CN115235514B - 用于角振动传感器的信号处理方法、装置和系统 - Google Patents

用于角振动传感器的信号处理方法、装置和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于角振动传感器的信号处理方法、装置和系统，可以应用于微弱信号检测技术领域。该方法应用于信号处理装置，信号处理装置包括低噪声同相输入放大电路、高通滤波电路和反相放大电路，该信号处理方法包括：将角振动传感器输出的初始信号传输至低噪声同相输入放大电路进行增益变换，得到增益放大后的第一放大信号；将第一放大信号传输至高通滤波电路进行频率变换，得到频率满足预设低频截止频率条件的第二放大信号；将第二放大信号传输至反相放大电路进行相位变换，得到相位与初始信号相位相同的输出信号。

Description

用于角振动传感器的信号处理方法、装置和系统
技术领域
本发明涉及微弱信号检测技术领域，更具体地，涉及一种用于角振动传感器的信号处理方法、装置和系统。
背景技术
与传统的陀螺仪相比，磁流体动力学（Magnet-Hydro-Dynamics，MHD）角振动传感器能够兼具测量精度高和宽频带的优点，因此被广泛应用在各种领域。
在实现本发明构思的过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下问题：在相关技术中，MHD角振动传感器的信号提取电路无法兼顾小型化和低噪声。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于角振动传感器的信号处理方法、装置和系统。
本发明的一方面提供了一种用于角振动传感器的信号处理方法，应用于信号处理装置，信号处理装置包括低噪声同相输入放大电路、高通滤波电路和反相放大电路，上述信号处理方法包括：
将角振动传感器输出的初始信号传输至低噪声同相输入放大电路进行增益变换，得到增益放大后的第一放大信号；
将第一放大信号传输至高通滤波电路进行频率变换，得到频率满足预设低频截止频率条件的第二放大信号；
将第二放大信号传输至反相放大电路进行相位变换，得到相位与初始信号相位相同的输出信号。
根据本发明的实施例，其中，低噪声同相输入放大电路包括第一电阻和低噪声双极结型晶体管运算放大器，将角振动传感器输出的初始信号传输至低噪声同相输入放大电路进行增益变换，得到增益放大后的第一放大信号，包括：
基于第一电阻，确定低噪声同相输入放大电路的增益放大倍数；
基于增益放大倍数和低噪声双极结型晶体管运算放大器，对初始信号进行增益变换，得到增益放大后的第一放大信号。
根据本发明的实施例，其中，高通滤波电路包括第一电容、第二电阻和第一运算放大器，将第一放大信号传输至高通滤波电路进行频率变换，得到频率满足预设低频截止频率条件的第二放大信号，包括：
基于第一电容和第二电阻，确定高通滤波电路的低频截止频率；
基于低频截止频率和第一运算放大器，对第一放大信号进行频率变换，得到频率满足预设低频截止频率条件的第二放大信号。
根据本发明的实施例，其中，反相放大电路包括第三电阻和低失调电压放大器，将第二放大信号传输至反相放大电路进行相位变换，得到相位与初始信号相位相同的输出信号，包括：
通过第三电阻和低失调电压放大器，将第二放大信号进行相位变换，得到相位与初始信号相位相同的输出信号。
根据本发明的实施例，上述信号处理方法还包括：
对角振动传感器与信号处理装置进行阻抗匹配，以便角振动传感器与信号处理装置的低阻抗连接成功。
根据本发明的实施例，上述信号处理方法还包括：
将输出信号传输至信号采集装置，以便信号采集装置对输出信号分析，其中，信号采集装置通过多芯屏蔽电缆与信号处理装置连接。
根据本发明的实施例，上述信号处理方法还包括：
角振动传感器的工作带宽范围为0.01Hz~1000Hz；
信号处理装置的外观尺寸的长小于或等于21.6mm；
信号处理装置的外观尺寸的宽小于或等于21.6mm。
本发明的第二方面提供了一种用于角振动传感器的信号处理装置，包括：
低噪声同相输入放大电路，用于对角振动传感器输出的初始信号输入进行增益变换，得到增益放大后的第一放大信号；
