提供了一种面向低q值saw磁电传感器谐振频率的检测系统，包括：扫频模块、信号处理模块和谐振频率查找模块；

所述扫频模块，用于对受到高频激励的低q值saw磁电传感器进行扫频，得到每个频点的分电压信号与合电压信号，对分电压信号与合电压信号依次进行混频、滤波和模数转换处理，得到数字信号；

所述信号处理模块，用于缓存扫频模块输出的数字信号，然后对数字信号进行预处理，将预处理后的数字信号发送至谐振频率查找模块；

所述谐振频率查找模块，用于利用预处理后的数字信号计算每个频点的电压比值，将电压比值最大的频点对应的频率作为低q值saw磁电传感器的谐振频率。

进一步地，扫频模块包括：高频激励模块、本地振荡模块、谐振器电压测量电路模块、混频模块、带通滤波模块和a/d转换模块，

所述高频激励模块，用于利用数字化方式产生高频信号，将高频信号发送至谐振器电压测量电路模块；

所述本地振荡模块，用于当本振信号与高频信号相差为固定值时，将本振信号发送至混频模块的射频输入端；

所述谐振器电压测量电路模块，用于在高频信号的激励作用下，得到每个频点的分电压信号与合电压信号，将分电压信号与合电压信号按照时间顺序依次发送至混频模块的低频输入端；

所述混频模块，用于基于本振信号分别对分电压信号与合电压信号进行下变频处理，得到分电压信号的混频信号和合电压信号的混频信号；

所述带通滤波模块，用于滤掉分电压信号的混频信号和合电压信号的混频信号中的低频和高频噪声信号，得到中频信号；

所述a/d转换模块，用于将中频信号转换为数字信号。

进一步地，信号处理模块包括：双扫描变频模块、采集接收模块、数字信号预处理模块和内存接口控制模块，

所述双扫描变频模块，用于控制高频激励模块中的激励信号发生器和本地振荡模块中的本振信号发生器产生设定频率范围内差值始终为固定值的正弦信号；

所述采集接收模块，用于采集扫频模块输出的数字信号；

所述数字信号预处理模块，用于利用fpga对数字信号进行预处理；

所述内存接口控制模块，用于对采集接收模块的数字信号和数字信号预处理模块中产生的中间数据进行缓存。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的扫描变频电压比值检测法，对受到高频激励的低q值、高损耗的saw磁电传感器进行扫频，对得到的分电压信号与合电压信号进行混频，使得后续的频率信号具有较宽的范围，克服了传统检测方法频率检测范围较窄的问题。对混频后的信号进行滤波和模数转换处理，降低了信号处理复杂度。利用电压比值得到谐振频率的方法，减小了测量谐振频率与真实谐振频率之间的相对误差，提高了测量准确度。

(2)本发明利用扫频模块对saw磁电传感器进行外部激励振荡的方式，克服了低q值器件利用自激振荡产生的频率信号可能会不稳定从而使相对误差较大的问题。此外，扫频模块中高频激励模块和本地振荡模块合成的频率信号具有较宽的范围，克服了传统检测方法频率检测范围较窄的问题。

(3)本发明的扫频模块将高频模拟信号变至中频，经模数转换变成数字中频信号，降低了信号处理复杂度。采集处理模块利用fpga可高速并行运算的特性对数字信号进行实时预处理，减轻了谐振频率查找模块的处理压力，提高了系统整体运算速度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的谐振器电压测量电路原理图；

图2是本发明实施例提供的一种面向低q值saw磁电传感器谐振频率的检测方法的流程图；

图3是本发明实施例提供的面向低q值saw磁电传感器谐振频率检测系统的整体结构示意图；

图4是本发明实施例提供的面向低q值saw磁电传感器谐振频率检测系统的硬件部分结构示意图；

图5是本发明实施例提供的基于fpga的信号处理模块结构示意图；

图6是本发明实施例提供的pc上位机工作流程图；

图7是本发明实施例提供的谐振频点查找方法工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，谐振器电压测量电路，r1和r2为两个分压电阻，保持的大小关系为r2≤r1/10；y1为saw磁电传感器；rz为阻抗匹配网络，其阻抗值略小于saw磁电传感器等效电阻值。rz两端电压为分电压，rz与y1两端的电压为合电压信号。可控射频单刀双掷开关控制分电压信号v1sinw1t与合电压信号v2sinw1t的输出。

