CN106871934A - 一种拓宽磁电传感器工作频率范围的方法 - Google Patents

一种拓宽磁电传感器工作频率范围的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种拓宽磁电传感器响应频率范围的方法，包括如下步骤：首先，根据磁电传感器在不同频率相同幅值的交变磁场激励下的输出信号获得幅频数据，根据谐振频率下的磁电系数与在不同频率下的磁电系数中获得在不同频率下的补偿系数；根据磁电传感器在被测信号激励下输出信号获得被测信号的响应频域数据；然后，对被测信号的响应频域数据与不同频率下的补偿系数进行相乘处理获得被测信号补偿后响应频域数据；最后，对被测信号补偿后响应幅频域据进行逆傅里叶变换获得被测信号补偿后时域数据。本发明从方法的角度实现对磁电传感器输出信号的补偿，实现简单且成本低，能够快速调整该方法适用于不同类型的磁电传感器时，可以降低产品开发周期。

Description

一种拓宽磁电传感器工作频率范围的方法
技术领域
本发明属于磁电传感器技术领域，更具体地，涉及一种拓宽磁电传感器工作频率范围的方法。
背景技术
磁电传感器是一种将磁场信号转换为电场信号的器件。它的原理是将磁致伸缩材料和压电材料利用粘和剂(如环氧树脂)粘和在一起，或者通过薄膜制备工艺将磁致伸缩材料和压电材料进行复合。磁场的变化会引起磁致伸缩材料的形状变化，磁致伸缩材料形状变化会对压电材料产生一定的机械应力，压电材料受到机械应力的作用会在材料的两端聚集电荷，产生的电荷量与机械应力的大小成正比。这样就实现了从磁场变化到应力变化到电荷变化的磁机电耦合的磁电传感器。
磁电传感器的输出特性曲线如附图1所示，从图1中可以看出磁电传感器在特定的频率的激励下会产生谐振，谐振时磁电传感器输出得到很大的提高，但是当激励频率远离谐振频率时，磁电传感器的输出快速下降。这个特性使磁电传感器在实际的应用中有很大的测量带宽限制，使得磁电传感器的输出信号会出现失真现象。通常采用硬件补偿电路对磁电传感器的输出信号进行补偿，以达到拓宽磁电传感器的谐振频段目的。但是硬件补偿电路有以下缺点：1)硬件补偿电路会引入噪声，降低测量的灵敏度；2)硬件补偿电路原理复杂，不便于设计和实现；3)硬件补偿电路成本比较大。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷和改进需求，本发明提供了一种拓宽磁电传感器工作频率范围的方法。旨在解决现有的硬件补偿电路由于原理复杂造成不利于将调试硬件补偿电路以实现不同磁电传感器工作频率范围的拓宽的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种拓宽磁电传感器工作频率范围的方法，包括以下步骤：
S1根据磁电传感器在不同频率相同幅值的交变磁场激励下的输出信号获得幅频数据；
根据磁电传感器在被测信号激励下输出信号获得被测信号的响应频域数据；
S2根据幅频数据获取谐振频率的磁电系数以及在第i个频率的磁电系数，根据谐振频率的磁电系数与第i个频率的磁电系数中获得在第i个频率的补偿系数；
S3从所述响应频域数据中提取第i个频率fi的响应幅值，对所述第i个频率fi的响应幅值与所述第i个频率fi的补偿系数进行相乘处理获得第i个频率的补偿响应幅值，让频率遍历被测信号所包含的所有频率，获得被测信号补偿后响应频域数据；
对被测信号补偿后响应频域数据进行逆傅里叶变换获得被测信号补偿后时域数据，被测信号补偿后时域数据为消除失真现象后的数据，实现拓宽磁电传感器的工作频率范围；
其中，f1≤fi≤fn，fi为第i个频率，f1为被测信号频率范围的下限，fn为被测信号频率范围的上限，n为被测信号所包含频率的数量。
上述方法中，通过磁电传感器在不同频率下的补偿系数对磁电传感输出被测信号的响应频域数据进行相乘处理，对在频域上对被测信号的响应频域数据进行补偿，实现对被测信号的响应频域数据中非谐振频率的幅值得到补偿，能够消除由于磁电传感器在谐振频率下响应幅值大而非谐振频率下响应幅值小造成输出信号失真的现象，以实现拓宽磁电传感器工作频率范围的目的。
进一步地，在步骤S1之后，步骤S2之前，还包括如下步骤：根据磁电传感器在无激励下的输出信号获得噪声幅频数据；对响应频域数据和噪声幅频数据进行比较处理获得去噪后的响应频域数据。
进一步地，获得去噪后的响应频域数据包括如下步骤：