高通滤波电路，用于对第一放大信号进行频率变换，得到频率满足预设低频截止频率条件的第二放大信号；
反相放大电路，用于对第二放大信号进行相位变换，得到相位与初始信号相位相同的输出信号。
根据本发明的实施例，其中，低噪声同相输入放大电路包括：
第一电阻，用于确定低噪声同相输入放大电路的增益放大倍数；
低噪声双极结型晶体管运算放大器，用于基于增益放大倍数对初始信号进行增益变换，得到增益放大后的第一放大信号；
其中，高通滤波电路包括：
第一电容和第二电阻，用于确定高通滤波电路的低频截止频率；
第一运算放大器，用于基于低频截止频率，对第一放大信号进行频率变换，得到频率满足预设低频截止频率条件的第二放大信号。
本发明的第三方面提供了一种用于角振动传感器的信号处理系统，包括：
角振动传感器，用于根据接收的角振动激励信号输出初始信号；
上述信号处理装置；
信号采集装置，与信号处理装置的反相放大电路连接，用于对输出信号分析。
根据本发明的实施例，因为采用了将角振动传感器输出的初始信号传输至低噪声同相输入放大电路进行增益变换，得到增益放大后的第一放大信号，将第一放大信号传输至高通滤波电路进行频率变换，得到频率满足预设低频截止频率条件的第二放大信号，将第二放大信号传输至反相放大电路进行相位变换，得到相位与初始信号相位相同的输出信号技术手段，将角振动传感器输出的初始信号的增益被放大，从而保证电路的低噪声水平，提高了输出信号的信噪比，并且不需要使用相关技术中的变压器结构进行信号处理，减少了电路结构，所以至少部分地克服了在相关技术中，MHD角振动传感器的信号提取电路无法兼顾小型化和低噪声的技术问题。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据本发明实施例的用于角振动传感器的信号处理方法的流程图；
图2示出了根据本发明实施例的用于角振动传感器的信号处理方法的低噪声同相输入放大电路的示意图；
图3示出了根据本发明实施例的用于角振动传感器的信号处理方法的高通滤波电路的示意图；
图4示出了根据本发明实施例的用于角振动传感器的信号处理方法的反相放大电路的示意图；
图5示出了根据本发明实施例的用于角振动传感器的信号处理装置的外观尺寸示意图；
图6A示出了根据本发明实施例的用于角振动传感器的信号处理方法的幅频响应曲线示意图；
图6B示出了根据本发明实施例的用于角振动传感器的信号处理方法的相位响应曲线示意图；
图7示出了根据本发明实施例的低噪声同相输入放大电路的等效输入噪声的示意图；
图8示出了根据本发明实施例的用于角振动传感器的信号处理方法的等效输入噪声的特性曲线示意图；
图9示出了根据本发明实施例的用于角振动传感器的信号处理装置的框图；
图10示出了根据本发明实施例的用于角振动传感器的信号处理系统的示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等）。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等）。
相关技术中，例如，在对空间微角振动信息的测量中，MHD角振动传感器精度可以达到亚微弧度且具有千赫兹带宽的测量范围，因此能够有效提取微角振动信息；在汽车碰撞测量领域中，通常采用线加振动传感阵列、高速相机以及旋转电位计对汽车碰撞的角振动信息进行测量，而线加振动传感阵列、高速相机以及旋转电位计分别存在测量精度低、视野窄、抗冲击性能差等不足点，利用MHD角振动传感器所固有的抗冲击、高精度、宽频带的特性可以弥补此不足。
但是，由于MHD角振动传感器敏感出的电压信号较微弱，一般在
Figure 313641DEST_PATH_IMAGE001
量级，很 容易受到其他噪声的干扰，因此，信号提取电路作为微弱信号处理的关键环节，需要对MHD 角振动传感器的电压信号实现高精度的提取和测量。而目前针对MHD角振动传感器的电压 信号提取电路不能同时兼具小型化与低噪声的优点。例如，在一种实施方式中，利用变压器 耦合方法提取MHD角振动传感器的电压信号，使得后级测量电路体积增大，易受外界电磁干 扰；再例如，又一种实施方式中，利用互功率谱估计方法提取MHD角振动传感器的电压信号， 同样存在测量电路体积大、功耗高等问题。因此在保证性能指标的前提下，使MHD角振动传 感器的信号提取电路兼顾小型化和低噪声是亟待解决的问题。
