CN116359824A - 一种基于频域的电测量校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于频域的电测量校正方法，旨在解决传统的测量补偿方法无法实现对高频信号的精确测量问题。本发明采用如下技术方案：一种基于频域的电测量校正方法，包括以下步骤：S1：测量并建立采样电阻的频率响应特性G(jω)；S2：采集采样电阻两端的电压，得到测量时域信号yt(t)，并对其进行傅里叶变换得到测量频谱Yt(jω)；S3：根据采样电阻的频率响应特性G(jω)，对测量频谱Yt(jω)进行频域上的校正，得到校正频谱Xc(jω)；S4：对校正频谱Xc(jω)进行傅里叶逆变换得到校正时域信号xc(t)。
Description
技术领域
本发明属于电参数测量领域，尤其涉及一种基于频域的电测量校正方法。
背景技术
采样电阻因具有体积小、成本低、适用性好等特点，常被用作功率分析仪等测量仪器的电流采样元件。理论上讲，采样电阻应具有稳定的电阻值，使得采样电阻两端的电压始终与实际的电流值成正比。但实际的采样电阻并不一定完美，CN 110427067 A中考虑了温度变化对于采样电阻的影响。
在电参数测量中更具有挑战的是高频率的测量。由于寄生电感和寄生电容的存在，当频率越高时，寄生分量受影响越大，导致电阻产生电抗分量，呈现一定的频率特性。因此，当不同频率的信号经过采样电阻时会产生不同程度的衰减和相移，从而使功率计的采样精度降低，无法真实反映被测产品的电气特性。特别是对于变频设备、无线充电设备、医疗设备等高频测量场景，信号失真尤为明显。因此，为提高功率计的电信号采样精度以真实反映被测信号特征，需要对采集到的电信号进行校正。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于频域的电测量校正方法，旨在解决传统的测量补偿方法无法实现对高频信号的精确测量问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于频域的电测量校正方法，包括以下步骤：
S1：测量并建立采样电阻的频率响应特性G(jω)；
S2：测量被测对象时，采集采样电阻两端的电压，得到测量时域信号yt(t)，并对其进行傅里叶变换得到测量频谱Yt(jω)；
S3：根据采样电阻的频率响应特性G(jω)，对测量频谱Yt(jω)进行频域上的校正，得到校正频谱Xc(jω)；
S4：对校正频谱Xc(jω)进行傅里叶逆变换得到被测对象的校正时域信号xc(t)。
本技术方案中，利用预先测量建立的采样电阻的频率响应特性，对被测对象的电压测量值进行校正，所有的校正都是在频域空间中开展的，从而解决采样电阻的阻抗随频率发生变化的问题。
其中，采样电阻的频率响应特性G(jω)包括幅频响应特性和相频响应特性。G(jω)通过以下公式计算：G(jω)＝|G(jω)|ejθ(ω)。其中，|G(jω)|是幅频响应特性，为稳态响应与纯正弦输入信号的幅值之比；θ(ω)是相频响应特性，为稳态响应输出和纯正弦输入信号的相位差。一般情况下采样电阻在低频区域具有相对平坦的幅频响应特性，相位偏移也相对较小；但在高频电流经过时，其阻抗的幅频响应特性会呈现随频率下降的趋势，相位也会发生较大偏移。上述采样电阻的幅频响应特性|G(jω)|也可以用采样电阻的阻抗|Z(jω)|描述，即G(jω)＝|Z(jω)|ejθ(ω)＝R(ω)+jX(ω)，其中，R(ω)为采样电阻的实频特性，X(ω)为采样电阻的虚频特性。
进一步的，所述步骤S1中通过以下方法建立采样电阻的频率响应特性：将两个或以上不同频率的纯正弦电流信号im(t)(m为正整数)输入采样电阻，采集各个纯正弦频率电流信号下采样电阻两端的电压信号um(t)；并分别对采样数据im(t)和um(t)进行傅里叶变换，得到对应频谱I(jωm)和Um(jω)，通过公式Gm(jω)＝Um(jω)/1(jωm)计算得到采样电阻的频率响应特性。由上式可见，所述采样电阻的频率响应特性实际上是采样电阻的阻抗特性。上述公式中，纯正弦电流信号在进行傅里叶变换后为具有单一频率的谱线；而该正弦电流经过采样电阻时，产生的电压值则可能由于采样电阻寄生电感和寄生电容的存在而具有多个频率分量。
