CN103728494B - 一种谐振频率测量及跟踪系统和方法 - Google Patents

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本发明涉及一种谐振频率测量及跟踪系统和方法，主要组成包括计算机、多功能数据采集卡、直接数字频率合成器和传感器接口电路。与传统锁相环电路相比，省去了移相器，减少了不必要单元对信号造成的干扰，提高了信号精度。本发明简化了谐振频率的测量与跟踪，谐振频率及其变化便于实时观察并且自动保存于存储器中，检测过程无需技术人员干预完全由系统自动完成。

Description

一种谐振频率测量及跟踪系统和方法
技术领域
本发明涉及仪器检测技术领域，特别是涉及一种谐振频率测量及跟踪系统和方法。
背景技术
共振现象可以说是一种宇宙间最普遍和最频繁的自然现象之一，在某种程度上甚至可以说是共振产生了宇宙和世间万物。在电学领域，当电路中激励的频率等于电路的固有频率时，电路的电磁振荡的振幅也将达到峰值，发生共振现象，此时的激励频率即为谐振频率。谐振现象在日常生活、工业生产以及科学研究领域起到非常重要的作用，因此对谐振频率的测量及跟踪一直是科研工作者关注的问题。
在传统检测系统及方法中，对谐振频率的测量是通过网络分析仪对选定的谐振器测绘幅-频曲线和相-频曲线，从而得到其谐振频率。而对频率的跟踪则主要根据在谐振频率作用下，振荡器输出信号与输入信号的相位差为九十度的原理，通过锁相环电路跟踪相位而实现对谐振频率的实时跟踪。
但是这种方法要求传感器与接口电路只能一对一匹配，当更换传感器时，还需要重新调整电路中的移相单元，这就导致系统容错性差，并且无法适应多功能检测的需求。另外，这种堆叠式分散系统需要采用网络分析仪、示波器等大型设备，不仅复杂而且智能化程度较低，难以满足工业化及生产生活的现场应用需求，因此急需一种集成化的小型智能系统实现对谐振频率的测量及跟踪。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种谐振频率测量及跟踪系统和方法，能够自动完成扫描和跟踪的过程，谐振频率实时显示并记录于存储器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种谐振频率测量及跟踪系统，包括计算机、多功能数据采集卡、直接数字频率合成器和传感器接口电路，所述计算机与所述多功能数据采集卡相连，所述多功能数据采集卡的数字输出端与直接数字频率合成器的控制端相连，所述直接数字频率合成器的输出端分别与谐振器和多功能数据采集卡的模拟输入端相连；所述谐振器的输出端与传感器接口电路相连；所述传感器接口电路的输出端与多功能数据采集卡的模拟输入端相连；所述计算机用于向多功能数据采集卡发送控制指令，使多功能数据采集卡的数字输出端产生直接数字频率合成器所需的控制字；所述直接数字频率合成器用于产生谐振器的激励信号；所述传感器接口电路用于将谐振器的响应信号转换为采样信号；所述多功能数据采集卡用于测量不同激励频率下的采样信号的幅值，并得到这些幅值中的峰值，该峰值对应的频率为谐振器的谐振频率。
当谐振器的谐振频率受外界作用而改变时，所述计算机还用于计算激励信号和采样信号之间的相位差、响应信号与激励信号之间的相位差，当两个相位差相等时，对激励信号进行傅里叶分析得到谐振器此时的谐振频率。
所述计算机根据预先标定的传感器接口电路的相-频曲线，得到谐振频率作用时所述传感器接口电路产生的相移。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种谐振频率测量及跟踪方法，包括以下步骤：
（1）计算机根据预设的扫描频率的起始激励频率计算直接数字频率合成器所需的控制字；
（2）计算机向多功能数据采集卡发送控制指令，使多功能数据采集卡的数字输出端产生相应的控制信号用来控制直接数字频率合成器；
（3）直接数字频率合成器根据接收到的控制信号产生的输出信号作为激励信号作用在谐振器输入端，谐振器的响应信号经过传感器接口电路的滤波和放大处理后变为采样信号；
（4）对采集的信号进行分析，得到激励频率作用下采样信号的幅值；
（5）根据设定的频率变化间隔，计算下一个激励频率，重复步骤（1）-步骤（4），直至激励频率为扫描频率的最终激励频率；
（6）选出所有激励频率作用下采样信号的幅值中的峰值，该峰值所对应的频率为谐振器的谐振频率；
（7）根据预先标定的传感器接口电路的相-频曲线，得到在谐振频率激励时传感器接口电路产生的相移φ1。当然，为简化检测过程可省却预标定步骤，即假定φ1=0。
（8）激励信号频率设定为谐振频率，对激励信号和采样信号进行信号处理得到两者之间的相位差φ2，并计算φ0＝φ2-φ1。
（9）当谐振器的谐振频率受外界作用而改变时，调整直接数字频率合成器的控制字，使得激励信号频率不断改变，直至响应信号与激励信号的相位差φ＝φ0。