如图2所示，一种面向低q值saw磁电传感器谐振频率的检测方法，包括：

(1)对受到高频激励的低q值saw磁电传感器进行扫频，得到每个频点的分电压信号与合电压信号，对分电压信号与合电压信号依次进行混频、滤波和模数转换处理，得到数字信号；

(2)利用预处理后的数字信号计算每个频点的电压比值，将电压比值最大的频点对应的频率作为低q值saw磁电传感器的谐振频率。

如图3所示，一种面向低q值saw磁电传感器谐振频率的检测系统，包括：扫频模块、信号处理模块和谐振频率查找模块；

所述扫频模块，用于对受到高频激励的低q值saw磁电传感器进行扫频，得到每个频点的分电压信号与合电压信号，对分电压信号与合电压信号依次进行混频、滤波和模数转换处理，得到数字信号；

所述信号处理模块，用于缓存扫频模块输出的数字信号，然后对数字信号进行预处理，将预处理后的数字信号发送至谐振频率查找模块；

所述谐振频率查找模块，用于利用预处理后的数字信号计算每个频点的电压比值，将电压比值最大的频点对应的频率作为低q值saw磁电传感器的谐振频率。

如图4所示，谐振频率检测系统的硬件部分结构，包括激励信号发生器、本振信号发生器、谐振器电压测量电路、混频器、带通滤波器、adc。

所述激励信号发生器，用于产生频率范围为35mhz～500mhz、精度为1khz、正弦信号sinw1t，然后发送至谐振器电压测量电路使谐振器产生振荡信号。

所述谐振器电压测量电路，用于产生分电压信号v1sinw1t与合电压信号v2sinw1t在不同时间段分别发送至混频器的低频输入端。

所述本振信号发生器，用于产生频率范围为35mhz～500mhz、精度为1khz的本地振荡正弦信号sinw2t，发送至混频器的射频输入端。w2与w1差值始终为1mhz。

所述混频器对两路输入信号进行下变频。分电压与合电压信号经过混频后分别为：

v1sinw1t×sinw2t＝v1/2×[cos(w1-w2)t-cos(w1+w2)t]

v2sinw1t×sinw2t＝v2/2×[cos(w1-w2)t-cos(w1+w2)t]

由于混频器进行下变频运算，故分电压与合电压混频后输出信号分别为：

vm1＝v1/2×cos(w1-w2)t

vm2＝v2/2×cos(w1-w2)t

所述滤波器为中心频率为1mhz，带宽为20khz的无源lc带通滤波器。

所述adc主要将滤波后的信号进行模数转换，输出对应的数字信号，便于fpga进行数据处理，这里的adc采样电路使用双通道结构。

所述fpga主要对激励信号发生器、本振信号发生器、谐振器测量电路中的可控射频单刀双掷开关进行驱动，将adc采样得到的数字信号进行预处理，然后发送给pc进行进一步的处理。同时接收pc端发送的命令，协调内部模块进行正常工作。

如图5所示，基于fpga的信号处理模块结构，包括双扫描变频模块、采集接收模块、数字信号预处理模块、内存接口控制模块、数据包处理模块、usb通信模块。

所述双扫描变频模块，接收数据包处理模块发出的频率控制字，控制激励信号发生器和本振信号发生器产生设定频率范围内差值始终为1mhz的正弦信号，控制可控射频开关进行通道选择。工作频率为20mhz，采用串行数据加载方式。

所述采集接收模块，完成对ad数字信号的接收及相应的转换，工作频率为40mhz，总共有两个通道，目前只使用1个通道，另一个通道作为后期扩展的备用通道。

所述数字信号预处理模块，利用fpfa的高速并行运算的特点对ad接收及转换后的数字信号作相应的处理，如零均值化、fft、cordic运算等，减轻pc端处理压力，提高系统整体运算速度。其中fft和cordic均采用的是fpga芯片内部ip核，工作频率为40mhz。