进一步的，步骤S1中，采样电阻的频率响应特性G(jω)为随频率ω变化的一维函数；即某一纯正弦电流信号im(t)下的电压信号的频谱Um(jω)只取电流频率对应的分量Um(jωm)。如上所述，正弦电流I(jωm)下采样电阻的电压信号的频谱Um(jω)可能具有多个频率分量，但在具体计算时，由于与ωm对应的成分相比，其他成分多为小量因此忽略不计，因此上述的对应公式可写为G(jωm)＝U(jωm)/I(jωm)，在多个正弦频率下进行测量和计算，则得到的频率响应特性G(jω)为随频率ω变化的一维函数。
进一步的，步骤S1中，采样电阻的频率响应特性G(jω)为关于频率的二维矩阵或者函数组；即某一纯正弦电流信号im(t)下的电压信号的频谱Um(jω)取各个频率下的值Um(jωn)(n为正整数)，其中包含ωn＝ωm的频谱分量。在本方案中，正弦电流I(jωm)下采样电阻的电压信号的频谱Um(jω)计入了包括Um(jωm)在内的多个频率分量，具体可表示为[Um(jω1)，um(jω2)，...Um(jωm)...Um(jωfn)]，其中ωfn表示所关注的最高频率。上述一维矩阵也可以用函数的形式来表达为
将上述电压频谱的矩阵或者函数除以对应的电流频谱I(jωm)即得到该频率下的采样电阻的一维矩阵或者函数。由于在多个正弦频率下测量，因此可以得到对应采样电阻频率响应的矩阵或者二维函数。其中，矩阵形式可表示为：/>
进一步的，步骤S1中以一定的频率间隔测量采样电阻的频率响应特性，频率测量点以外的其他频率点采用拟合算法得到频率响应特性。上述一定间隔在整个关注的频率曲线内不一定是等间隔的，从DC到5kHz可以选择一个频率间隔，5kHz以上到5MHz可以选择另一个频率间隔，5MHz以上的频率间隔根据情况再设定。上述拟合算法包括但不限于线性插值、对数插值等。
进一步的，所述步骤S3具体包括：通过公式Xc(jω)＝Yt(jω)/G(jω)计算得到校正频谱Xc(jω)，在计算中取频率相同的成分进行运算。在该运算中，若上述频率响应为一维函数，则直接在各个频率点上进行校准；若上述频率响应为二维函数或矩阵，则忽略其它频率分量的贡献。在校正过程中，频幅相除，相频相减。
进一步的，所述步骤S3具体包括：采样电阻的频率响应特性G(jω)是函数组或者二维矩阵，对测量频谱Yt(jω)进行反卷积计算得到校正频谱Xc(jω)。如上所述，当测量得到频谱具有比较复杂的成分时，那么采样电阻的频率响应特性中的每个分量都会最终的测量结果产生影响，例如在频率ωm上，测量的幅值或者相位可由下式表示：
其中Xr(jωn)表示实际的电流频谱在ωn上的分量，Gn(jωm)表示采样电阻对频率ωn的电流响应时在频率ωm处产生的响应。基于上述公式，对实际测量得到的频谱进行反卷积计算，即可得到校正频谱。
作为一种技术方案，所述的采样电阻连接温度传感器，实时监控采样电阻的温度，在步骤S1中测量并建立不同温度下采样电阻的频率响应特性G(jω，T)；在步骤S3中根据测量信号时的温度，选择对应温度下采样电阻的频率响应特性，对测量信号的频谱Yt(jω，T)进行校正。例如，考虑到采样电阻的实时温度可能发生变化，可以每10秒记录下采样电阻的平均实时温度T，进而测量建立不同温度下采样电阻的频率响应特性G(jω，T)。
