CN103344172A - 一种减少电磁脉冲干扰的电容测微仪采集处理装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减少电磁脉冲干扰的电容测微仪采集处理装置和方法，包括信号调理器、第一屏蔽同轴电缆、电源电压、第二屏蔽同轴电缆、数据采集卡和数据采集计算机，电容测微仪的输出端与信号调理器的输入端连接，信号调理器的输出端通过第一屏蔽同轴电缆与数据采集卡的第一输入端连接，电源电压的输出端通过第二屏蔽同轴电缆与数据采集卡的第二输入端连接，数据采集卡的输出端与数据采集计算机的输入端连接。

Description

一种减少电磁脉冲干扰的电容测微仪采集处理装置和方法

技术领域

本发明涉及一种信号采集处理装置和方法，尤其涉及一种减少电磁脉冲干扰的电容测微仪采集处理装置和方法。

背景技术

电容测微仪具有重复性好，动态响应快，精度高等优点，广泛应用于精密加工与精密微位移检测领域。在机床精密加工中，为确保零件的加工质量，利用电容测微仪测量机床主轴的径向回转误差与轴向微窜动量，并利用测量值对机床运动控制系统进行补偿；在精密离心机研制领域，利用电容测微仪动态监测离心机主轴的运动间隙与回转误差，确保主轴运行安全，另外还利用电容测微仪测量离心机的动态半径与动态失准角等。这些检测量均为亚μm～μm级，属于精密微位移检测领域。

在这类测试项目中均包含有功率电机，如精密机床的拖动电机，精密离心机的大功率拖动电机等，电容测微仪在进行微位移测量时往往与电机处于同一空间，电机启动和持续运行时，产生连续的强电磁脉冲干扰信号，且干扰信号幅度大，并直接耦合到电容测微仪的信号通道中，将微弱测试信号淹没掉，对于精密测试，必须设法减小或消除此类强电磁干扰信号，这一直是个难题。目前常用的方法有利用线性光耦隔离电容测微仪的输出信号法、对测试系统加屏蔽罩隔离电磁干扰法、测试信号低通滤波后处理法等。上述方法各有优缺点，但均不能达到很好的抗干扰效果，比如低通滤波法，如何确定低通滤波频率，电机产生的强电磁干扰频谱宽，且不断变化，采用固定频率滤波势必将有效信号滤除，得到错误的测试结果，且这种后处理方法不便于实时处理。而采用屏蔽罩隔离电磁干扰，由于测试走线等原因，屏蔽罩不可能做到全封闭，电磁干扰会从屏蔽罩上的各孔隙耦合进测试系统，该法只可改善干扰信号的程度，但无法实现电磁干扰信号与电容测微仪的有效测试信号分离。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种同步处理测试信号，通过差分变换减少测试误差的一种减少电磁脉冲干扰的电容测微仪采集处理器。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括信号调理器、第一屏蔽同轴电缆、电源电压、第二屏蔽同轴电缆、数据采集卡和数据采集计算机，电容测微仪的输出端与所述信号调理器的输入端连接，所述信号调理器的输出端通过第一屏蔽同轴电缆与所述数据采集卡的第一输入端连接，所述电源电压的输出端通过所述第二屏蔽同轴电缆与所述数据采集卡的第二输入端连接，所述数据采集卡的输出端与所述数据采集计算机的输入端连接。

进一步地，所述第一屏蔽同轴电缆和所述第二屏蔽同轴电缆长度、材质和阻抗均相同。

具体地，所述数据采集卡为同步数据采集卡。

作为优选，所述电源电压为直流电池或由线性LDO组成的低噪声电源电压。

具体地，所述数据采集计算机为通用PC计算机、专用PC仪器类计算机或嵌入式计算机。

本发明包括以下几个步骤：

步骤(1):在所述数据采集计算机上设置所述电容测微仪的采样频率和通道量程。

步骤(2):启动数据采集后电机连续转动工况下，所述数据采集卡分别对所述电源电压和所述信号调理器执行同步采集，所述数据采集卡的第一输入端与第二输入端的采样频率相同，获得第一通道信号和第二通道信号。