S11判断被测信号在第i个频率fi的响应幅值是否大于在第i个频率fi的噪声响应幅值，若是，则将被测信号在第i个频率fi的响应幅值作为去噪后的响应频域数据，若否，则删除被测信号在第i个频率fi的响应幅值；
S12判断频率次序i是否大于被测信号包含频率的数量n，若是，输出去噪后的响应频域数据，否则，则令i＝i+1，进入步骤S11。
进一步地，步骤S1中获得磁电传感器的幅频特性数据包括如下步骤：
将磁电传感器在不同频率交变磁场激励下的输出信号进行分组处理获得多组在不同频率相同幅值交变磁场激励下的输出信号；
对每组在不同频率相同幅值交变磁场激励下的输出信号进行多项式拟合，获得磁电传感器的幅频数据。
进一步地，步骤S1中获得被测信号的响应频域数据包括如下步骤：
对磁电传感器在被测信号激励下的输出信号进行采样处理获得磁电传感器在被测信号激励下的输出信号数据；且采样频率大于被测信号频率的两倍；
对在被测信号激励下的输出信号数据进行傅里叶变化得到被测信号的响应频域数据。
进一步地，步骤S1中根据公式α(fi)＝A(fi)·Kα获得磁电传感器在第i个频率fi的磁电系数，其中，α(fi)为第i个频率fi对应的磁电系数，A(fi)为幅频数据中第i个频率fi对应的幅值，Kα为转化系数。
进一步地，步骤S1中根据公式获得磁电传感器在不同频率下的补偿系数，其中，Ks(fi)为第i个频率fi的补偿系数，α(fr)为谐振频率fr对应的磁电系数，α(fi)为第i个频率fi对应的磁电系数。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明的上述技术方案，从方法的角度实现对磁电传感器输出信号的补偿，实现简单且成本低，能够快速调整该方法适用于不同类型的磁电传感器时，可以降低产品开发周期。
2、相较于硬件补偿电路引入的噪声，本发明提供的拓宽磁电传感器工作频率范围的方法，引入噪声小低，有效地提高系统信噪比。
3、该方法容易集成到磁电传感器的数字处理电路中，算法计算复杂度不高，易于在嵌入式设备中通过软件方法实现，并且具有很高的实时性。
附图说明
图1为本发明提供的磁电传感器的输出幅频特性图；
图2为本发明提供的磁电传感器工作频率范围的方法的流程图；
图3为本发明提供经过多段拟合后的磁电传感器幅频曲线；
图4是在实际磁场环境中磁电传感器经过电荷放大器输出采样后的傅里叶变换频谱示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并非用于限定本发明。
图2为本发明提供的拓宽磁电传感器工作频率范围的方法的流程图，包括如下步骤：
S1根据磁电传感器在不同频率相同幅值的交变磁场激励下的输出信号获得幅频数据。
根据磁电传感器在被测信号激励下输出信号获得被测信号的响应频域数据。
S2根据幅频数据获取谐振频率下的磁电系数以及在不同频率下的磁电系数，在第i个频率的磁电系数，根据谐振频率的磁电系数与第i个频率的磁电系数中获得在第i个频率的补偿系数；
其中，f1≤fi≤fn，fi为第i个频率，f1为被测信号频率范围的下限，fn为被测信号频率范围的上限，n为被测信号所包含频率的数量，被测信号所包含频率的数量根据被测信号的响应频域数据确定。
S3根据磁电传感器在无激励下的输出信号获得噪声幅频数据；对响应频域数据和噪声幅频数据进行比较处理获得去噪后的响应频域数据。
S4从去噪后的响应频域数据中提取第i个频率的响应幅值，对第i个频率的响应幅值与i个频率的补偿系数进行相乘处理获得第i个频率的补偿响应幅值，让频率遍历被测信号所包含的所有频率，获得被测信号补偿后响应频域数据；
对被测信号补偿后响应频域数据进行逆傅里叶变换获得被测信号补偿后时域数据，被测信号补偿后时域数据为消除失真现象后的数据，实现拓宽磁电传感器的工作频率范围。
上述方法中，结合磁电传感器磁电系数随频率远离谐振频率衰减的特征，以及频率特性曲线的固定性，首先让交变磁场的频率在磁电传感器工作频率范围内变化，获得多组磁电传感器的输出信号，从而获得磁电传感器的幅频数据，根据幅频数据获得磁电传感器在不同频率下的补偿系数，然后获得被测信号的响应频域数据，利用补偿系数对被测信号的响应频率数据进行补偿，消除由于磁电传感器幅频特性呈现衰减趋势而造成的被测信号的响应频域数据失真的现象，然后通过逆傅里叶变换就可以还原出原始信号，实现扩大磁电传感器工作频率范围的目的。