所述内存接口控制模块，主要负责对adc采集接收模块的采样数据和数字信号预处理模块中产生的中间数据进行高速缓存，使用axi4总线控制fpga芯片内部migip核进行数据写入和读出，工作频率为125mhz。

所述数据包处理模块，对数字信号预处理模块的输出数据进行组包，通过usb通信模块发送给pc；接收pc端发送过来的命令包进行解析，发送给其它模块使它们有序地工作，工作频率为40mhz。发送数据包帧格式和接收数据包帧格式如表1和表2所示。

表1发送数据包帧格式

表2接收数据包帧格式

所述usb通信模块，是fpga和pc的数据传输通道，将数据包处理模块输出的数据包发送至usb芯片，再经过一系列处理后发送至pc；接收pc端传来的命令包，并将其发送至数据包处理模块。其工作频率为50mhz，采用异步fifo读写方式。

如图6所示，上位机工作流程。该上位机界面使用qt进行设计，系统上电后进行初始化，fpga板卡准备就绪后，向fpga板卡发送扫频命令，包括如扫描起始频率、扫描结束频率、扫描精度、单个频点扫描次数等，之后等待fpga板卡处理和传输数据。上位机收到数据包后对数据进解析处理，处理完成之后判断该频率点是否为扫频范围内最后一个点，如果不是则继续等待fpga板卡处理和传输下一个频点的数据；反之，则对处理得到的数据进行保存并导出，显示电压比值-频率特性曲线以及本次测量所得到的谐振/反谐振频率值。

频率扫描采用分级扫描的方式，即先进行粗略扫描，再进行精细扫描，其步骤如下所示：

(1)使用粗略扫描的方式，根据saw器件特性，设置相应起始频率和结束频率，扫描频率范围为2mhz，每次扫描步长为10khz，由fft的采样频率和分辨率的关系可知此时在工作频率为4m的情况下fft的点数可以减小至512。

(2)利用谐振频率查找方法得到步骤(1)中的谐振频率fm1与反谐振频率fm2。

(3)使用精细扫描的方式，扫描频率范围为100khz，设置起始频率为fm1-50khz，结束频率为fm1+50khz，每次扫描步长为1khz，fft点数为4096。

(4)利用谐振频率查找方法得到步骤(3)中的谐振频率fm2。

(5)使用精细扫描的方式，扫描频率范围为100khz，设置起始频率为fm2-50khz，结束频率为fm2+50khz，每次扫描步长为1khz，fft点数为4096。

(6)利用谐振频率查找方法得到步骤(5)中的谐振频率fn2，则fm2和fn2分别为saw器件最终的谐振频率和反谐振频率。

如图7所示，基于统计学分析方法的谐振频点查找工作流程。其步骤为：

(1)使用下式计算当前频率点分电压与合电压的比值ri，n次测量采用的是延长测量时间来提高准确度的方法，a1和a2分别为vm1和vm2经过处理后的数字信号：

ri＝a1/a2

(2)对于每次测量结果，判断其对应点序是否1024，如果不是，则去除数据，否则保留数据。

(3)对步骤(2)的保留的数据分别根据下式求出其平均值和标准差σ。

(4)将每个ri值与步骤(3)求出的相减后求绝对值再与σ值进行比较，如果不满足下式，即与平均值偏差大于标准差与设定倍数的乘积(k根据实际测量的情况做相应的调整)，说明该点测量时受到了较大的干扰导致误差较大，将其去除；反之，则保留数据。

(5)按照前面4个步骤后，假设总共去除了m个点，则求出n-m个点的平均值，此值作为该频率点的电压比值。

(6)按照前面5个步骤计算出扫频范围内所有频点的分电压与合电压比值并保存。

(7)使用排序法算出(6)中保存的比值中最大值和最小值，对应的频点分别为谐振频点和反谐振频点。

经过测试，对于q值较低的saw磁电传感器，本发明系统能够自动化地检测出其谐振频点，频率检测范围为35mhz～500mhz，分辨率为1khz，说明本发明方法可以在较宽频率范围内较为准确地测出低q值saw磁电传感器的谐振频率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。