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种用于角振动传感器的信号处理方法。该方法包括将角振动传感器输出的初始信号传输至低噪声同相输入放大电路进行增益变换，得到增益放大后的第一放大信号；将第一放大信号传输至高通滤波电路进行频率变换，得到频率满足预设低频截止频率条件的第二放大信号；将第二放大信号传输至反相放大电路进行相位变换，得到相位与初始信号相位相同的输出信号。使得角振动传感器输出的初始信号的增益被放大，从而保证电路的低噪声水平，提高了输出信号的信噪比，并且不需要使用相关技术中的变压器结构进行信号处理，减少了电路结构，所以至少部分地克服了在相关技术中，MHD角振动传感器的信号提取电路无法兼顾小型化和低噪声的技术问题。
图1示出了根据本发明实施例的用于角振动传感器的信号处理方法的流程图。
如图1所示，应用于信号处理装置，信号处理装置包括低噪声同相输入放大电路、高通滤波电路和反相放大电路，该方法包括操作S101~S103。
在操作S101，将角振动传感器输出的初始信号传输至低噪声同相输入放大电路进行增益变换，得到增益放大后的第一放大信号。
在操作S102，将第一放大信号传输至高通滤波电路进行频率变换，得到频率满足预设低频截止频率条件的第二放大信号。
在操作S103，将第二放大信号传输至反相放大电路进行相位变换，得到相位与初始信号相位相同的输出信号。
根据本发明的实施例，角振动传感器可以是MHD角振动传感器。角振动传感器可以对物体在振动状态下的振动幅度进行测量；还可以接收指定的角振动激励信号。
根据本发明的实施例，角振动传感器输出的初始信号可以是对物体在振动状态下的振动幅度进行测量得到的信号，也可以是根据指定的角振动激励信号进行反馈得到的信号。
根据本发明的实施例，角振动传感器可以与低噪声同相输入放大电路连接，从而将角振动传感器输出的初始信号传输至低噪声同向输入电路。
根据本发明的实施例，低噪声同相输入放大电路中可以通过放大器对初始信号进行增益放大，得到第一放大信号。
根据本发明的实施例，高通滤波电路可以对第一放大信号的频率进行滤波变换。
根据本发明的实施例，高通滤波电路可以与低噪声同相输入放大电路连接，从而接收来自低噪声同相输入放大电路输出的第一放大信号。
根据本发明的实施例，预设低频截止频率条件可以是角振动传感器输出的初始信号的最低频率，从而使高通滤波电路滤波后的第二放大信号的频率，可以覆盖角振动传感器输出的初始信号的频率。
根据本发明的实施例，反相放大电路可以包括反向放大器，反相放大电路可以对第二放大信号进行增益放大，反相放大电路还可以对第二放大信号的相位进行翻转，得到输出信号，输出信号的相位与角振动传感器输出的初始信号的相位相同。
根据本发明的实施例，因为采用了将角振动传感器输出的初始信号传输至低噪声同相输入放大电路进行增益变换，得到增益放大后的第一放大信号，将第一放大信号传输至高通滤波电路进行频率变换，得到频率满足预设低频截止频率条件的第二放大信号，将第二放大信号传输至反相放大电路进行相位变换，得到相位与初始信号相位相同的输出信号技术手段，将角振动传感器输出的初始信号的增益被放大，从而保证电路的低噪声水平，提高了输出信号的信噪比，并且不需要使用相关技术中的变压器结构进行信号处理，减少了电路结构，所以至少部分地克服了在相关技术中，MHD角振动传感器的信号提取电路无法兼顾小型化和低噪声的技术问题。
根据本发明的实施例，低噪声同相输入放大电路包括第一电阻和低噪声双极结型晶体管运算放大器，将角振动传感器输出的初始信号传输至低噪声同相输入放大电路进行增益变换，得到增益放大后的第一放大信号，包括：
基于第一电阻，确定低噪声同相输入放大电路的增益放大倍数；
基于增益放大倍数和低噪声双极结型晶体管运算放大器，对初始信号进行增益变换，得到增益放大后的第一放大信号。
根据本发明的实施例，低噪声同相输入放大电路中的放大器为低噪声双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)运算放大器，且放大器自身的输入电压噪声及输入电流噪声可以为较低的值。
