CN110823140A - 基于混频器与功率检波器应变传感器的解调仪及解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混频器与功率检波器应变传感器的解调仪，包括数字硬件部分和模拟硬件部分，所述的数字硬件部分控制模拟硬件部分采集的模拟数据，并且将模拟数据转化为数字数据，进行数据处理以及数据传输。通过上述方式，本发明提供的基于混频器与功率检波器应变传感器的解调仪及解调方法，用于电缆管道形变监测，采用混频器检测传感器的相频特性，采用功率检波器检测传感器的幅频特性，计算同轴电缆应变传感器发生的微小形变，精度高、误差小、环境适应能力强。

Description

基于混频器与功率检波器应变传感器的解调仪及解调方法

技术领域

本发明涉及通信的技术领域，尤其涉及一种基于混频器与功率检波器应变传感器的解调仪及解调方法。

背景技术

同轴电缆应变传感器是一种传感器，可以应用应变监测的场景，例如管道形变监测，桥梁形变监测、铁轨形变监测等大范围的形变监测。而解调仪是解调同轴电缆应变传感器的，从而可应用在多个应变监测的领域内。

目前市场上还没有专门用于解调同轴电缆应变传感器的调节仪等设备，现有技术中解调同轴电缆应变传感器时，需要使用矢量网络分析仪。矢量网络分析仪尤其是在生产测试中更是产品功能、性能测试必不可少的一个测量标尺。但是，矢量网络分析仪是一种通用电磁波能量的测试设备，无法运用于实际工程中，对使用环境具有很强的局限性，且解调方法比较复杂，测量精度低，难以满足现代高精度的要求。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于混频器与功率检波器应变传感器的解调仪，用于电缆管道形变监测，采用混频器检测传感器的相频特性，采用功率检波器检测传感器的幅频特性，计算同轴电缆应变传感器发生的微小形变，精度高、误差小、环境适应能力强。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供了一种基于混频器与功率检波器应变传感器的解调仪，包括数字硬件部分和模拟硬件部分，所述的数字硬件部分控制模拟硬件部分采集的模拟数据，并且将模拟数据转化为数字数据，进行数据处理以及数据传输，

所述的数字硬件部分包括MCU电路、电源、ADC电路、高频板电路、接口电路、反相电压电路、拨码开关、485模块和加法器跟随器电路，所述的MCU电路分别与电源、ADC电路、高频板电路、接口电路、反相电压电路、拨码开关、485模块和加法器跟随器电路进行通讯连接；

所述的模拟硬件部分包括VCO电路，功放、VCO电源、滤波器、耦合器、混频器、攻分器、移相器和功率检波器，所述的VCO电源与VCO电路相连接，所述的VCO电路通过功放与滤波器相连接，所述的滤波器与耦合器相连接，所述的耦合器分别与混频器、攻分器和微波开关相连接，所述的移相器连接在混频器与功分器之间，所述的功率检波器与微波开关相连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述的VCO电源产生VCO电路所需要的四路电源。

在本发明一个较佳实施例中，所述的耦合器包括定向耦合器和双向耦合器，所述的定向耦合器与混频器相连接，所述的双向耦合器分别与攻分器和微波开关相连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述的微波开关采用六路微波开关。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供了一种基于混频器与功率检波器应变传感器的解调仪的解调方法，包括以下具体步骤：

a、初始化

包含MCU初始化、VCO初始化、外置ADC初始化和微波开关初始化；

b、数据监听

由MCU电路分别监听ADC电路、高频板电路、接口电路、反相电压电路、拨码开关、485模块和加法器跟随器电路的数据，通过通信协议将分别接收不同的任务标签，然后分析指令分配任务标签；

c、任务执行

根据任务标签执行任务，任务包括通讯指令分析、数据传输、数据处理、数据采集，执行完一次任务后清零任务标签，同时等待下一个任务标签的更新。

本发明的有益效果是：本发明的基于混频器与功率检波器应变传感器的解调仪及解调方法，用于电缆管道形变监测，采用混频器检测传感器的相频特性，采用功率检波器检测传感器的幅频特性，计算同轴电缆应变传感器发生的微小形变，精度高、误差小、环境适应能力强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明基于混频器与功率检波器应变传感器的解调仪的数字硬件部分的结构框图；

