CN102419397A - 一种相位差测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相位差测量装置和方法，其中测量装置包括由相位检测器、低通滤波器和模数转换器组成的相位差测量单元，由双通道电压比较器和D触发器组成的极性判断单元，由微控制器、LCD和USB控制器组成的测控单元。测量装置通过相位差测量单元将两根接收天线的电磁波相位差转换为数字量，利用极性判断单元判断两电磁波相位是超前还是滞后，利用测控单元进行测量数据处理，测量结果显示与传输。

Description

一种相位差测量装置及方法

技术领域

本发明属于粮库储粮监测领域，更具体涉及一种利用电磁波来测定粮食密度的相位差测量装置及方法。

背景技术

粮食密度是粮库储粮数量检测系统中一项重要的物理量，因为粮食介电常数与粮食密度之间关系的存在，可以利用介电常数特性方便确定地粮库中粮堆的密度数据，从而为有效开展清仓查库工作奠定技术上的基础。如图1所示，一种粮堆介电常数直接法的测量装置，其中两接收天线接收的波形如图2所示。该装置测量获得电磁波在发射天线与接收天线之间传播的时间以及发射天线与接收天线的距离，由此计算粮堆的介电常数。该方法中，电磁波在发射天线与接收天线之间传播的时间由信号接收机根据A、B两根接收天线的信号相位差获得。

相位差测量常用的方法有直接测量法和李沙育图形法，这两种方法直接用肉眼观察示波器上显示的波形或者李沙育图，难以保证测量精度。但是随着示波器的数字化技术的发展，可以将采集到的数据保存下来，在计算机上完成相位差的数据处理与计算，也可用虚拟仪器替代示波器进行数据采集，大大提高了测量的精度，但是成本也提高了。另外也有采用相位-时间转换法进行相位差测量的研究，相位-时间转换法在被测信号频率较高时，测得相位差的绝对误差比较大。

发明内容

本发明的目的是提高相位差的测量精度，同时降低成本，从而能准确低成本地测定粮食的密度，提供了一种相位差测量装置与方法。

本发明具体技术方案如下：一种相位差测量装置，所述装置包括：相位差测量单元，用于将两接收天线的电磁波相位差转换为数字量；极性判断单元，用于判断两接收天线的电磁波相位超前还是滞后；测控单元，用于处理测量数据、显示测量结果以及传输数据给上位机。

进一步，所述相位差测量单元中具体包括：相位检测器，将两接收天线的电磁波相位差转换为电信号；低通滤波器，用于滤除干扰信号、信号阻抗匹配和信号电流放大；模数转换器，将电信号模拟量转换数字量；其中，相位检测器，低通滤波器和模数转换器顺序相连。

进一步，所述极性判断单元包括：双通道电压比较器，用于将两正弦电磁波均整形为方波；D触发器，用于比较两方波的相位关系；其中双通道电压比较器的两路输出分别与D触发器的D输入端和时钟输入端相连。双通道电压比较器和D触发器相连。

进一步，所述测控单元包括：微控制器，用于控制模数转换器的数据转换，对测量数据进行处理，控制显示装置与USB控制器的数据传输；显示装置在微控制器的控制下显示测量结果；USB控制器在微控制器的控制下将测量数据通过USB接口传输给上位机；其中，微控制器分别与显示装置和USB控制器相连。

进一步，所述相位检测器为乘法器型的相位检测器。

进一步，所述低通滤波器为巴特沃什型有源低通滤波器。

一种相位差测量方法，包括以下步骤：S100，将来至两接收天线的电磁波送入相位检测器，相位差转换为电信号，经过低通滤波器滤除高频干扰信号、阻抗匹配及电流放大后，由模数转换器将电信号模拟量转换数字量；S200，将来至两接收天线的电磁波送入双通道电压比较器，将两正弦电磁波均整形为方波，由D触发器比较两方波的相位超前与滞后关系；S300，微控制器获得模数转换结果，并运用去极值平均滤波法减小随机测量误差，计算出电压值V_PHS；S400，微控制器获得极性判断结果，按公式Δφ＝±a₁-a₀V_PHS(±由极性判断结果确定，a₀、a₁是常数)计算出相位差值；S500，相位差测量结果在显示装置上显示，并由USB控制器经USB接口送入上位机。

