CN105352584A - 一种基于电容式传感器的微弱信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子技术领域，涉及微弱信号检测方法，提供为一种基于电容式传感器的微弱信号检测方法，用于克服现有检测方法检测电路复杂、信号算法复杂及传感器与电路集成差的缺点。本发明基于电容式传感器的微弱信号检测方法，首先将电容式传感器与谐振电感组成一个LC振荡器，电容式传感器接受到振动时，电容随振动位移线性变化，从而使LC振荡器振荡频率随振动位移变化，实现频率调制，输出调频信号；然后采用频率解调电路将LC振荡器输出调频信号恢复出振动波形。本发明适合于单端输出的电容式传感器，检测电容范围宽、检测电路简单、传感器与检测电路集成度高、并且能够实现微振动信号的无线采集。

Description

一种基于电容式传感器的微弱信号检测方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及微弱信号检测方法，具体为一种基于LC振荡器的微弱信号检测方法。

背景技术

微弱信号检测技术就是要研究、观察、记录科研和生产中各种物理量的微小变化，解决在噪声或干扰中检测有用的微弱信号的问题。许多非电量的微小变化都通过传感器变成电信号进行放大，显示或记录。但由于这些微小量的变化通过传感器转换成的电信号后仍然十分微弱，可能是10^-6V，甚至是10^-9V或更小，对于这些微弱信号的检测，噪声和干扰仍然是主要矛盾。

作为微弱信号中的微振动信号检测是精密加工技术、机械运动部件实时测量和生物医学脉搏检测中的重要环节。微振动信号检测的目的是将高噪声环境中的微弱机械振动频率检测出来，甚至尽可能将机械波形线性放大成电压波形。目前的检测方法有多种，大致可以分为机械式检测方法、光学式检测方法和电检测方法。

机械式检测方法，振动传感器将工程振动的参量转换成机械信号，再经机械系统放大后，进行测量、记录，常用的仪器有杠杆式测振仪和盖格尔测振仪，在现场测试时较为简单方便，但它能测量的频率较低，精度也较差，检测系统体积也比较大。

光学式检测方法，将工程振动的参量转换为光学信号，经光学系统放大后显示和记录。光学式检测法又分为光学干涉法和光学非干涉法；干涉测振法是将光束正入射于物体表面，其反射回来的检测光与参考光相遇形成干涉场，此后再对干涉场进行处理便得到所要测量的振动信息。该方法对于振动的测量是非接触精密测量，干涉测振法具有应用范围广、重复性极好，可以对微小振动进行高精度测量的优点；但是该方法的不利之处在于一方面是由于干涉测振法具有高灵敏性，环境扰动对其影响非常突出，当周围环境不理想时，测量将无法进行。另一方面是在实际应用中很难保证入射光垂直于被测物体表面，以及目标物体表面的不平整性，使得由目标物返回的检测光与参考光将不能很好的重合，尤其当两束光偏差太大就不能形成干涉，这将使测量无法进行。总的来说，光学式检测法精度高，非接触，但是系统复杂，检测成本高。

电检测方法是将工程中振动参量转换成电信号，经过电子线路放大后显示和记录。电检测法的要点在于先将机械振动量转换为电参量，如电动势、电荷、电容等；然后再对电参量进行检测，从而得到所要的机械量。电检测系统由拾振传感器、测量电路、信号分心电路组成；电检测方法电路方案简单，精度高，可集成。本发明是基于电检测方法中电容参量的检测方法。

电容式传感器是把位移、压力等机械量转换为电容量变化的传感器。它的简化模型就是一个具有可变参数的平板电容器，极间以空气为介质。若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εS/d，式中ε为极间介质的介电常数，S为两极板互相覆盖的有效面积，d为两电极之间的距离，d、S、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量；因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类，极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化，面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移，介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。电容式传感器阻抗高、功率小，因此所需的输入力很小，输如能量很低，特别适合用来解决输入能量低的测量问题，例如测量极低的压力和很小的加速度、位移等，能感受0.001μm甚至更小的位移。动态响应好，由于极板间的静电引力很小，可动部分做得很小很薄，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量，如测量振动、瞬时压力等。