（10）此时，对激励信号进行信号处理，得到其频率即为谐振器在此情况下新的谐振频率。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明简化了谐振频率的测量与跟踪，检测过程无需技术人员干预，完全由系统自动完成，谐振频率及其变化易于观测且自动保存。系统跟踪及锁定的相位在每次启动时实时检测并确定，而并非限定于某个固定相位值，这样可以在更换传感器或者环境后，无需调试就可直接应用。所采用的测试仪器主要为一张多功能数据采集卡，降低了成本也便于在现场应用。接口电路部分省去了移相器，减少了不必要单元对信号造成的干扰，提高了信号精度。
附图说明
图1是本发明的系统整体框图；
图2是本发明的系统流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的第一实施方式涉及一种谐振频率测量及跟踪系统，如图1所示，包括计算机、多功能数据采集卡、直接数字频率合成器和传感器接口电路，所述计算机与所述多功能数据采集卡相连，所述多功能数据采集卡的数字输出端与直接数字频率合成器的控制端相连，所述直接数字频率合成器的输出端分别与谐振器和多功能数据采集卡的模拟输入端相连；所述谐振器的输出端与传感器接口电路相连；所述传感器接口电路的输出端与多功能数据采集卡的模拟输入端相连；所述计算机用于向多功能数据采集卡发送控制指令，使多功能数据采集卡的数字输出端产生直接数字频率合成器所需的控制字；所述直接数字频率合成器用于产生谐振器的激励信号；所述传感器接口电路用于将谐振器的响应信号转换为采样信号；所述多功能数据采集卡用于测量不同激励频率下的采样信号的幅值，并得到这些幅值中的峰值，该峰值对应的频率为谐振器的谐振频率。
当谐振器的谐振频率受外界作用而改变时，所述计算机还用于计算激励信号和采样信号之间的相位差、响应信号与激励信号之间的相位差，当两个相位差相等时，对激励信号进行傅里叶分析得到谐振器此时的谐振频率。
为了确保谐振频率跟踪时的精度更准，所述计算机根据预先标定的传感器接口电路的相-频曲线，得到谐振频率作用时所述传感器接口电路产生的相移φ1，计算机对激励信号和采样信号通过信号处理得到两者之间的相位差φ2，当谐振器的谐振频率受外界作用而改变时，调整直接数字频率合成器所需的控制字，使得激励信号频率不断改变，直至响应信号与激励信号的相位差φ＝φ0，其中，φ0＝φ2-φ1；对激励信号进行傅里叶分析得到的频率即为谐振器在此情况下新的谐振频率。
下面以一个具体的应用实例来进一步说明本发明，如图2所示。
系统启动后首先完成初始化，然后计算机根据所设定的扫描频率的起始频率fstart计算直接数字频率合成器（DDS）AD9850所需的控制字Kstart。
然后计算机向数据采集卡NIUSB-6366发送控制指令，使其数字输出端产生相应的控制信号，它决定了DDS输出信号S1的频率为起始频率fstart。
DDS产生的输出信号S1作为激励信号作用在谐振器输入端，谐振器的响应信号S2经过接口电路的滤波和放大等处理后变为采样信号S3。输出信号S1和采样信号S3接入多功能数据采集卡的模拟输入端。
对采集的采用信号S3进行分析，得到起始频率fstart作用下采样信号S3的幅值Astart。
根据设定的频率变化间隔Δf，计算下一个激励频率f＝fstart+Δf。然后如前述步骤所示，计算所需的控制字K，向数据采集卡发送控制指令，产生控制信号，使得DDS输出信号的频率为f＝fstart+Δf，并测量此激励下采样信号S3的幅值A。
如此循环，直至激励信号S1的频率f＝fend。在所测量的幅值中，峰值Amax所对应的频率为谐振器的谐振频率f0。
预先标定放大和滤波等接口电路部分的相-频曲线，得到谐振频率f0作用时接口电路产生的相移φ1。
调整系统输出的DDS控制字K，产生频率为谐振频率f0的激励信号S1。对激励信号S1和采样信号S3，通过信号处理得到其相位差φ2，计算φ0＝φ2-φ1。
当谐振器的谐振频率受外界作用而改变时，若仍保持激励信号S1的频率为f0不变，则响应信号S2与激励信号S1的相位差φ≠φ0。
调整DDS的控制字，使得激励信号频率不断改变，直至响应信号S2与激励信号S1的相位差φ=φ0。此时，对激励信号S1进行傅里叶分析得到其频率f1即为谐振器在此情况下新的谐振频率。其中，系统持续跟踪谐振器的谐振频率可以实时显示并记录于存储器中。
值得一提的是，在牺牲一定精度情况下，还可省去标定接口电路部分相-频曲线的工作，即假定φ1=0，系统跟踪和锁定的相位φ0＝φ2。
不难发现，本发明简化了谐振频率的测量与跟踪，检测过程无需技术人员干预，完全由系统自动完成，谐振频率及其变化易于观测且自动保存。系统跟踪及锁定的相位在每次启动时实时检测并确定，而并非限定于某个固定相位值，这样可以在更换传感器或者环境后，无需调试就可直接应用。所采用的测试仪器主要为一张多功能数据采集卡，降低了成本也便于在现场应用。接口电路部分省去了移相器，减少了不必要单元对信号造成的干扰，提高了信号精度。