步骤(3):所述第一通道信号与所述第二通道信号通过所述数据采集计算机内的软件滤波模块执行相减执行差分运算，消除强电磁干扰后得到消磁信号。

步骤(4):所述消磁信号加偏置电压后执行偏置运算得到有效测试信号。

步骤(5):判断是否完成测试,如果测试未完成则自动转到步骤2，若完成测试则退出。

步骤(6):停止采集后，将所述有效测试信号传输至所述数据采集计算机并显示。

本发明的有益效果在于：

本发明通过采集同步测量信号后，对测量信号进行差分变换和对电压进行偏置运算，，实现了电磁干扰信号与电容测微仪的有效测试信号有效分离，适用于电机运行连续强电磁干扰下的各类微弱信号有效采集与处理。

附图说明

图1是本发明的硬件结构示意图。

图2是本发明的工作示意图。

图3是所述数据采集卡的第一输入端AIn0通道采集到电容测微仪原始信号波形图，

图4是所述数据采集卡的第二输入端AIn1通道采集到的精密电源模块通道波形图，

图5是对AIn0通道测试信号A与AIn1通道测试信号B执行减法滤波运算和1V偏置运算后，AIn0原始波形图与数据处理后的波形图比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明包括信号调理器、第一屏蔽同轴电缆、电源电压、第二屏蔽同轴电缆、数据采集卡和数据采集计算机，电容测微仪的输出端与信号调理器的输入端连接，信号调理器的输出端通过第一屏蔽同轴电缆与数据采集卡的第一输入端连接，电源电压的输出端通过第二屏蔽同轴电缆与数据采集卡的第二输入端连接，数据采集卡的输出端与数据采集计算机的输入端连接。

第一屏蔽同轴电缆和第二屏蔽同轴电缆长度、材质和阻抗均相同，两通道的信号采集点数相同，采样点的时间对应一致，确保了每个通道采集到的强电磁脉冲干扰信号的幅度相同、相位相同，因此，在采集的同时对两路采集的信号实时执行点对点信号值相减，执行差分运算则可将强电磁干扰完全消除掉。减少由于传输电缆带来的测量误差。

数据采集卡为同步数据采集卡，每个输入通道对应一个A/D转换器；采集卡的本底噪声低，对于用电容测微仪精确测量微位移，采集卡的A/D分辨率应≥16位，本底噪声≤5mV；数据采集卡各通道的量程应能覆盖实际测试时的连续强电磁干扰信号的最大幅度。

电源电压为直流电池或由线性LDO组成的低噪声电源电压，其本底噪声为mV级甚至μV级，应低于数据采集卡的本底噪声，且精密电源板的静态输出电压应稳定，可确保测试精度。

数据采集计算机为通用PC计算机、专用PC仪器类计算机或嵌入式计算机。取决于数据采集计算机与数据采集卡的连接方式。数据采集卡采用PCI总线、PCI-E总线、ISA总线等通用PC类总线时，数据采集计算机为通用PC机；数据采集卡采用PXI总线、PXI-E总线、VXI总线等仪器类总线时，数据采集计算机为对应总线类PC仪器；数据采集卡为片上系统时，数据采集计算机为MCU嵌入式控制计算机，数据采集卡与MCU嵌入式控制计算机集成为一体；

本发明的工作原理如下：电机启动或持续运行时，产生的连续强电磁脉冲同步耦合到电源电压所在测试通道B，传输线缆上和电容测微仪与信号调理器组成的有效测试通道A传输电缆上，在采集的同时对两路采集的信号实时执行点对点信号值相减，执行差分运算则可将强电磁干扰完全消除掉。由于在执行减法运算时，电容测微仪测试通道A的信号幅值减掉了测试通道B的精密电源板输出的固定直流电压幅值，减法运算出现了固定电压偏置，因此，将执行减运算后的信号加上精密电源板的静态直流输出电压值即得到精确有效的电容测微仪测试信号值，实现了连续强电磁干扰下的电容测微仪微弱信号采集与处理。

