传感器直流分量补偿方法、装置和传感器装置
技术领域
本申请涉及信号处理技术领域,特别是涉及一种传感器直流分量补偿方法、装置的传感器装置。
背景技术
传感器是一种对特定物理量敏感的元器件,例如:磁场传感器对空间磁场敏感、温度传感器对环境温度敏感、电流传感器对电流敏感等。在电力系统中,通常采用磁场传感器测量导线电流在空间中产生的磁场,从而得到导线电流。在电力系统中,普遍采用50Hz交流电,因此,产生的磁场也是50Hz的交流信号。但是自然界中存在很多自然磁场,比如地球磁场等。因此,在采用磁场传感器来测量电流时,磁场传感器将会同时感应到待测的交流信号,也会感应到地球磁场信号,地球磁场信号会产生直流分量。因此,磁场传感器的输出信号中会产生不需要的直流分量。并且,由于器件工艺的问题,磁场传感芯片本身也可能存在较大的直流偏置输出,这些直流分量经过后级放大电路,将严重影响有效信号的大小,降低模数转换器的有效位数,降低测量精度。
传统技术中,一般直接采用硬件电路提供一个固定的反方向的直流偏置,以抵消传感器的直流分量。但是,传统技术中采用的硬件电路适用性较低。
发明内容
基于此,有必要针对上述技术问题,提供一种传感器直流分量补偿方法、装置和传感器装置。
一方面,本申请实施例提供了一种传感器直流分量补偿方法,包括:
对传感器的直流分量信号进行放大,得到第一放大信号;
对所述第一放大信号进行模数转换,得到数字信号;
若所述数字信号不为零,则对所述数字信号进行处理,得到补偿信号;
对所述补偿信号和所述直流分量信号进行混合及放大,得到第二放大信号;
将所述第二放大信号作为所述第一放大信号,返回执行步骤所述对所述第一放大信号进行模数转换,得到数字信号,直至所述数字信号为零。
在其中一个实施例中,所述对所述数字信号进行处理,得到补偿信号,包括:
根据所述数字信号,确定调节步长与所述数字信号对应的脉冲波;
对所述脉冲波进行滤波处理,得到所述补偿信号。
在其中一个实施例中,所述根据所述数字信号,确定调节步长与所述数字信号对应的脉冲波,包括:
根据所述数字信号,基于PID控制算法计算所述数字信号对应的调节步长;
根据所述调节步长,确定所述脉冲波。
在其中一个实施例中,所述根据所述调节步长,确定所述脉冲波,包括:
根据所述调节步长,确定所述脉冲波的占空比,确定所述脉冲波。
在其中一个实施例中,所述根据所述调节步长,确定所述脉冲波,还包括:
根据所述调节步长,利用脉宽调制技术确定所述脉冲波。
在其中一个实施例中,所述直流分量信号为直流分量电压信号,所述直流分量电压信号通过对直流分量电流信号进行转换后得到。
另一方面,本申请一个实施例提供一种传感器直流分量补偿装置,包括:
放大器,所述放大器的第一输入端与传感器的输出端连接,用于对所述传感器的直流分量信号进行放大,得到第一放大信号;
模数转换器,所述模数转换器的输入端与所述放大器的输出端连接,用于将所述第一放大信号转换为数字信号;
处理模组,所述处理模组的输入端与所述模数转换器的输出端连接,所述微处理器的输出端与所述放大器的第二输入端连接,所述微处理器用于根据所述数字信号得到补偿信号,并输入至所述放大器。
在其中一个实施例中,所述处理模组包括:
微处理器,所述微处理器的输入端与所述模数转换器的输出端连接,用于根据所述数字信号,确定调节步长与所述数字信号对应的脉冲波;
低通滤波器,所述低通滤波器的输入端与所述微处理器的输出端连接,所述低通滤波器的输出端与所述放大器的第二输入端连接,所述低通滤波器用于对所述脉冲波进行滤波处理,得到所述补偿信号,输入至所述放大器。
在其中一个实施例中,所述放大器为仪表放大器。
再一方面,本申请一个实施例提供一种传感器装置,包括:
如上所述的传感器直流分量补偿装置;
传感器,所述传感器的输出端与所述放大器的第一输入端连接。
本申请实施例提供的传感器直流分量补偿方法、装置和传感器装置。所述方法通过对传感器的直流分量信号进行放大,得到第一放大信号,对所述第一放大器进行模数转换,得到数字信号。若所述数字信号不为零,则对所述数字信号进行处理,得到补偿信号。通过对所述补偿信号和所述直流分量进行混合及放大,得到第二放大信号。本实施例提供的所述传感器直流分量补偿方法,根据步骤循环的过程,得到的所述数字信号不同,根据所述数字信号可以得到不同的补偿信号。通过动态的调节得到的所述补偿信号,使得所述补偿信号可以对不同的传感器的所述直流分量信号实现补偿。从而所述传感器直流分量补偿方法可以适用于任何存在直流分量的器件中,具有较强的适用性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案,下面将对实施例或传统技术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申请的一些实施例,对于本领域不同技术人员来讲,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他的附图。
图1为本申请一个实施例提供的传感器直流分量补偿装置的结构示意图;
图2为本申请一个实施例提供的传感器直流分量补偿装置的结构示意图;