进一步，步骤S100中所述电磁波为同频率正弦波。

进一步，步骤S300中所述去极值平均滤波方法为：连续采样N次，剔除其最大值和最小值，再求余下N-2个采样的平均值。

进一步，步骤S400中a₀、a₁的值取得采用方法为：由双通道信号源同时输出两路频率相同相位差为Δφ的正弦波，经过相位差测量装置将相位差转换为电压V_PHS，并在LCD上显示出电压；采取以10°步进进行0～360°移相，通过测量获得反映相位差电压V_PHS与相位差Δφ的离散数据；再通过最小二乘法计算出a₀、a₁的值

发明效果：本发明在很宽的频率范围内相位差的测量精度与信号电平无关，相位极性判断单元扩展了相位检测器的测量范围，去极值平均滤波和线性校正方法减小了测量误差，提高了测量精度。

附图说明

图1是背景技术中采用直接法测量介电常数的装置示意图；

图2是背景技术中两接收天线接收的电磁波信号；

图3是本发明的相位差测量装置的结构图；

图4是本发明的相位差测量方法的流程图；

图5是本发明的去极值平均滤波方法的流程图。

具体实施实例

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图3所示的相位差测量装置由相位差测量单元、极性判断单元和测控单元组成，通道1、2分别接两根接收天线。

相位差测量单元包括相位检测器、低通滤波器和模数转换器组成的。相位检测器采用AD8302，将两输入信号的相位差也转化为电压输出，其范围为0～1.8V，可表示两信号的相位差为-180°～+180°。低通滤波器采用了运算放大器AD8532构成的巴特沃什型有源滤波器，该巴特沃什有源滤波器的增益为1，通带保持平坦，-3dB带宽为20KHz，0～5KHz波形基本不发生改变，40KHz时的衰减可达56dB。模数转换器使用14位的MAX1067，使相位的分辨率不低于0.1°，采样速度为200ksps。

极性判断单元包括双通道电压比较器和D触发器。双通道电压比较器采用AD8612，其内部具有两路独立的比较器，用一片即可完成两路信号的整形，将正弦波转换为方波。D触发器采用74LVC74A，两路方波，一路接在D触发器时钟输入引脚，另一路接在D输入引脚，D触发器的输出Q端接到微控制器的数据线上。当Q为高电平时，说明通道1相位超前于通道2，相位差为正，否则说明通道2相位超前于通道1，相位差为负。

测控单元包括微控制器、LCD和USB控制器。微控制器采用单片机，采用SPI总线与模数转换器MAX1067相连，对MAX1067进行控制并读取转换结果，对测量数据进行处理，控制LCD显示与USB控制器的数据传输。LCD在单片机的控制下显示测量结果。USB控制器将测量数据通过USB接口传输给PC机。

如图4所示的相位差测量方法包括以下步骤：

S100，将来至两接收天线的电磁波送入相位检测器AD8302，将相位差转换为电信号，经过由AD8532构成的巴特沃什型有源低通滤波器，滤除高频干扰信号号、阻抗匹配和电流放大后，由模数转换器MAX1067将电信号模拟量转换数字量；

S200，将来至两接收天线的电磁波送入电压比较器AD8612，将两正弦电磁波均整形为方波，一路接在D触发器时钟输入引脚，另一路接在D输入引脚，D触发器的输出Q接到微控制器的数据线上。当Q为高电平时，说明通道1相位超前于通道2，相位差为正，否则说明通道2相位超前于通道1，相位差为负；

S300，微控制器通过SPI总线与模数转换器MAX1067相连，对MAX1067进行控制并读取转换结果，并运用去极值平均滤波法减小随机测量误差；

S400，微控制器获得极性判断结果，按公式Δφ＝±a₁-a₀V_PHS(V_PHS是步骤S300的处理结果，±由极性判断结果确定，a₀、a₁是常数)计算出相位差值；