目前，基于电容式传感器的振动信号的检测方法为RC串联回路充放电法，然而此方法只能检测以差分形式输出的电容传感器，而且检测电路复杂，信号的算法也复杂，传感器与电路集成性差。基于此，本发明提供一种基于电容式传感器的微弱信号检测方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有检测方法检测电路复杂、信号算法复杂及传感器与电路集成差的缺点提供一种基于电容式传感器的微弱信号检测方法，本发明采用技术方案为：

一种基于电容式传感器的微弱信号检测方法，包括以下步骤：

步骤1.将电容式传感器与谐振电感组成一个LC振荡器，电容式传感器接受到机械振动时，电容随机械振动位移线性变化，从而使LC振荡器振荡频率随机械振动位移变化，实现频率调制，输出调频信号；

步骤2.采用频率解调电路将LC振荡器输出调频信号恢复出振动波形，即微振动信号。

进一步的，所述LC振荡器由电容式传感器、谐振电感、振荡供能和放大电路组成；电容式传感器与谐振电感产生谐振，振荡供能由三极管供能电路供给，放大电路将振荡信号幅值放大后用于后级信号处理。

所述频率解调电路为相位鉴频电路。

需要说明的是，本发明LC振荡器频率调制后的调频信号为高频信号，经过功率放大后，能够以无线的形式发送至远方，以便于无线接收再解调，实现机械振动信号的无线采集。同时，由于机械振动只能影响LC振荡器的振荡频率，调频信号的电压幅值由振荡器电路的工作状态决定，因此调频信号能够直接由振荡器设置为幅值适合的信号，从而避免了信号在后续放大解调中引入、放大噪声，有效提高了信噪比。

综上，本发明提供一种基于电容式传感器的微弱信号检测方法，该方法适合于单端输出的电容式传感器，检测电容范围宽、检测电路简单、传感器与检测电路集成度高、并且能够实现微弱信号的无线采集。

附图说明

图1为本发明基于电容式传感器的微弱信号检测方法的示意图。

图2为实施例中LC振荡器电路图。

图3为实施例中相位鉴频电路电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例中，基于电容式传感器的微弱信号检测方法，其示意图如图1所示，其中，虚线框内为LC振荡器，由谐振电容C、谐振电感L、振荡供能与放大电路组成，其具体电路如图2所示，谐振电容C为极距变化型电容式传感器电容；由于电容式传感器存在固有电容，电路上电后，LC振荡器产生一固定的振荡频率(通信中称之为载波频率)；在电容式传感器接受到外界机械振动时，电容随着机械振动位移变化，从而振荡频率随着机械振动变化，此振动波形在通信中称之为调频信号；即实现LC振荡器频率调制，实现微振动信号到振荡频率的转换；

LC振荡器输出该调频信号，由相位鉴频电路线性的恢复出原机械振荡波形。若将LC振荡器电容C固有电容设置小一些，则LC固有振荡频率将更高，即载波频率更高；将调制在高频的信号进行功率放大，加上天线发射电路，则振荡波形将被无线发射出去；无线接收电路接收无线信号并放大，经过相位鉴频电路同样能够线性的恢复出原机械振荡波形，实现微振动信号的无线采集。所述的相位鉴频电路电路图如图3所示。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (3)

1.一种基于电容式传感器的微弱信号检测方法，包括以下步骤：

步骤1.将电容式传感器与谐振电感组成一个LC振荡器，电容式传感器接受到振动时，电容随振动位移线性变化，从而使LC振荡器振荡频率随振动位移变化，实现频率调制，输出调频信号；

步骤2.采用频率解调电路将LC振荡器输出调频信号恢复出振动波形。

2.按权利要求1所述基于电容式传感器的微弱信号检测方法，其特征在于，所述LC振荡器由电容式传感器、谐振电感、振荡供能和放大电路组成；电容式传感器与谐振电感产生谐振，振荡供能由三极管供能电路供给，放大电路将振荡信号幅值放大后用于后级信号处理。

3.按权利要求1所述基于电容式传感器的微弱信号检测方法，其特征在于，所述频率解调电路为相位鉴频电路。