图3为本申请一个实施例提供的传感器直流分量补偿方法的步骤流程示意图;
图4为本申请一个实施例提供的传感器直流分量补偿方法的步骤流程示意图;
图5为本申请一个实施例提供的传感器直流分量补偿方法的步骤流程示意图;
图6为本申请一个实施例提供的传感器装置结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进,因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
本文中为部件所编序号本身,例如“第一”、“第二”等,仅用于区分所描述的对象,不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”,如无特别说明,均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
若直接向传感器输入交流电,理想状态下通过所述传感器的输出信号中仅包括交流电,但是由于传感器本身会存在直流分量,则所述输出信号中会存在直流分量。本申请提供的传感器直流分量补偿方法可以应用于任何传感器或者存在直流分量的器件中,可以对传感器或者其他器件中存在的不需要的直流分量进行补偿。
下面以具体的实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合,对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图,对本申请的实施例进行描述。
请参见图1,本申请实施例提供一种传感器直流分量补偿装置10。所述直传感器直流分量补偿装置10包括放大器100、模数转换器200和处理模组300。
所述放大器100包括第一输入端、第二输入端和输出端。所述放大器100的第一输入端与传感器的输出端连接,用于对传感器的直流分量信号进行放大,得到第一放大信号。所述放大器100是能把输入信号的电压或功率放大的装置。所述放大器100通常由电子管、晶体管或者电源变压器和其他电气元件组成。所述放大器100的放大作用是用输入信号控制能源来实现的,放大时所需的功耗由能源提供。所述放大器100可以分为线性放大器和非线性放大器,对于线性放大器,放大器的输出信号就是输入信号的复现和增强;对于非线性放大器,放大器的输出信号和输入信号成一定的函数关系。所述放大器100按所处理信号的物理量可以分为机械放大器、机电放大器、电子放大器、液动放大器等。本实施例对使用的所述放大器100的种类和结构等不作任何限制。
所述模数转换器200包括输入端和输出端。所述模数转换器200的输入端与所述放大器100的输出端连接,用于将所述第一放大信号转换为数字信号。所述模数转换器200是把经过与标准量比较处理后的模拟量转换成以二进制数值表示的离散信号的转换器,简称为ADC或者A/D转换器。所述模数转换器200最重要的参数是转换的精度,通常用所述模数转换器200输出的数字信号的位数的多少表示转换的精度。所述模数转换器200能够准确输出的数字信号的位数越多,表示所述模数转换器200能够分辨所述第一放大信号的能力越强,则所述模数转换器200的性能越好。本实施例对所述模数转换器200的种类和结构等不作任何限制,只要能够实现其功能即可。
所述处理模组300包括输入端和输出端。所述处理模组300的输入端与所述模数转换器200的输出端连接,所述处理模组300的输出端与所述放大器100的第二输入端连接,所述处理模组300用于根据所述数字信号得到补偿信号,并将所述补偿信号输入至所述放大器100。所述处理模组300可以是计算机设备、微处理芯片或其他设备,所述计算机设备可以但不限于是工业计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑和便携式可穿戴设备等。本实施例对所述处理模组300的种类和结构等不作任何限制,只要能够实现其功能即可。
请参见图2,在一个实施例中,所述处理模组300包括微处理器310和低通滤波器320。所述微处理器310包括输入端和输出端。所述低通滤波器310包括输入端和输出端。所述微处理器310的输入端与所述模数转换器200的输出端连接,用于根据所述数字信号,确定调节步长和所述数字信号对应的脉冲波。所述低通滤波器320的输入端与所述微处理器310的输出端连接,所述低通滤波器320的输出端与所述放大器100的第二输入端连接,所述低通滤波器320用于将所述脉冲波转换为补偿信号,并将所述补偿信号输入至所述放大器100。所述微处理器310是由一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器。所述微处理器310能够完成获取指令、执行指令、以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作。所述低通滤波器320是容许低于截止频率的信号通过,但高于截止频率的信号不能通过的电子滤波装置。所述低通滤波器320的种类有巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器等,本实施例对所述低通滤波器320的种类和结构等不作任何限制。