Claims (4)

1.一种谐振频率测量及跟踪系统，包括计算机、多功能数据采集卡、直接数字频率合成器和传感器接口电路，其特征在于，所述计算机与所述多功能数据采集卡相连，所述多功能数据采集卡的数字输出端与直接数字频率合成器的控制端相连，所述直接数字频率合成器的输出端分别与谐振器和多功能数据采集卡的模拟输入端相连；所述谐振器的输出端与传感器接口电路相连；所述传感器接口电路的输出端与多功能数据采集卡的模拟输入端相连；所述计算机用于向多功能数据采集卡发送控制指令，使多功能数据采集卡的数字输出端产生直接数字频率合成器所需的控制字；所述直接数字频率合成器用于产生谐振器的激励信号；所述传感器接口电路用于将谐振器的响应信号转换为采样信号；所述多功能数据采集卡用于测量不同激励频率下的采样信号的幅值，并得到这些幅值中的峰值，该峰值对应的频率为谐振器的谐振频率；当谐振器的谐振频率受外界作用而改变时，所述计算机还用于计算激励信号和采样信号之间的相位差、响应信号与激励信号之间的相位差，当两个相位差相等时，对激励信号进行傅里叶分析得到谐振器此时的谐振频率。
2.根据权利要求1所述的谐振频率测量及跟踪系统，其特征在于，所述计算机根据预先标定的传感器接口电路的相-频曲线，得到谐振频率作用时所述传感器接口电路产生的相移。
3.一种谐振频率测量及跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)计算机根据预设的扫描频率的起始激励频率计算直接数字频率合成器所需的控制字；
(2)计算机向多功能数据采集卡发送控制指令，使多功能数据采集卡的数字输出端产生相应的控制信号用来控制直接数字频率合成器；
(3)直接数字频率合成器根据接收到的控制信号产生的输出信号作为激励信号作用在谐振器输入端，谐振器的响应信号经过传感器接口电路的滤波和放大处理后变为采样信号；
(4)对采集的信号进行分析，得到激励频率作用下采样信号的幅值；
(5)根据设定的频率变化间隔，计算下一个激励频率，重复步骤(1)-步骤(4)，直至激励频率为扫描频率的最终激励频率；
(6)选出所有激励频率作用下采样信号的幅值中的峰值，该峰值所对应的频率为谐振器的谐振频率；
(7)预先标定传感器接口电路的相-频曲线，得到谐振器在谐振频率作用时传感器接口电路产生的相移φ1，对激励信号和采样信号通过信号处理得到两者之间的相位差φ2，当谐振器的谐振频率受外界作用而改变时，调整直接数字频率合成器所需的控制字，使得激励信号频率不断改变，直至响应信号与激励信号的相位差φ＝φ0，其中，φ0＝φ2-φ1；对激励信号进行傅里叶分析得到的频率即为谐振器在此情况下新的谐振频率。
4.根据权利要求3所述的谐振频率测量及跟踪方法，其特征在于，所述步骤(7)中的谐振器在谐振频率作用时传感器接口电路产生的相移φ1＝0。
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