[發明專利]一種精密測量頻率的方法和裝置

有效

• 申請號: 201310445423.X
• 申請日: 2013-09-26
• 公開（公告）號: CN103499386A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發明（設計）人: 張興紅;何濤;邱磊
• 申請（專利權）人: 重慶理工大學
• 主分類號: G01H11/06
• 分類號: G01H11/06
• 代理公司: 重慶華科專利事務所 50123
• 代理人: 康海燕

技術領域

本發明屬于精密傳感器和檢測技術領域，具體涉及一種利用機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

很多機械裝置工作時，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行測量時，由于信號太弱，不便于用傳感器進行直接測量，所以機械參量在進入傳感器之前，應該對機械參量進行放大處理。

傳統的頻率測量幾乎都是利用處理器的計數器模塊對被測量信號的周期進行測量，此方法雖然能達到實時動態檢測，并能使整個頻率測量過程保持高穩定度、高精度，但是計數器在進行周期測量時，都是用計數器的計數值乘以計數器的時鐘周期來獲得被信號的周期，當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行測量，并且利用計數器計時，只能是計數器時鐘周期的整數倍。利用A/D轉換對被測信號進行采樣，再利用直線插補的方法對離散的數字信號進行處理就可以更精確的計算出信號的周期。

專利文獻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纖維傳遞給光子計數專用的光電倍增管，將信號轉換成電信號輸送給光電脈沖計數器，再經后續處理，得到振動頻率。該方法雖然實現了頻率的非接觸式測量，但是也有很多的不足之處：其一，當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入另外的介質，不會以反射到與入射光線相同的介質中，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，散射光的傳播受環境影響很大，比如空氣懸浮的小顆粒會使光發生衍射等。

發明內容

本發明針對上述問題,提出一種高分辨率的振動頻率測量方法和振動頻率測量儀，通過振動測量傳感器、FPGA電路和軟件細分插補算法，可以在保證測量實時性的前提下實現納秒級時間的測量，從而實現高精度振動頻率的測量。

本發明采用的技術方案是：

本發明用于實現高精度的頻率測量的裝置包括振動測量傳感器、與傳感器連接的電容電壓轉換電路、與電容電壓轉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。

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構，下端面積大于上端面積，當振動特性通過介質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的關系，所以，根據能量守恒定律，放大裝置頂部的振動幅度大于放大裝置底部的振動幅度。

本測量儀的信號處理電路包括模數轉換器（A/D）、現場可編程門列陣（FPGA）和中央處理單元（CPU）。

所述A/D轉換器用于把模擬信號轉換為數字信號，并輸入FPGA。

所述FPGA電路完成電容電壓轉換電路輸出信號的采樣，并把數據存在構造于FPGA內部的存儲區內。

所述中央處理單元CPU連接現場可編程門陣列FPGA，控制現場可編程門陣列FPGA發出A/D采樣控制命令，在采樣完成后，中央處理單元CPU負責從FPGA內讀取電壓信號的A/D采樣數據，通過內置的細分插補算法模塊計算出數據起點和終點所對應的時刻，進而確定每一組數據的時間，然后根據時間和頻率的關系精確計算出機械振動的頻率。

本發明的電容電壓轉換電路是以集成塊CAV424為核心的電路，它可以把電容的變化轉化為電壓的變化。放大電路采用電壓串聯負反饋放大電路，它的特點是以電壓形式求和、能夠穩定輸出電壓、屬于電壓控制的電壓源。

本發明提出的高精度頻率測量方法如下：

將振動傳感器的桶體正放置在振動源上，中央處理單元CPU控制現場可編程門陣列FPGA發出A/D采樣控制信號，振動測量傳感器把機械振動轉換為電信號，輸出振動信號，放大電路對電容電壓轉換后的電信號進行放大后，再由濾波電路對電壓信號進行濾波，由A/D轉換電路對電壓信號進行采樣，采樣數據先存儲在構造于FPGA內的存儲區內。

采樣完成后，中央處理單元CPU首先從FPGA內讀取電壓信號的A/D采樣數據，采用通過細分插補算法模塊精確計算出數據起點和終點所對應的時刻，進而精確確定每一組數據的時間。然后根據時間和頻率的關系精確計算出機械振動的頻率。