CN112817250A - 传感器数据采集方法及电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种传感器数据采集方法及电路，包括：步骤1、采用第一采样频率对目标信号进行采样，得到发生混叠现象的混叠结果；根据多个其他采样频率对目标信号的采样结果，得到目标信号的观测带宽；步骤2、根据所述观测带宽对所述混叠结果做奈奎斯特频率镜像，使奈奎斯特频率镜像后的结果的频率处于所述观测带宽内。本发明在利用傅里叶变换结果计算频率时引入了镜像法，在使用了足够高的采样频率的同时，仅仅采样1k个点数就可以让频率分辨率达到2(仅仅采样少量点数就可以让频率分辨率精度足够高)，这极大地节约了传感器的电量。
Description
技术领域
本发明涉及测量领域，具体地，涉及一种传感器数据采集方法及电路。
背景技术
目前的采样技术体系中，主流的方案为传感器以一种固定的采样频率对时域信号采样较长的时间。比如传感器每隔一段周期T，以采样频率Fs对时域信号采样一段时间t，并得到N个点，采样频率越高，则传感器的耗电量越大。
在某些工作条件下对传感器的工作时长有较高的要求，比如矿井下的某些区域的特殊性导致员工并不能比较方便地更换传感器电池。
根据奈奎斯特采样定理可知，只有当采样频率大于等于原频率的二倍时，才可以无损地将原有信号频率信息全部采集。所以通常情况下传感器会选择较高的采样频率，如20k，30k等。在实践中，频率分辨率的取值一般为2，所以当采样频率在30k时，采集点数在15k，这极大地消耗了传感器的电量。
综上所述，在不消耗传感器更多的电量的前提条件下，如何尽可能多地采集数据是亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种传感器数据采集方法及电路。
根据本发明提供的一种传感器数据采集方法，包括：
步骤1、采用第一采样频率对目标信号进行采样，得到发生混叠现象的混叠结果；
根据多个其他采样频率对目标信号的采样结果，得到目标信号的观测带宽；
步骤2、根据所述观测带宽对所述混叠结果做奈奎斯特频率镜像，使奈奎斯特频率镜像后的结果的频率处于所述观测带宽内。
优选地，所述第一采样频率低于所述其他采样频率。
优选地，所述其他采样频率包括第二采样频率和第三采样频率，所述第二采样频率低于所述第三采样频率。
优选地，所述步骤2包括：
将所述混叠结果关于奈奎斯特频率做镜像，判断奈奎斯特频率镜像后的频率是否在所述观测带宽内；
若判断结果为是，则得到最终的采集结果；若判断结果为否，则再进行关于下一个整数倍的奈奎斯特频率做镜像，直至奈奎斯特频率镜像后的频率在所述观测带宽内。
优选地，所述第一采样频率包括512Hz，所述多个其他采样频率包括4096Hz和61500Hz。
优选地，每个采样频率分别具有对应的截止频率，所述截止频率为采样频率的一半。
优选地，所述感器数据采集方法的分辨率为2。
根据本发明提供的一种传感器数据采集电路，包括：
第一采样频率电路：采用第一采样频率对目标信号进行采样，得到发生混叠现象的混叠结果；
其他采样频率电路：根据多个其他采样频率对目标信号的采样结果，得到目标信号的观测带宽；
开关：连接在所述第一采样频率电路和所述其他采样频率电路的输入端，在所述第一采样频率电路和所述其他采样频率电路之间选择导通；
其中，根据所述观测带宽对所述混叠结果做奈奎斯特频率镜像，使奈奎斯特频率镜像后的结果的频率处于所述观测带宽内。
优选地，所述第一采样频率电路以及所述其他采样频率电路均包括：第一通带和第二通带，所述第一通带和所述第二通带依次连接在所述开关的输出端。
优选地，所述第一通带的频率为所述第二通带的频率的一半。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明在利用傅里叶变换结果计算频率时引入了镜像法，在使用了足够高的采样频率的同时，仅仅采样1k个点数就可以让频率分辨率达到2(仅仅采样少量点数就可以让频率分辨率精度足够高)，这极大地节约了传感器的电量。