图2是本发明基于混频器与功率检波器应变传感器的解调仪的模拟硬件部分的结构示意图；

图3是本发明基于混频器与功率检波器应变传感器的解调仪的解调方法的流程图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例包括：

一种基于混频器与功率检波器应变传感器的解调仪，包括数字硬件部分和模拟硬件部分，所述的数字硬件部分控制模拟硬件部分采集的模拟数据，并且将模拟数据转化为数字数据，进行数据处理以及数据传输。

如图1所示，所述的数字硬件部分包括MCU电路、电源、ADC电路、高频板电路、接口电路、反相电压电路、拨码开关、485模块和加法器跟随器电路，所述的MCU电路分别与电源、ADC电路、高频板电路、接口电路、反相电压电路、拨码开关、485模块和加法器跟随器电路进行通讯连接。

主要器件功能：

MCU电路为数字硬件部分的核心，其主要功能是协调控制各个部分工作并进行数据处理与数据传输；

ADC电路主要功能是将模拟信号转化为数字信；

电源主要功能是提供数字硬件电源以及模拟硬件电源；

反相电压电路主要功能是为运放提供负电源；

加法器跟随器电路主要对混频器产生的负相位进行测量。

VCO电源为VCO电路提供电源、VCO电路产生射频信号经过功放放大，经过滤波器滤波和经过耦合器分流，一路输给混频器本振端，一路输出至传感器、功分器和移相器配合达到相位切换的目的，功率检波器用于检测反射的信号功率。

如图2所示，所述的模拟硬件部分包括VCO电路，功放、VCO电源、滤波器、耦合器、混频器、攻分器、移相器和功率检波器，所述的VCO电源与VCO电路相连接，所述的VCO电路通过功放与滤波器相连接，所述的滤波器与耦合器相连接，所述的耦合器分别与混频器、攻分器和微波开关相连接，所述的移相器连接在混频器与功分器之间，所述的功率检波器与微波开关相连接。

主要器件功能：

VCO电路：产生射频信号；

功率检波器：检测当前射频信号的幅值；

VCO电源：产生VCO电路所需要的四路电源；

混频器：将本振端信号与射频端信号进行混频获得高频分量与直流分量。

相位测量原理：

混频器本质上对两路信号进行乘法运算，采用同频率不同相位的两路信号进行相乘，根据三角函数积化和差公式得出的直流分量即为相位分量，此时的相位分量还包含了乘法后的幅值信息，再经由移相90°重新测量得出移相后的相位分量；将前后两次相位分量相除将幅值信息归一化，得出tanθ的值，再根据前后两次的测量值的正负进行推导出θ的正负。

上述中，所述的耦合器包括定向耦合器和双向耦合器，所述的定向耦合器与混频器相连接，所述的双向耦合器分别与攻分器和微波开关相连接。

本实施例中，所述的微波开关采用六路微波开关。

如图3所示，本发明还提供了一种基于混频器与功率检波器应变传感器的解调仪的解调方法，包括以下具体步骤：

a、初始化

包含MCU初始化、VCO初始化、外置ADC初始化和微波开关初始化。

初始化过程：

MCU初始化主要是设置MCU电路管脚的输入输出状态、串口中断的使能及其参数设置、定时器的使能及器参数设置；

Vco初始化主要是使能VCO芯片以及设置VCO初始寄存器参数；

外置ADC初始化主要是使能ADC芯片、设置SPI总线参数；

微波开关初始化主要是设能微波开关芯片，设置初始输出通道。

b、数据监听

由MCU电路分别监听ADC电路、高频板电路、接口电路、反相电压电路、拨码开关、485模块和加法器跟随器电路的数据，通过通信协议将分别接收不同的任务标签，然后分析指令分配任务标签。