进一步的，对于校准频谱Xc(jω)分析得到被测对象的谐波含量和/或相位偏移。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明从采样电阻固有的频率响应特性出发，利用傅里叶变换计算得到测量信号的频谱Yt(jω)，再根据采样电阻的频率响应特性G(jω)以及测量频谱Yt(jω)得到校正频谱Xc(jω)，然后通过傅里叶逆变换得到校正时域信号xc(t)，通过频域校正的方法实现了对高频信号的精确测量。此外本发明还考虑了温漂对测量的影响，通过在采样电阻旁连接温度传感器，实时监控采样电阻的温度，得到不同温度下采样电阻的频率响应特性G(jω，T)，进而对不同温度下的电信号的频谱校正，进一步提升了测量精度。
附图说明
为更清楚地阐述本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地说明，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提出的基于频域的电测量校正方法流程图；
图2为本发明实施例提出的基于频域的电测量结构示意图；
图3为本发明实施例在25℃下得到的采样电阻的频率响应特性图；
图4为本发明实施例测量信号的时域图；
图5为本发明实施例测量信号的频谱图，图5(a)表示幅值频谱，图5(b)表示相位频谱；
图6为本发明实施例对测量频谱进行频域上的校正后得到的校正频谱图，图6(a)表示幅值频谱，图6(b)表示相位频谱；
图7为本发明实施例校正后得到的校正时域图；
图8和图9是本发明实施例在不同温度下得到的采样电阻的频率响应特性图，图8是幅频响应特性曲线图，图9是相频响应特性曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本实施例提供了一种基于频域的电测量校正方法，方法流程图如图1所示，包括以下四个步骤：
S1：测量并建立采样电阻的频率响应特性G(jω)：如图2所示，在25℃下，将不同频率的纯正弦电流信号im(t)(m为正整数)依次输入采样电阻，采集各个纯正弦频率电流信号下采样电阻两端的电压信号um(t)，并分别对采样数据im(t)和um(t)进行傅里叶变换，得到对应频谱I(jωm)和U(jωm)，通过公式Gm(jωm)＝U(jωm)/I(jωm)计算得到该频率下采样电阻的频率响应特性，通过测量多点频率得到频率响应随频率的变化函数，表示为：G(jω)＝|G(jω)|ejθ(ω)。图3为在25℃下采样电阻的频率响应特性图，其中|G|是幅频响应特性曲线，θ是相频响应特性曲线。优选地，S1中纯正弦电流信号的频率以一定频率间隔发生变化，利用拟合算法得到在非测量频率下的采样电阻的频率响应特性。需要说明的是，频率由低到高变化的纯正弦电流信号的的起始频率范围可设，间隔可设，例如0.01Hz，相邻频率间频率的频率响应特性通过拟合算法得到。
S2：测量被测对象时，采集采样电阻两端的电压，得到测量时域信号yt(t)，如图4所示。并对其进行傅里叶变换得到测量频谱Yt(jω)，图5为在频域空间测量信号的频谱图，图5(a)表示幅值频谱，图5(b)表示相位频谱。在电压测量过程中，采样频率大于分析频谱的最大频率值。
S3：根据采样电阻的频率响应特性G(jω)，对测量频谱Yt(jω)进行频域上的校正，得到校正频谱Xc(jω)。其中，采样电阻的频率响应特性G(jω)是一维函数，根据G(jω)以及测量频谱Yt(jω)，通过公式Xc(jω)＝Yt(jω)/G(jω)计算得到校正频谱Xc(jω)。图6为对测量频谱进行频域上的校正后得到的校正频谱图，图6(a)表示幅值频谱，图6(b)表示相位频谱。
S4：对校正频谱Xc(jω)进行傅里叶逆变换得到被测对象的校正时域信号xc(t)。图7为本发明实施例校正后得到的校正时域图。
优选地，所述的采样电阻连接温度传感器，实时监控采样电阻的温度，在步骤S1中测量并建立不同温度下采样电阻的频率响应特性G(jω，T)；在步骤S3中根据测量信号输入时的温度，选择对应温度下采样电阻的频率响应特性，对测量信号的频谱Yt(jω，T)进行校正。其中，所选温度分别为-50℃、-25℃、0℃、25℃、50℃、100℃，得到不同温度下采样电阻的频率响应特性G(jω，T)，如图8和图9所示，分别是在不同温度下得到的采样电阻的频率响应特性图，图8是幅频响应特性曲线图，图9是相频响应特性曲线图。