同时，本发明有一定的使用限制，在特殊的工作模式下对非变频信号有较好的适用性。表现在实际应用中，则是适用于监控减速器，三相异步电机等工作频率固定的设备的运行状态，当此类设备的运行频率发生较大的变化时，往往指示着故障的发生。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为原始信号频谱示意图；
图2为混叠后的频谱示意图；
图3为镜像法示意图；
图4为本发明的电路图；
图5、图6、图7为采样频率电路的电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供一种传感器数据采集方法，包括：采用多种采样频率对所需的信号进行采样：
步骤1、采用第一采样频率对目标信号进行采样，得到发生混叠现象的混叠结果；根据多个其他采样频率对目标信号的采样结果，得到目标信号的观测带宽。
步骤2、根据所述观测带宽对所述混叠结果做奈奎斯特频率镜像，使奈奎斯特频率镜像后的结果的频率处于所述观测带宽内。
实施例1
本方案使用三种采样频率对机械振动信号进行采样，第一种采样频率Fs1的频率大小为512Hz，第二种采样频率Fs2的频率大小为4096Hz，第三种采样频率Fs3的频率大小为61500Hz。根据奈奎斯特采样定理可知，三种采样频率可采到的最大分别为256Hz，2048Hz和30750Hz。对此，我司同时也设计了对应的截止频率电路。需要知道的是，在其他实施例中，也可以采用数量更多的采样频率电路，本发明对此不作限制。
本方法的采样流程可分为如下三步：
1.利用Fs1——512Hz先对时域信号采样出256个点，总计0.5s。
2.在Fs1采样完毕后，利用Fs2——4096Hz对时域信号采样出256个点，总计0.0625s。
3.紧接着，利用Fs3——61500Hz对时域信号采样出512个点，总计0.0083s。
在经过总共0.5708s的采样后，对分别得到三段时域信息进行快速傅里叶变换，可算出得到三个工作频率F1，F2，F3。
针对该方案，本发明设计了一种带有三个截止频率的电路，三个截止频率分别为256Hz，2048Hz和30750Hz。
1、当三种截止频率在随着采样频率的变化而变化时(比如Fs1使用256Hz作为截止频率，Fs2使用2048Hz作为截止频率)，我们可以直接将F1，F2，F3作为运算结果输出。象征着在不同采样频率下得到的高、中、低频信息。
2、当进行三种采样时，只选择了30750Hz作为截止频率。那么，则可以通过镜像法对F3频率进行拟合，使其运算得到的频率结果的精度更高，准确率更高。
拟合数据的方法：镜像法。众所周知，根据奈奎斯特-香农采样定律，当目标信号的频率为F时，采样频率Fs必须满足采样频率Fs大于2倍的原始信号频率F，当这一采样条件不满足的时候，会发生混叠现象，如图1和图2所示。
由图1可知，当混叠发生时，信号频率将会关于离它最近的整数倍的奈奎斯特频率镜像。所以，如此时已知有混叠发生，理论上则可以通过“反镜像”获得真实原始频率。本发明利用中频采样频率4096Hz和高频采样频率61500Hz来确定真实原始频率的大致范围，再利用频率分辨率最高的低频采样频率512Hz得到的FFT结果使用镜像法。保证了结果准确的同时，也节省了采样点数，从而达到了节省电量的目的。
镜像法具体过程：
当已知低频采样结果有混叠发生时，可对其结果采用镜像法。首先，将计算出的频率关于奈奎斯特频率(即采样频率的1/2)做镜像，若是在镜像之后的频率处在观测的带宽内，则镜像后的频率就是真实频率；若经过一次镜像后，还未处于观测的带宽内，则可关于下一个整数倍的奈奎斯特频率镜像，直到满足条件为止。如图3所示，以采样频率fs对信号进行采样，假设此时信号的真实频率为fa，采样得到的频率为fd。可以大致看出，经过三次对于奈奎斯特频率镜像后，可由fa得到fd。