图2示出了根据本发明实施例的用于角振动传感器的信号处理方法的低噪声同相输入放大电路的示意图。
如图2所示，低噪声同相输入放大电路包括两个第一电阻，分别为R 1 和R 2 ，还包括低噪声双极结型晶体管运算放大器L 1 。
根据本发明的实施例，R 1 和R 2 可以是高精度电阻，可以通过调节第一电阻R 1 和R 2 的电阻值，确定低噪声同相输入放大电路的增益放大倍数，从而根据增益放大倍数和低噪声双极结型晶体管运算放大器，对初始信号进行增益变换。例如，可以将R 1 的电阻值调大，R 2 的电阻值不变，从而放大低噪声同相输入放大电路的增益；再例如，R 1 的电阻值不变，将R 2 的电阻值调小，从而放大低噪声同相输入放大电路的增益；再例如，R 1 的电阻值调大，R 2 的电阻值调小，从而放大低噪声同相输入放大电路的增益。
根据本发明的实施例，R 2 的电阻值范围可以是0.1Ω~10Ω，优选的，可以是1Ω。
根据本发明的实施例，为了降低电路整体的输出噪声，因此需满足低噪声同相输入放大电路具有极低的噪声水平，并且使低噪声同相输入放大电路的增益远远大于高通滤波电路和反相放大电路的增益，此时后级的噪声则可以占比很小忽略不计。
根据本发明的实施例，高通滤波电路包括第一电容、第二电阻和第一运算放大器，将第一放大信号传输至高通滤波电路进行频率变换，得到频率满足预设低频截止频率条件的第二放大信号，包括：
基于第一电容和第二电阻，确定高通滤波电路的低频截止频率；
基于低频截止频率和第一运算放大器，对第一放大信号进行频率变换，得到频率满足预设低频截止频率条件的第二放大信号。
图3示出了根据本发明实施例的用于角振动传感器的信号处理方法的高通滤波电路的示意图。
如图3所示，高通滤波电路包括第一电容C 1 、两个第二电阻分别为R 3 和R 4 ，第一运算放大器L 2 。
根据本发明的实施例，可以通过调节第一电容C 1 的电容值和/或第二电阻R 3 和R 4 的电阻值，控制高通滤波电路的最低截止频率。例如，可以将C 1 的电容值调大，R 3 的电阻值不变，R 4 的电阻值不变，从而降低高通滤波电路的截止频率；再例如，C 1 的电容值不变，将R 3 的电阻值调大，R 4 的电阻值不变，从而降低高通滤波电路的截止频率；再例如，将C 1 的电容值调大，R 3 的电阻值调大，R 4 的电阻值不变，从而降低高通滤波电路的截止频率。
根据本发明的实施例，可以设置高通滤波电路在-3dB的最低截止频率为0.01Hz， 低频截止频率
Figure 60142DEST_PATH_IMAGE002
可表示为：
Figure 636617DEST_PATH_IMAGE003
（1）
其中，C 1 为第一电容的电容值，R 3 为第二电阻的电阻值。
根据本发明的实施例，反相放大电路包括第三电阻和低失调电压放大器，将第二放大信号传输至反相放大电路进行相位变换，得到相位与初始信号相位相同的输出信号，包括：
通过第三电阻和低失调电压放大器，将第二放大信号进行相位变换，得到相位与初始信号相位相同的输出信号。
根据本发明的实施例，通过第三电阻可以确定低失调电压放大器对第二放大信号的放大倍数，还可以将第二放大信号的相位进行翻转，得到与初始信号的相位相同的输出信号。
图4示出了根据本发明实施例的用于角振动传感器的信号处理方法的反相放大电路的示意图。
如图4所示，反相放大电路包括两个第三电阻，分别为R 5 和R 6 ，还包括低失调电压放大器L 3 。
根据本发明的实施例，通过反相放大电路中的R 5 、R 6 和L 3 ，对第二放大信号进行一定倍数的放大，还可以将第二放大信号的相位进行翻转，得到与初始信号的相位相同的输出信号。
根据本发明的实施例，经过信号处理装置的传递函数
Figure 359722DEST_PATH_IMAGE004
可以表示为：
Figure 767570DEST_PATH_IMAGE005
（2）
其中，
Figure 793295DEST_PATH_IMAGE006
为经过信号处理装置中的信号，R 1 和R 2 分别表示两个第一电阻的电阻值，R 3 和R 4 分别表示两个第二电阻的电阻值，C 1 为第一电容的电容值，R 5 、R 6 分别表示两个第三电 阻的电阻值。