S500，相位差测量结果在微控制器的控制下传输到LCD上显示，并由USB控制器经USB接口送入PC机。

步骤S300中所述去极值平均滤波方法为：连续采样N次，将其累加求和，同时找出其中的最大值与最小值，从累加各中剔除其最大值和最小值，再求余下N-2个采样的平均值，即得有效采样值，采集完成后向上位机发送有效采样值。其流程图如图5所示。

步骤S400中a₀、a₁的值取得采用方法为：由双通道信号源同时输出两路频率相同相位差为Δφ的正弦波，经过相位差测量装置将相位差转换为电压V_PHS，并在LCD上显示出电压。采取以10°步进进行0～360°移相，通过测量出的获得反映相位差电压V_PHS与相位差Δφ的离散数据。通过最小二乘法计算出a₀、a₁的值。对于n个实验数据对(xi，yi)(i＝1，2，...，n)可求得

$a_0=\frac{1}{\mathrm{\Δ}}(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i)$

$a_1=\frac{1}{\mathrm{\Δ}}(n\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i{y}_i-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i)$

$\mathrm{\Δ}=n\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i^2-{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\right)}^2$

以上，仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围的内。

Claims (10)

1.一种相位差测量装置，其特征在于：所述装置包括

  相位差测量单元，用于将两接收天线的电磁波相位差转换为数字量；

  极性判断单元，用于判断两接收天线的电磁波相位超前还是滞后；

  测控单元，用于处理测量数据、显示测量结果以及传输数据给上位机。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述相位差测量单元中具体包括

  相位检测器，将两接收天线的电磁波相位差转换为电信号； 

  低通滤波器，用于滤除干扰信号、信号阻抗匹配和信号电流放大;

  模数转换器，将电信号模拟量转换为数字量；

  其中，相位检测器,低通滤波器和模数转换器顺序相连。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述极性判断单元包括

   双通道电压比较器，用于将两正弦电磁波均整形为方波; 

   D触发器，用于比较两方波的相位关系；

   其中，双通道电压比较器的两路输出分别与D触发器的D输入端和时钟输入端相连，双通道电压比较器和D触发器相连。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

   所述测控单元，包括微控制器，用于控制模数转换器的数据转换，对测量数据进行处理，控制显示装置与USB控制器的数据传输；

    显示装置在微控制器的控制下显示测量结果；

    USB控制器在微控制器的控制下将测量数据通过USB接口传输给上位机；

其中，微控制器分别与显示装置和USB控制器相连。

5.根据权利要求2所述的一种相位差测量装置，其特征在于：所述相位检测器为乘法器型的相位检测器。

6.根据权利要求2所述的一种相位差测量装置，其特征在于：所述低通滤波器为巴特沃什型有源低通滤波器。

7.利用权利要求1所述的装置实现相位差测量方法，其特征在于：包括以下步骤，

  S100，将来至两接收天线的电磁波送入相位检测器，相位差转换为电信号，经过低通滤波器滤除高频干扰信号、阻抗匹配及电流放大后，由模数转换器将电信号模拟量转换数字量；

  S200，将来至两接收天线的电磁波送入双通道电压比较器，将两正弦电磁波均整形为方波，由D触发器比较两方波的相位超前与滞后关系；

  S300，微控制器获得模数转换结果,并运用去极值平均滤波法减小随机测量误差，计算出电压值                                                

；

  S400，微控制器获得极性判断结果，按公式

（由极性判断结果确定，

、

是常数）计算出相位差值；

  S500,相位差测量结果在显示装置上显示，并由USB控制器经USB接口送入上位机。

8.根据权利要求7所述的一种相位差测量方法，其特征在于：步骤S100中所述电磁波为同频率正弦波。

9.根据权利要求7所述的一种相位差测量方法，其特征在于：步骤S300中所述去极值平均滤波方法为：连续采样N次，剔除其最大值和最小值，再求余下N-2个采样的平均值。

10.根据权利要求7所述的一种相位差测量方法，其特征在于：步骤S400中

、

的值取得采用方法为：由双通道信号源同时输出两路频率相同相位差为

的正弦波，经过相位差测量装置将相位差转换为电压

，并在LCD上显示出电压；采取以10°步进进行0 ~ 360°移相，通过测量获得反映相位差电压

与相位差的离散数据；再通过最小二乘法计算出、

的值。

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