在一个实施例中,所述放大器100为仪表放大器。所述仪表放大器是一种精密差分电压放大器,具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移增益设置灵活和使用方便等特点,使用所述仪表放大器可以更加方便和更加准确的对所述传感器的所述直流分量信号进行放大处理,从而能够提高所述数字信号的准确性,进而能够得到准确的所述补偿信号,以使得所述补偿信号能够对所述直流分量信号进行补偿。
请参见图3,本申请实施例提供一种传感器直流分量补偿方法。所述传感器直流分量方法可以应用于上述实施例图1和图2描述的所述传感器直流分量补偿装置10。所述传感器直流分量补偿方法包括:
S100,对传感器的直流分量信号进行放大,得到第一放大信号。
所述传感器的直流分量信号为从所述传感器输出,输入至所述放大器的信号。所述传感器的直流分量信号可以是电流,也可以是电压或者功率等。利用所述传感器直流分量补偿装置中的所述放大器可以对传感器的所述直流分量信号进行放大,得到所述第一放大信号。若通过所述传感器的输出信号中不仅包含有直流分量信号,还有交流信号,则可以先获取所述传感器的输出信号中的直流分量信号,再对所述直流分量信号进行放大处理。
S200,对所述第一放大信号进行模数转换,得到数字信号。
通过所述传感器输出的所述直流分量信号为模拟信号,则经过所述放大器放大后的所述第一放大信号为模拟信号。通过所述传感器直流分量补偿装置中的所述模数转换器的转换处理,可以将所述第一放大信号转换为所述数字信号。
S300,若所述数字信号不为零,则对所述数字信号进行处理,得到补偿信号。
所述补偿信号是指对所述传感器存在的所述直流分量信号进行补偿的信号。首先利用所述传感器直流分量补偿装置中的所述处理模组对所述数字信号进行判断。若所述数字信号不为零,则说明所述第一放大信号不为零,所述直流分量信号不为零,即,所述传感器中存在待补偿的直流分量信号。当所述数字信号不为零时,所述处理模组对所述数字信号进行计算转换等处理,可以得到所述补偿信号,利用所述补偿信号对所述直流分量信号进行补偿。
S400,对所述补偿信号和所述直流分量信号进行混合及放大,得到第二放大信号。
由于所述处理模组的输出端与所述放大器的所述第二输入端连接,则经过所述处理模组处理得到的所述补偿信号可以输入至所述放大器,从而可以利用所述补偿信号对所述传感器的所述直流分量信号进行补偿。从所述放大器的第一输入端输入的所述直流分量信号和从所述放大器的第二输入端输入的所述补偿信号在所述放大器内进行混合及放大后,可以从所述放大器的输出端输出所述第二放大信号。在所述放大器内部可以是先将所述直流分量信号和所述补偿信号先分别进行放大,再将放大后的信号混合后输出,得到所述第二放大信号;也可以是先将所述直流分量信号和所述补偿信号混合,再将混合后的信号进行放大,得到所述第二放大信号。所述直流分量信号和所述补偿信号混合后的信号即为经过所述补偿信号对所述直流分量信号补偿后的信号。
S500,将所述第二放大信号作为所述第一放大信号,返回执行步骤所述对所述第一放大信号进行模数转换,得到数字信号,直至所述数字信号为零。
当经过所述处理模组的判断后,所述数字信号为零,说明所述第一放大信号为零,说明输入所述放大器的所述补偿信号和所述直流分量信号相互抵消了,实现了对所述传感器的所述直流分量的补偿。
本申请实施例提供的传感器直流分量补偿方法、装置和传感器装置。所述方法通过对传感器的直流分量信号进行放大,得到第一放大信号,对所述第一放大器进行模数转换,得到数字信号。若所述数字信号不为零,则对所述数字信号进行处理,得到补偿信号。通过对所述补偿信号和所述直流分量进行混合及放大,得到第二放大信号。本实施例提供的所述传感器直流分量补偿方法,将所述补偿信号输入放大器的循环步骤的过程,得到的所述数字信号不同,根据所述数字信号可以得到不同的补偿信号。通过动态的调节得到的所述补偿信号,使得所述补偿信号可以对不同的传感器的所述直流分量信号实现补偿,从而本申请实施例提供的所述传感器直流分量补偿方法可以适用于任何存在直流分量的器件中,具有较强的适用性。
请参见图4,在一个实施例中,步骤S300所述对所述数字信号进行处理,得到补偿信号,包括:
S310,根据所述数字信号,确定调节步长与所述数字信号对应的脉冲波。
所述处理模组中的所述微处理器可以根据所述数字信号,确定调节步长与所述数字信号对应的脉冲波。所述脉冲波是指一种间断的持续时间极短的突然发生的电信号。通常,除了正弦波和由若个正弦分量合成的连续波以外,都可以称为脉冲波。常见的脉冲波有矩形波,锯齿波,三角波,尖峰波,阶梯波。本实施例对所述脉冲波的种类不作任何限制。在一个具体的实施例中,所述脉冲波为矩形波。所述脉冲波的所述调节步长与所述数字信号相对应是指若所述数字信号较大,则需要的调节步长就较长;若所述数字信号较小,则需要的所述调节步长就较短。所述调节步长与所述数字信号相对应可以使得生成的所述脉冲波经过处理后,可以更好的实现对所述直流分量信号的补偿。
S320,对所述脉冲波进行滤波处理,得到所述补偿信号。