根据本发明的实施例，上述信号处理方法还包括：
对角振动传感器与信号处理装置进行阻抗匹配，以便角振动传感器与信号处理装置的低阻抗连接成功。
根据本发明的实施例，由于角振动传感器的输出阻抗较低，因此需要将角振动传感器与信号处理装置进行低阻抗连接。
根据本发明的实施例，可以将角振动传感器与信号处理装置进行阻抗匹配，在匹配成功的情况下，确定角振动传感器与信号处理装置的低阻抗连接成功。
根据本发明的实施例，上述信号处理方法还包括：
将输出信号传输至信号采集装置，以便信号采集装置对输出信号分析，其中，信号采集装置通过多芯屏蔽电缆与信号处理装置连接。
根据本发明的实施例，信号采集装置可以具有高精度采集功能的设备。
根据本发明的实施例，可以通过上位机向信号采集装置发送信号采集指令，信号采集装置根据信号采集指令对输出信号进行采集，并发送至上位机，由上位机进行输出信号的数据显示、解算分析，并提取微角振动信息。
根据本发明的实施例，上述信号处理方法还包括：
角振动传感器的工作带宽范围为0.01Hz~1000Hz；
信号处理装置的外观尺寸的长小于或等于21.6mm；
信号处理装置的外观尺寸的宽小于或等于21.6mm。
图5示出了根据本发明实施例的用于角振动传感器的信号处理装置的外观尺寸示意图。
如图5所示，信号处理装置的外观尺寸的长为21.6mm、宽为21.6mm，可以为整体的装配节省很大空间，降低了信号处理装置的体积，能够提高机械带宽，由于信号处理装置的质量小，使整体结构刚度更强。
图6A示出了根据本发明实施例的用于角振动传感器的信号处理方法的频率响应曲线示意图。
图6B示出了根据本发明实施例的用于角振动传感器的信号处理方法的相位响应曲线示意图。
如图6A和图6B所示，在角振动传感器的工作带宽范围0.01Hz~1000Hz内，增益放大倍数约为100万倍，折合120dB，因此信号处理装置在角振动传感器的工作带宽范围的低频和高频范围内，输出信号的频率和相位均有很好的响应，能够对角振动传感器输出的初始信号进行较高增益倍数的放大。
根据本发明的实施例，信号处理装置采取低噪声同相输入放大电路、高通滤波电 路和反相放大电路三级级联放大的结构，使得在后续中可以灵活地调整增益大小，可以应 用于其他场景中；同时由于信号处理装置能够进行较高增益倍数的放大，初始信号最低可 低至
Figure 143550DEST_PATH_IMAGE007
量级，通过信号处理装置的级联放大，使输出信号的增益相比初始信号放大 约120dB，便于信号采集装置的采集，以及上位机的解算分析。
图7示出了根据本发明实施例的低噪声同相输入放大电路的等效输入噪声的示意图。
如图7所示，低噪声同相输入放大电路的输入噪声包括：低噪声双极结型晶体管运 算放大器的等效输入电压噪声U N_I 、R 1 的等效输入电阻噪声U N_R1 、R 2 的等效输入电阻噪声U N_R2 、低噪声双极结型晶体管运算放大器同相端的等效输入电流噪声I N1 和反相端的等效输 入电流噪声I N2 。输出噪声包括：经过低噪声同相输入放大电路输出的电压噪声
Figure 342450DEST_PATH_IMAGE008
、R 1 的电 阻噪声
Figure 339225DEST_PATH_IMAGE009
、R 2 的等效输出电阻噪声
Figure 801430DEST_PATH_IMAGE010
，低噪声双极结型晶体管运算放大器同相端的电 流噪声
Figure 883655DEST_PATH_IMAGE011
和反相端的电流噪声
Figure 620667DEST_PATH_IMAGE012
。
根据本发明的实施例，低噪声同相输入放大电路的噪声计算过程如下：
Figure 471949DEST_PATH_IMAGE013
（3）
其中，
Figure 370634DEST_PATH_IMAGE008
为经过低噪声同相输入放大电路输出的电压噪声的值，U N_I 为低噪声双 极结型晶体管运算放大器的等效输入电压噪声的值。
Figure 441621DEST_PATH_IMAGE014
（4）
其中，
Figure 185586DEST_PATH_IMAGE015