本发明提供拓宽磁电传感器工作频率范围的方法的实施例，包括如下步骤：
(1)将磁电传感器放入磁屏蔽筒的线圈中，对磁场屏蔽筒的线圈通入一定频率的交变电流，以便对磁电传感器施加一定频率的交变磁场，将磁电传感器输出信号通过电荷放大器放大后，使用示波器或者频谱分析仪测量电荷放大器输出信号的幅值，获得磁电传感器在一定频率的交变磁场激励下的输出信号。保持交变电流的大小不变，让交流电流的频率变化，且交变电流频率变化的范围要包含被测信号的频率范围，获得不同频率的交变磁场激励下的输出信号。
根据不同频率的交变磁场激励下的输出信号所构成的曲线形状，将不同频率交变磁场激励下的输出信号分成三组，交变磁场的频率在f1与fa之间的输出信号分为第一组，交变磁场的频率在fa与fb之间的输出信号分为第二组，交变磁场的频率在fb与fn之间的输出信号分为第三组，使得每组输出信号所构成的曲线拐点不多于两个，以便多项式能更好的拟合磁电传感器的幅频曲线。
分别用多项式对每组不同频率交变磁场激励下的输出信号进行拟合。由于每组不同频率交变磁场激励下的输出信号所呈现曲线的拐点不多于两个，将多项式的阶数均定为4阶。选择均方差作为评价多项式系数优劣的评定标准，使用梯度下降法计算多项式的各阶系数，得到使评定标准最优的系数。还可以选用和方差、均方根及确定系数等标准作为评定曲线拟合优劣的标准。
把磁电传感器在实际磁场环境中通过电荷放大器的输出信号使用模数转换器进行采样，采样频率为fs，采样时间为t，获得fs·t个磁电传感器输出信号数据。将采样的磁电传感器输出信号数据通过离散傅里叶变换得到磁电传感器输出信号数据各个频率分量的幅值和相位，获得被测信号所包含的频率数量。傅里叶变换可以为离散傅里叶变换，快速傅里叶变换以及加窗的离散傅里叶变换。
被测信号的频率与傅里叶变换归一化频率的对应关系为：
其中fsig(k)为第k个归一化频率对应的被测信号的频率，k为归一化频率，0≤k≤N，N为采样数据个数，fs为采样频率。
(2)图3为经过多段拟合后的磁电传感器幅频曲线，其中纵坐标为磁电系数，第i个频率下的磁电系数根据如下公式计算：
α(fi)＝A(fi)·Kα
其中，f1≤fi≤fn，α(fi)为第i个频率对应的磁电系数，A(fi)为幅频数据中第i个频率对应的幅值，Kα为转化系数，转化系数与磁电传感器的结构和材料相关，fi为第i个频率，f1为被测信号频率范围的下限，fn为被测信号频率范围的上限，n为被测信号所包含频率的数量。
磁电传感器在不同频率下的补偿系数根据公式如下公式计算：
其中，Ks(fi)为第i个频率fi的补偿系数，A(fr)为磁电传感器谐振频率fr对应的磁电系数，A(fi)为第i个频率fi对应的磁电系数。
(3)将磁电传感器放入磁屏蔽环境中，在没有激励磁场的条件下对磁电传感器通过电荷放大器后的输出信号进行采样。采样频率为fs，采样时间为t。将采样得到的数据通过傅里叶变换得到磁电传感器噪声频谱数据，将噪声幅频数据中第i个频率的噪声响应幅值作为被测信号的响应频域数据中第i个频率的响应幅值的阈值。
(4)从被测信号的响应频域数据中提取第i个频率的响应幅值，从噪声响应幅频数据中提第i个频率的噪声响应幅值。
S41判断被测信号在第i个频率fi的响应幅值是否大于在第i个频率fi的噪声响应幅值，若是，则将被测信号在第i个频率fi的响应幅值作为去噪后的响应频域数据，若否，则删除被测信号在第i个频率fi的响应幅值；
S42判断频率次序i是否大于被测信号包含频率的数量n，若是，输出去噪后的响应频域数据，否则，则令i＝i+1，进入步骤S42。
如附图3所示，箭头表示被测信号的响应频域数据，虚线为磁电传感器的噪声幅频数据，在未去噪声前，被测信号由7个频率分量构成，在将每个频率分量与噪声幅频数据比较后，则第2个频率、第4个频率以及第7个频率构成去噪声后响应频域数据，被测信号包含3个频率。
根据公式Ac(fi)＝Ks(fi)·As(fi)获得被测信号补偿后响应频域数据，其中，Ac(fi)为补偿后的第i个频率的响应幅值，Ks(fi)为第i个频率的补偿系数，As(fi)为在被测信号激励下在第i个频率的响应幅值。
对被测信号补偿后响应幅频域据进行逆傅里叶变换获得被测信号补偿后时域数据。