如图1和2所示，在本实施例中，电容测微仪选择为德国米依公司生产的CS05型量程为500μm测微仪。信号调理器选择为与CS05型电容测微仪输出配套的DT6100型单通道信号调理器，屏蔽同轴电缆长度为20米，电阻为1欧，电容测微仪通过第一屏蔽同轴电缆与型号为DT6100信号调理器连接，信号调理器与同步数据采集卡的模拟输入通道连接，同步数据采集卡采用NIPCI-6123，数据采集卡A/D分辨率为16位，本底噪声为5mV，模拟输入通道共8个，采样频率最大为500kHz。数据采集计算机为研华工控机，通过内置的PCI总线接口与同步数据采集卡的PCI接口相连，实现工控机对数据采集卡的动作控制，电源电压为精密电源板，采用TI公司生产的线性LDO电源模块TPS79710设计，精密电源板的输入为5V直流电压，输出为1V，通过应用大量滤波电容和电感构成多级滤波器使其本底噪声为0.5mV，精密电源板通过屏蔽同轴电缆与PCI-6123同步数据采集卡的模拟输入通道AIn1连接，软件滤波组件采用LABVIEW软件平台开发，操作系统为WINXP，采样频率设置为10kHz，PCI-6123的模拟输入通道的量程设置为10V，采样模式设置为连续采集模式。设置完成后，在电机连续转动工况下，对两个模拟输入通道执行同步采集，获得AIn0通道测试信号A和AIn1通道测试信号B，同时利用软件滤波组件对测试信号A与测试信号B作减运算得消除强连续电磁脉冲后的信号C，然后对信号C加入1V偏置电压，得到电容测微仪通道的有效测量信号D。判断是否完成测试，若完成测试则退出，否则继续执行数据采集与处理过程。

由图3可知，数据采集卡的第一输入端耦合了大量不规则的连续强电磁脉冲信号，由图4可知，数据采集卡的第二输入端在1V基础上叠加了大量不规则的连续强电磁脉冲信号。由图5可知，处理后的波形图保留了电容测微仪输出的微弱信号，完全消除了由电机运行引起的强连续电磁脉冲干扰。处理后的有效测试信号中的噪声只包含有数据采集卡的5mV本底随机噪声。

Claims (6)

1.一种减少电磁脉冲干扰的电容测微仪采集处理装置，其特征在于：包括信号调理器、第一屏蔽同轴电缆、电源电压、第二屏蔽同轴电缆、数据采集卡和数据采集计算机，电容测微仪的输出端与所述信号调理器的输入端连接，所述信号调理器的输出端通过第一屏蔽同轴电缆与所述数据采集卡的第一输入端连接，所述电源电压的输出端通过所述第二屏蔽同轴电缆与所述数据采集卡的第二输入端连接，所述数据采集卡的输出端与所述数据采集计算机的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种减少电磁脉冲干扰的电容测微仪采集处理装置，其特征在于：所述第一屏蔽同轴电缆和所述第二屏蔽同轴电缆长度、材质和阻抗均相同。

3.根据权利要求1所述的一种减少电磁脉冲干扰的电容测微仪采集处理装置，其特征在于：所述数据采集卡为同步数据采集卡。

4.根据权利要求1所述的一种减少电磁脉冲干扰的电容测微仪采集处理装置，其特征在于：所述电源电压为直流电池或由线性LDO组成的低噪声电源电压。

5.根据权利要求1所述的一种减少电磁脉冲干扰的电容测微仪采集处理装置，其特征在于：所述数据采集计算机为通用PC计算机、专用PC仪器类计算机或嵌入式计算机。

6.根据权利要求1所述的一种减少电磁脉冲干扰的电容测微仪采集处理的方法，其特征在于：

包括以下几个步骤：

步骤(1):在所述数据采集计算机上设置所述电容测微仪的采样频率和通道量程。

步骤(2):启动数据采集后电机连续转动工况下，所述数据采集卡分别对所述电源电压和所述信号调理器执行同步采集，所述数据采集卡的第一输入端与第二输入端的采样频率相同，获得第一通道信号和第二通道信号。

步骤(3):所述第一通道信号与所述第二通道信号通过所述数据采集计算机内的软件滤波模块执行相减执行差分运算，消除强电磁干扰后得到消磁信号。

步骤(4):所述消磁信号加偏置电压执行偏置运算后得到有效测试信号。

步骤(5):判断是否完成测试,如果测试未完成则自动转到步骤2，若完成测试则退出。

步骤(6):停止采集后，将所述有效测试信号传输至所述数据采集计算机。

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