为R 2 的等效输出电阻噪声的值，U N_R2 为R 2 的等效输入电阻噪声的值。
Figure 829057DEST_PATH_IMAGE016
（5）
其中，
Figure 492119DEST_PATH_IMAGE009
为R 1 的电阻噪声的值，U N_R1 为R 1 的等效输入电阻噪声的值。
低噪声同相输入放大电路的输出噪声为：
Figure 814516DEST_PATH_IMAGE017
（6）
其中，
Figure 96593DEST_PATH_IMAGE018
为低噪声双极结型晶体管运算放大器同相端的电流噪声，
Figure 188046DEST_PATH_IMAGE012
为反相端 的电流噪声。
低噪声同相输入放大电路的等效输入噪声U NI 为：
Figure 959693DEST_PATH_IMAGE019
（7）
其中，A为低噪声同相输入放大电路的增益。
图8示出了根据本发明实施例的用于角振动传感器的信号处理方法的等效输入噪声的特性曲线示意图；
如图8所示，对信号检测装置的等效输入噪声进行多次测试，在工作频段范围内，输入噪声量级均保持在10-16~10-18V2/Hz。
根据本发明的实施例，通过低噪声同相输入放大电路中极低的等效输入噪声，能够保证很高的信噪比，提高了信号处理装置对初始信号的分辨力，从而避免了角振动传感器输出的初始信号被淹没于噪声中。
图9示出了根据本发明实施例的用于角振动传感器的信号处理装置的框图。
如图9所示，用于角振动传感器的信号处理装置900包括低噪声同相输入放大电路901、高通滤波电路902和反相放大电路903。
低噪声同相输入放大电路901，用于对角振动传感器输出的初始信号输入进行增益变换，得到增益放大后的第一放大信号；
高通滤波电路902，用于对第一放大信号进行频率变换，得到频率满足预设低频截止频率条件的第二放大信号；
反相放大电路903，用于对第二放大信号进行相位变换，得到相位与初始信号相位相同的输出信号。
根据本发明的实施例，因为采用了将角振动传感器输出的初始信号传输至低噪声同相输入放大电路进行增益变换，得到增益放大后的第一放大信号，将第一放大信号传输至高通滤波电路进行频率变换，得到频率满足预设低频截止频率条件的第二放大信号，将第二放大信号传输至反相放大电路进行相位变换，得到相位与初始信号相位相同的输出信号技术手段，将角振动传感器输出的初始信号的增益被放大，从而保证电路的低噪声水平，提高了输出信号的信噪比，并且不需要使用相关技术中的变压器结构进行信号处理，减少了电路结构，所以至少部分地克服了在相关技术中，MHD角振动传感器的信号提取电路无法兼顾小型化和低噪声的技术问题。
根据本发明的实施例，其中，低噪声同相输入放大电路包括：
第一电阻，用于确定低噪声同相输入放大电路的增益放大倍数；
低噪声双极结型晶体管运算放大器，用于基于增益放大倍数对初始信号进行增益变换，得到增益放大后的第一放大信号；
其中，高通滤波电路包括：
第一电容和第二电阻，用于确定高通滤波电路的低频截止频率；
第一运算放大器，用于基于低频截止频率，对第一放大信号进行频率变换，得到频率满足预设低频截止频率条件的第二放大信号。
需要说明的是，本发明的实施例中信号处理装置部分与本发明的实施例中信号处理方法部分是相对应的，信号处理装置部分的描述具体参考信号处理方法部分，在此不再赘述。
图10示出了根据本发明实施例的用于角振动传感器的信号处理系统的示意图。
如图10所示，信号处理系统包括角振动传感器1001、信号处理装置900、信号采集装置1002。
角振动传感器1001，用于根据接收的角振动激励信号输出初始信号。信号处理装置900。信号采集装置1002，与信号处理装置的反相放大电路连接，用于对输出信号分析。
如图10所示，MHD角振动传感器的内部等效电路中，导电流体在旋转的磁场中切割磁感线产生的感应电动势用E表示，R S 为流体环的等效电阻，可以忽略不计。此时E和R S 可以看作是一个内阻很小的电压源。R a 为接触电极的等效电阻，为数欧姆量级。角振动传感器内部等效电路的输出电压作为信号处理装置的输入电压Vin+和Vin-，角振动传感器可以是MHD角振动传感器。