当串口中断被触发时，串口缓存不停的接收数据、同时串口接收数据指针更新，当串口接收指针不再更新，或者是串口数据超过设置得最大接收长度时，分析串口缓存的数据，根据通信协议的内容进行判断指令，同时根据制定分配更新任务标签。

c、任务执行

根据任务标签执行任务，任务包括通讯指令分析、数据传输、数据处理、数据采集，执行完一次任务后清零任务标签，同时等待下一个任务标签的更新。

当任务标签被更新，判断任务标签输出哪种任务，此时处理任务，处理完一次任务后清零任务标签等待下一次任务标签的更新。

其中，

通讯指令分析：

根据通信协议分析指令内容，内容包含传感器参数配置、解调仪扫描配置、解调仪扫频参数配置，数据传输指令分析判断是温度数据还是应变数据；

每一条协议都有对应的数字唯一标识(控制命令字节)根据该字节判断协议的指令内容。

数据传输：

根据数据传输指令将需要的数据通过485总线传输给上位机。

数据采集：

根据任务标签、传感器配置参数、解调仪扫频参数以及解调仪扫描参数定时对数据进行采集。

数据处理：

数据处理包括ADC采集滤波、傅里叶频域变换、傅里叶时域变换、开窗函数、寻峰算法。

同时，数据处理过程中会通过ADC电路进行滤波算法处理，采集后的数据先进行傅里叶频域-时域变换获取时域图，然后选择要测量的传感器段开窗处理，然后进行傅里叶时域-频域变换获取频谱图，再频谱图中寻找中心最大峰值点作为最终数据进行保存。

本发明的创新点为：

1、采用混频器检测传感器的相频特性；

2、采用功率检波器检测传感器的幅频特性；

3、通过快速傅里叶变换获取传感器时域图谱；

4、再根据所要监测的传感器节点进行开窗、时域频域变换以及获取传感器N倍频点；

5、根据不同时刻的传感器N倍频点计算频率偏移量从而计算传感器发生的微小形变。

综上所述，本发明的基于混频器与功率检波器应变传感器的解调仪及解调方法，用于电缆管道形变监测，采用混频器检测传感器的相频特性，采用功率检波器检测传感器的幅频特性，计算同轴电缆应变传感器发生的微小形变，精度高、误差小、环境适应能力强。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于混频器与功率检波器应变传感器的解调仪，其特征在于，包括数字硬件部分和模拟硬件部分，所述的数字硬件部分控制模拟硬件部分采集的模拟数据，并且将模拟数据转化为数字数据，进行数据处理以及数据传输，

所述的数字硬件部分包括MCU电路、电源、ADC电路、高频板电路、接口电路、反相电压电路、拨码开关、485模块和加法器跟随器电路，所述的MCU电路分别与电源、ADC电路、高频板电路、接口电路、反相电压电路、拨码开关、485模块和加法器跟随器电路进行通讯连接；

所述的模拟硬件部分包括VCO电路，功放、VCO电源、滤波器、耦合器、混频器、攻分器、移相器和功率检波器，所述的VCO电源与VCO电路相连接，所述的VCO电路通过功放与滤波器相连接，所述的滤波器与耦合器相连接，所述的耦合器分别与混频器、攻分器和微波开关相连接，所述的移相器连接在混频器与功分器之间，所述的功率检波器与微波开关相连接。

2.根据权利要求1所述的基于混频器与功率检波器应变传感器的解调仪，其特征在于，所述的VCO电源产生VCO电路所需要的四路电源。

3.根据权利要求1所述的基于混频器与功率检波器应变传感器的解调仪，其特征在于，所述的耦合器包括定向耦合器和双向耦合器，所述的定向耦合器与混频器相连接，所述的双向耦合器分别与攻分器和微波开关相连接。

4.根据权利要求1所述的基于混频器与功率检波器应变传感器的解调仪，其特征在于，所述的微波开关采用六路微波开关。

5.一种基于混频器与功率检波器应变传感器的解调仪的解调方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

a、初始化

包含MCU初始化、VCO初始化、外置ADC初始化和微波开关初始化；

b、数据监听

由MCU电路分别监听ADC电路、高频板电路、接口电路、反相电压电路、拨码开关、485模块和加法器跟随器电路的数据，通过通信协议将分别接收不同的任务标签，然后分析指令分配任务标签；

c、任务执行

根据任务标签执行任务，任务包括通讯指令分析、数据传输、数据处理、数据采集，执行完一次任务后清零任务标签，同时等待下一个任务标签的更新。

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