本发明中的镜像法可简要地分为三步：1.利用低频采样频率获取混叠结果fd；2.利用中频和高频的采样频率得到的结果获取原始信号fa的观测带宽；3.利用1、2得到的结果执行镜像，得到最终结果。而且，该最终结果的频率分辨率是以低频采样方案为准，也就是2，所以可以在减少采样点数的同时，保证了采样精度。
如图4所示，本发明提供的一种传感器数据采集电路，包括：
第一采样频率电路：采用第一采样频率对目标信号进行采样，得到发生混叠现象的混叠结果。
其他采样频率电路(在本实施例中为第二采样频率电路、第三采样频率电路)：根据多个其他采样频率对目标信号的采样结果，得到目标信号的观测带宽。
开关：连接在第一采样频率电路和其他采样频率电路的输入端，在第一采样频率电路和其他采样频率电路之间选择导通；
其中，根据观测带宽对混叠结果做奈奎斯特频率镜像，使奈奎斯特频率镜像后的结果的频率处于观测带宽内。
如图5、图6和图7所示，第一采样频率电路以及其他采样频率电路均包括：第一通带和第二通带，第一通带和第二通带依次连接在开关的输出端。第一通带的频率为第二通带的频率的一半。
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”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。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种传感器数据采集方法，其特征在于，包括：
步骤1、采用第一采样频率对目标信号进行采样，得到发生混叠现象的混叠结果；
根据多个其他采样频率对目标信号的采样结果，得到目标信号的观测带宽；
步骤2、根据所述观测带宽对所述混叠结果做奈奎斯特频率镜像，使奈奎斯特频率镜像后的结果的频率处于所述观测带宽内。
2.根据权利要求1所述的传感器数据采集方法，其特征在于，所述第一采样频率低于所述其他采样频率。
3.根据权利要求1所述的传感器数据采集方法，其特征在于，所述其他采样频率包括第二采样频率和第三采样频率，所述第二采样频率低于所述第三采样频率。
4.根据权利要求1所述的传感器数据采集方法，其特征在于，所述步骤2包括：
将所述混叠结果关于奈奎斯特频率做镜像，判断奈奎斯特频率镜像后的频率是否在所述观测带宽内；
若判断结果为是，则得到最终的采集结果；若判断结果为否，则再进行关于下一个整数倍的奈奎斯特频率做镜像，直至奈奎斯特频率镜像后的频率在所述观测带宽内。
5.根据权利要求1所述的传感器数据采集方法，其特征在于，所述第一采样频率包括512Hz，所述多个其他采样频率包括4096Hz和61500Hz。
6.根据权利要求5所述的传感器数据采集方法，其特征在于，每个采样频率分别具有对应的截止频率，所述截止频率为采样频率的一半。
7.根据权利要求1所述的传感器数据采集方法，其特征在于，所述感器数据采集方法的分辨率为2。
8.一种传感器数据采集电路，其特征在于，包括：
第一采样频率电路：采用第一采样频率对目标信号进行采样，得到发生混叠现象的混叠结果；
其他采样频率电路：根据多个其他采样频率对目标信号的采样结果，得到目标信号的观测带宽；
开关：连接在所述第一采样频率电路和所述其他采样频率电路的输入端，在所述第一采样频率电路和所述其他采样频率电路之间选择导通；
其中，根据所述观测带宽对所述混叠结果做奈奎斯特频率镜像，使奈奎斯特频率镜像后的结果的频率处于所述观测带宽内。
9.根据权利要求8所述的传感器数据采集电路，其特征在于，所述第一采样频率电路以及所述其他采样频率电路均包括：第一通带和第二通带，所述第一通带和所述第二通带依次连接在所述开关的输出端。
10.根据权利要求9所述的传感器数据采集电路，其特征在于，所述第一通带的频率为所述第二通带的频率的一半。
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