根据本发明的实施例，可以将MHD角振动传感器与角振动台进行同轴刚性固连，可以通过上位机向角振动台发送角振动激励指令，角振动台根据角振动激励指令向MHD角振动传感器发送激励信号。MHD角振动传感器根据激励信号敏感得到初始信号。
根据本发明的实施例，信号处理装置与传感器低阻连接，将初始信号传输至信号处理装置的Vin+和Vin-，经过低噪声同相输入放大电路进行高增益放大得到第一放大信号，高通滤波电路对第一放大信号进行处理，使第一放大信号的频率满足预设低频截止频率条件，并且也可以进行一定倍数的增益放大后得到第二放大信号，反相放大电路对第二放大信号的增益进行一定倍数的放大，并将第二放大信号的相位进行变换得到与初始信号的相位相同的输出信号。
根据本发明的实施例，信号处理装置通过多芯屏蔽电缆与信号采集装置连接。信号采集装置可以是高精度电压信号采集设备。
根据本发明的实施例，可以通过上位机向信号采集装置发送信号采集指令，信号采集装置根据信号采集指令对信号采集装置输出的输出信号进行采集，并发送至上位机，由上位机进行输出信号的数据显示、解算分析，并提取微角振动信息。
根据本发明的实施例，通过上述信号处理系统实现了对角振动传感器输出的初始信号进行较高倍数的增益放大，显著提升微弱信号检测的分辨力，有效提取微角振动信息，在角振动传感器的0.01Hz~1000Hz的频带范围内信号处理装置的频率响应及相位响应均表现优异，信号处理装置的等效输入噪声也较低。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于角振动传感器的信号处理方法，应用于信号处理装置，所述信号处理装置包括低噪声同相输入放大电路、高通滤波电路和反相放大电路，所述方法包括：
将角振动传感器输出的初始信号传输至所述低噪声同相输入放大电路进行增益变换，得到增益放大后的第一放大信号；
将所述第一放大信号传输至所述高通滤波电路进行频率变换，得到频率满足预设低频截止频率条件的第二放大信号；
将所述第二放大信号传输至所述反相放大电路进行相位变换，得到相位与所述初始信号相位相同的输出信号；
其中，所述低噪声同相输入放大电路的增益远远大于所述高通滤波电路和所述反相放大电路的增益。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述低噪声同相输入放大电路包括第一电阻和低噪声双极结型晶体管运算放大器，所述将角振动传感器输出的初始信号传输至所述低噪声同相输入放大电路进行增益变换，得到增益放大后的第一放大信号，包括：
基于所述第一电阻，确定所述低噪声同相输入放大电路的增益放大倍数；
基于所述增益放大倍数和所述低噪声双极结型晶体管运算放大器，对所述初始信号进行增益变换，得到增益放大后的第一放大信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述高通滤波电路包括第一电容、第二电阻和第一运算放大器，所述将所述第一放大信号传输至所述高通滤波电路进行频率变换，得到频率满足预设低频截止频率条件的第二放大信号，包括：
基于所述第一电容和所述第二电阻，确定所述高通滤波电路的低频截止频率；
基于所述低频截止频率和所述第一运算放大器，对所述第一放大信号进行频率变换，得到频率满足预设低频截止频率条件的第二放大信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述反相放大电路包括第三电阻和低失调电压放大器，所述将所述第二放大信号传输至所述反相放大电路进行相位变换，得到相位与所述初始信号相位相同的输出信号，包括：
通过所述第三电阻和所述低失调电压放大器，将所述第二放大信号进行相位变换，得到相位与所述初始信号相位相同的输出信号。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，还包括：
对所述角振动传感器与所述信号处理装置进行阻抗匹配，以便所述角振动传感器与所述信号处理装置的低阻抗连接成功。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，还包括：