磁电传感器的磁电系数随着频率变化具有很大的变化。硬件电路补偿磁电系数的变化，其电路设计及其复杂和成本高的特性。本发明提出了一种拓宽磁电传感器工作频率范围的方法，通过傅里叶变换和分段多项式拟合磁电传感器的幅频数据，该幅频数据用于补偿磁电传感器不同频率下的输出大小不一样带来的误差。首先，本发明易于理解和实现，相比于硬件电路，由于没有额外的噪声引入，有利于提高整个系统的信噪比。其次，在数字磁电传感器的处理电路中，本发明中的方法很容易集成到电路中，补偿误差。再次，当今各种低成本计算设备的计算能力很充裕，相对于设计一款新型电路，其成本能够得到大大的降低。最后，本发明中的算法复杂度不高，响应较快，可以在嵌入式设备中实现实时补偿。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种拓宽磁电传感器工作频率范围的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1根据磁电传感器在不同频率相同幅值的交变磁场激励下的输出信号获得幅频数据；
根据磁电传感器在被测信号激励下的输出信号获得被测信号的响应频域数据；
S2根据所述幅频数据获取谐振频率的磁电系数以及在第i个频率的磁电系数，根据所述谐振频率的磁电系数与所述第i个频率的磁电系数中获得在第i个频率的补偿系数；
S3从所述响应频域数据中提取第i个频率fi的响应幅值，对所述第i个频率fi的响应幅值与所述第i个频率fi的补偿系数进行相乘处理获得第i个频率的补偿响应幅值，让频率遍历被测信号所包含的所有频率，获得被测信号补偿后响应频域数据；
对所述被测信号补偿后响应频域数据进行逆傅里叶变换获得被测信号补偿后时域数据，所述被测信号补偿后时域数据为消除失真现象后的数据，实现拓宽磁电传感器的工作频率范围；
其中，f1≤fi≤fn，fi为第i个频率，f1为被测信号频率范围的下限，fn为被测信号频率范围的上限，n为被测信号所包含频率的数量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1之后，步骤S2之前，还包括如下步骤：
根据磁电传感器在无激励下的输出信号获得噪声幅频数据；对响应频域数据和所述噪声幅频数据进行比较处理获得去噪后的响应频域数据。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获得去噪后的响应频域数据包括如下步骤：
S11判断被测信号在第i个频率fi的响应幅值是否大于在第i个频率fi的噪声响应幅值，若是，则将被测信号在第i个频率fi的响应幅值作为去噪后的响应频域数据，若否，则删除被测信号在第i个频率fi的响应幅值；
S12判断频率次序i是否大于被测信号包含频率的数量n，若是，输出去噪后的响应频域数据，否则，则令i＝i+1，进入步骤S11。
4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中获得磁电传感器的幅频数据包括如下步骤：
将磁电传感器在不同频率相同幅值交变磁场激励下的输出信号进行分组处理获得多组在不同频率相同幅值交变磁场激励下的输出信号；
对每组在不同频率相同幅值交变磁场激励下的输出信号进行多项式拟合，获得磁电传感器的幅频数据。
5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中获得被测信号的响应频域数据包括如下步骤：
对磁电传感器在被测信号激励下的输出信号进行采样处理获得磁电传感器在被测信号激励下的输出信号数据；且采样频率大于被测信号频率的两倍；
对在被测信号激励下的输出信号数据进行傅里叶变化得到被测信号的响应频域数据。
6.如权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中根据公式α(fi)＝A(fi)·Kα获得磁电传感器在第i个频率fi的磁电系数，其中，α(fi)为第i个频率fi对应的磁电系数，A(fi)为幅频数据中第i个频率fi对应的幅值，Kα为转化系数。
7.如权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中根据公式获得磁电传感器在不同频率下的补偿系数，其中，Ks(fi)为第i个频率fi的补偿系数，α(fr)为谐振频率fr对应的磁电系数，α(fi)为第i个频率fi对应的磁电系数。
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