所述低通滤波器中的截止频率可以是由工作人员根据实际情况预先设置的。通过利用所述低通滤波器对所述脉冲波进行滤波处理,可以将所述脉冲波中高于截止频率的波形滤除,最终得到所述补偿信号。
请参见图5,在一个实施例中,步骤S310所述根据所述数字信号,确定调节步长与所述数字信号对应的脉冲波,包括:
S311,根据所述数字信号,基于PID控制算法计算所述数字信号对应的调节步长。
S312,根据所述调节步长,确定所述脉冲波。
由于所述微处理器接收到的所述数字信号可能不同,则生成的所述脉冲波需要不同。所述PID控制算法是指在过程控制中,按照偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制算法。在本实施例中,通过所述数字信号与零的偏差的大小来计算所述调节步长。若所述数字信号与零的偏差较大,则需要较长的所述调节步长;若所述数字信号与零的偏差较小,则需要较短的调节步长。所述PID控制算法具有原理简单,易于实现,适用面广,参数的选定比较简单等优点,使得使用所述PID控制算法计算所述调节步长时较为简单方便。所述微处理器根据不同的所述数字信号,通过所述PID控制算法计算所述数字信号对应的所述调节步长,从而产生不同的所述脉冲波。所述微处理器将调节好的所述脉冲波发送至所述低通滤波器。不同的所述脉冲波经过所述低通滤波器后,可以产生不同的补偿信号。
请继续参见图5,在一个实施例中,所述根据所述调节步长,确定所述脉冲波,包括
S313,根据所述调节步长,确定所述脉冲波的占空比,确定所述脉冲波。
通过计算得到的所述调节步长,可以确定所述脉冲波的占空比,则根据所述占空比可以确定得到的所述脉冲波。所述脉冲波通过所述低通滤波器的处理得到补偿信号。若所述补偿信号对所述传感器的直流分量信号实现了补偿,则所述微处理器记录此时所述脉冲波的占空比。在再次使用传感器时,利用所述微处理器将脉冲波的所述占空比调节至预先记录的占空比,就可以直接实现对所述传感器中存在的直流分量信号实现补偿,无需再次根据所述数字信号计算调节步长来调节所述脉冲波的占空比,这样可以减少功耗。
请继续参见图5,在一个实施例中,步骤所述S312所述根据所述调节步长,确定所述脉冲波,包括:
S301,根据所述调节步长,利用脉宽调制技术确定所述脉冲波。
所述脉宽调制技术是通过对一系列脉冲的宽度进行调节,等效出所需要的波形,包括波形的形状和幅值。所述微处理器根据所述调节步长,利用所述脉宽调制技术调节脉冲的宽度,得到所需的所述脉冲波。所述脉宽调制技术具有简单、灵活和动态响应好等优点,并且利用所述脉宽调制技术调制的信号从输入到输出都是数字形式,无需进行数模转换,非常简单方便。在本实施例中,利用所述脉宽调制技术得到所述脉冲波的方法简单方便,适用性强。
在一个具体的实施例中,假设所述处理模组接收到的所述数字信号为v
1,v
2,…v
n,所述处理模组的具体处理过程为先利用公式
得到
将
与零进行对比,利用所述PID控制算法计算所述调节步长,根据所述调节步长确定所述脉冲波。
应该理解的是,虽然图3-5的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示,但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明,这些步骤的执行并没有严格的顺序限制,这些步骤可以以其它的顺序执行。而且,图3-5中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段,这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成,而是可以在不同的时刻执行,这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行,而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中,所述直流分量信号为直流分量电压信号,所述直流分量电压信号通过对直流分量电流信号转换得到。由于通常所述传感器的内阻较大,需要对所述传感器的直流分量进行补偿时,若直接使用所述传感器的所述直流分量的电流信号,会存在误差。通过在传感器中设置一个电阻值,将通过所述传感器输出的所述直流分量的电流信号转换为直流分量的电压信号,这样可以更加准确的实现对所述直流分量的电压信号的补偿,从而能够实现对所述传感器的直流分量的补偿。
请参见图6,本申请实施例提供一种传感器装置20,包括如上所述的传感器直流分量补偿装置10和传感器30。所述传感器30的输出端与所述放大器100的第一输入端连接。由于所述传感器装置20包括所述传感器直流分量补偿装置10,所以所述传感器装置20具有所述传感器直流分量补偿装置10的所有结构和有益效果,在此不再赘述。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本申请的保护范围。因此,本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。