将所述输出信号传输至信号采集装置，以便所述信号采集装置对所述输出信号分析，其中，所述信号采集装置通过多芯屏蔽电缆与所述信号处理装置连接。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，还包括：
所述角振动传感器的工作带宽范围为0.01Hz~1000Hz；
所述信号处理装置的外观尺寸的长小于或等于21.6mm；
所述信号处理装置的外观尺寸的宽小于或等于21.6mm。
8.一种用于实现如权利要求1至6中任一项所述方法的信号处理装置，包括：
低噪声同相输入放大电路，用于对角振动传感器输出的初始信号输入进行增益变换，得到增益放大后的第一放大信号；
高通滤波电路，用于对所述第一放大信号进行频率变换，得到频率满足预设低频截止频率条件的第二放大信号；
反相放大电路，用于对所述第二放大信号进行相位变换，得到相位与所述初始信号相位相同的输出信号；
其中，所述低噪声同相输入放大电路的增益远远大于所述高通滤波电路和所述反相放大电路的增益。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述低噪声同相输入放大电路包括：
第一电阻，用于确定所述低噪声同相输入放大电路的增益放大倍数；
低噪声双极结型晶体管运算放大器，用于基于所述增益放大倍数对所述初始信号进行增益变换，得到增益放大后的第一放大信号；
其中，所述高通滤波电路包括：
第一电容和第二电阻，用于确定所述高通滤波电路的低频截止频率；
第一运算放大器，用于基于所述低频截止频率，对所述第一放大信号进行频率变换，得到频率满足预设低频截止频率条件的第二放大信号。
10.一种用于角振动传感器的信号处理系统，包括：
角振动传感器，用于根据接收的角振动激励信号输出初始信号；
权利要求8或9所述的信号处理装置；
信号采集装置，与所述信号处理装置的反相放大电路连接，用于对所述输出信号分析。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201847675U (zh) * 2010-10-14 2011-06-01 深圳市万维通无线通讯技术有限公司 基于pvdf传感器的脉搏信号处理电路
CN207603616U (zh) * 2017-12-14 2018-07-10 北京雨根科技有限公司 微小信号采集器
CN109861658A (zh) * 2019-01-09 2019-06-07 天津大学 微弱信号测量的宽频带、低噪声差分放大电路
CN110393526A (zh) * 2019-08-16 2019-11-01 北京师范大学 一种高频微弱脑电信号放大采集系统
CN111896106A (zh) * 2020-06-18 2020-11-06 宁波大学 一种微弱荧光信号检测电路

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201847675U (zh) * 2010-10-14 2011-06-01 深圳市万维通无线通讯技术有限公司 基于pvdf传感器的脉搏信号处理电路
CN207603616U (zh) * 2017-12-14 2018-07-10 北京雨根科技有限公司 微小信号采集器
CN109861658A (zh) * 2019-01-09 2019-06-07 天津大学 微弱信号测量的宽频带、低噪声差分放大电路
CN110393526A (zh) * 2019-08-16 2019-11-01 北京师范大学 一种高频微弱脑电信号放大采集系统
CN111896106A (zh) * 2020-06-18 2020-11-06 宁波大学 一种微弱荧光信号检测电路

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于MHD微角振动传感器的卫星微角振动检测技术研究;吴文韬;《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》;20220115;第4.2节、第5.1节，图5-1 *

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