由以上实施例可以看出，本发明提出的测量方法，具有实现更准确测量高频信号的优势。本实施例中，从采样电阻固有的频率响应特性出发，通过频域的方法实现了对高频信号的校正，从而实现了精确测量，此外还考虑了温漂对测量的影响，进一步提升了测量精度。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (9)
1.一种基于频域的电测量校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：测量并建立采样电阻的频率响应特性G(jω)；
S2：测量被测对象时，采集采样电阻两端的电压，得到测量时域信号yt(t)，并对其进行傅里叶变换得到测量频谱Yt(jω)；
S3：根据采样电阻的频率响应特性G(jω)，对测量频谱Yt(jω)进行频域上的校正，得到校正频谱Xc(jω)；
S4：对校正频谱Xc(jω)进行傅里叶逆变换得到被测对象的校正时域信号xc(t)。
2.根据权利要求1所述的一种基于频域的电测量校正方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：将两个或以上不同频率的纯正弦电流信号im(t)(m为正整数)输入采样电阻，采集各个纯正弦频率电流信号下采样电阻两端的电压信号um(t)；并分别对采样数据im(t)和um(t)进行傅里叶变换，得到对应频谱I(jωm)和Um(jω)，通过公式Gm(jω)＝Um(jω)/I(jωm)计算得到采样电阻的频率响应特性。
3.根据权利要求2所述的一种基于频域的电测量校正方法，其特征在于，步骤S1中，采样电阻的频率响应特性G(jω)为随频率ω变化的一维函数；即某一纯正弦电流信号im(t)下的电压信号的频谱Um(jω)只取电流频率对应的分量Um(jωm)。
4.根据权利要求2所述的一种基于频域的电测量校正方法，其特征在于，步骤S1中，采样电阻的频率响应特性G(jω)为关于频率的二维矩阵或者函数组；即某一纯正弦电流信号im(t)下的电压信号的频谱Um(jω)取各个频率下的值Um(jωn)(n为正整数)，其中包含ωn＝ωm的频谱分量。
5.根据权利要求2或3或4所述的一种基于频域的电测量校正方法，其特征在于，步骤S1中以一定的频率间隔测量采样电阻的频率响应特性，频率测量点以外的其他频率点采用拟合算法得到频率响应特性。
6.根据权利要求2或3所述的一种基于频域的电测量校正方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：通过公式Xc(jω)＝Yt(jω)/G(jω)计算得到校正频谱Xc(jω)，在计算中取频率相同的成分进行运算。
7.根据权利要求4所述的一种基于频域的电测量校正方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：采样电阻的频率响应特性G(jω)是函数组或者二维矩阵，对测量频谱Yt(jω)进行反卷积计算得到校正频谱Xc(jω)。
8.根据权利要求1或2或3所述的一种基于频域的电测量校正方法，其特征在于，所述的采样电阻连接温度传感器，实时监控采样电阻的温度，在步骤S1中测量并建立不同温度下采样电阻的频率响应特性G(jω,T)；在步骤S3中根据测量信号时的温度，选择对应温度下采样电阻的频率响应特性，对测量信号的频谱Ytjω,T进行校正。
9.根据权利要求1或2或3所述的一种基于频域的电测量校正方法，其特征在于，对于校准频谱Xc(jω)分析得到被测对象的谐波含量和/或相位偏移。
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