用於信號解調的方法和設備的製作方法

2023-12-06 13:20:21 1

專利名稱：用於信號解調的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於解調來自於由具有激勵頻率的交替激勵信號驅 動的換能器的輸出信號的設備和方法，該換能器產生包含待測量的 量的振幅調製輸出信號。
本發明對於任何類型的包括產生包含待測量的量的振幅調製輸 出信號的換能器以及產生用於驅動換能器的激勵信號的激勵單元的 測量設備是有用的。換能器例如是差動變壓器、磁致彈性傳感器或 應變儀，以及待測量的量例如是位置、應力、力或扭矩。
背景技術：
為了檢測測量的量，來自於換能器(transducer)的輸出信號必 須解調。解調換能器(例如，磁致彈性換能器)的輸出信號的傳統 方式是使用模擬相敏檢波。相敏檢波是熟知的用於通過由從生成由 換能器調製的信號的設備獲得的參考波形控制的電路來解調或整流 AC信號的方法。
US6285719描述了另一種方法，其中通過與激勵電壓的生成同 步地對換能器輸出信號進行採樣來數位化地執行整流和濾波。通過 將每半個周期上採集的採樣求和來執行整流和濾波。然後，將對應 於激勵的負半周期的半周期平均與負一相乘。由控制激勵信號生成 的時鐘以及對輸出的採樣來起到上述參考波形的作用。
US6285719還描述了 一種通過使用從待仿真的才莫擬設備的輸入 濾波器獲得的加權函數計算採樣輸出的加權平均來仿真相敏檢波的 給定的模擬系統的方法。
利用磁致彈性材料的負載/力/壓力換能器的多個形式是已知的。
某些磁致彈性換能器是具有從低阻抗源提供的恆定大小的周期性改變的電壓波形所激勵的單個電線圏的類型，並且根據此，通過 監視該單個線圏電流獲取力測量輸出。其他磁致彈性換能器可以具 有 一對獨立線圈，其中恆定電流激勵應用於第 一 線圏並且換能器響 應通過越過第二線圏產生的輸出電壓的大小來測量。
磁致彈性換能器使用鐵磁性物質的磁致彈性性質，從而檢測測 量區域中的機械壓力的改變。該機械壓力的改變由作用於換能器的 外部負載(力、壓力或扭矩)引起，以及換能器的輸出信號是對該 負載的測量。
磁致彈性換能器的操作類似於差動變壓器的操作，因為其包括
初級繞組和次級繞組。初級繞組由AC信號激勵，並且測量的量改
變初級繞組和次級繞組之間的磁耦合。因此，磁致彈性換能器上的 負載引起次級信號(即，換能器的輸出信號)的振幅調製。該輸出 的基頻等於初級電壓(即，激勵電壓)的頻率。
為了測量負載，振幅調製的輸出信號需要解調。為了獲得輸出 的良好穩定性，以這樣的方式設計換能器，即零負載產生接近於零 的輸出的振幅。為了在正負載和負負載之間進行區分，並且獲得良 好的輸出線性度，必須使用相敏檢波或同步解調。
用於在現有技術中使用的輸出信號的解調的方法具有需要解決 的三個主要困難。
由於換能器產生激勵信號振幅的調製，非常重要的是將激勵保 持在恆定水平，即恆定振幅。如果激勵的水平改變，則換能器的靈 敏度將改變相同的量。而且，激勵的諧波含量是重要的，因為輸出 信號的不同諧波將對整流的輸出產生不同的貢獻。
對於磁致彈性測壓元件，這可能是特別困難的，因為它們的阻 抗是非線性的並且隨著換能器上的機械負載改變。
其次，在所有系統中，換能器的輸出信號通過輸入濾波器放大 並且濾波。在磁致彈性換能器中，諧波由鐵磁材料的非線性產生， 並且這些諧波對整流的輸出具有突出的貢獻。輸入濾波器的頻率響 應因此必須在寬頻率範圍上適當確定振幅和相位二者。這對激勵單
7元的電子設備產生了很高的需求，並且因此使其昂貴。
在使用相敏檢波中的第三個困難是如何驅動來自於激勵信號的
參考波形，該參考波形控制整流器。
在使用零交叉檢測的模擬系統中，影響該檢測的噪聲將在整流
的輸出中產生低頻噪聲。
在數字釆樣、整流和濾波的情況中，參考波形和激勵信號從公
共時鐘獲得。因此，需要相對於時鐘信號調節激勵電流的相位的模
擬控制器。
另 一 個問題與換能器的輸出阻抗相聯繫。在磁致彈性換能器中， 該阻抗是高電感性的。輸入通道的輸入阻抗通常是電容性的，從而
遵循EMC規定。因此，如果激勵信號包含高頻，則換能器的電感和 輸入的電容之間的諧振將變得激勵，這將影響解調的輸出。為了避 免該問題，通常使用正弦激勵信號，而不使用切換的DC電壓，這 將減少電子單元中的功率損耗。

發明內容
本發明的目的是提供對來自於換能器的輸出信號的改進的解 調，這減輕了上述問題。
根據本發明的一個方面，利用權利要求1定義的方法達到該目的。
所述方法包括接收激勵頻率的至少一個周期上的來自換能器 的輸出信號的採樣值以及激勵信號的採樣值，基於來自於所述換能 器的所述輸出信號的所述採樣值計算包括關於所述激勵頻率處的所 述輸出信號的振幅和相位的信息的第 一 復值量，基於所述激勵信號 的所述採樣值計算包括關於所述激勵頻率處的所述激勵信號的振幅 和相位的信息的第二復值量，形成所述第 一 和第二復值量之間的復 值輸出商，以及基於所述輸出商計算解調的輸出信號。激勵信號的 採樣值可以表示激勵信號的電流或電壓的大小。
由於以下事實，即解調是基於包括關於輸出信號的振幅和相位
8的信息以及關於激勵信號的振幅和相位的信息的第 一 和第二復值量 之間的商執行的，解調變得獨立於激勵信號的振幅和相位的改變。 因此，解調不再需要具有恆定振幅和相位的激勵信號。也不需要激 勵信號的諧波含量在振幅或相位上是恆定的，並且因此不受外部因 素影響，諸如線纜阻抗，或者電子設備或換能器的溫度。這允許針
對激勵單元使用便宜的電子設備，諸如由DC電壓形成方波的簡單 開關。從而，減低了傳感器的成本。
由於以下事實，即復值量包括關於作為激勵信號基音的激勵頻 率處的振幅和相位的信息，消除了換能器信號中所有諧波的影響。 電子設備的輸入濾波器因此僅需要在激勵頻率適當地確定，而不需 要如現有技術系統那樣中針對寬頻率範圍。
也消除了從激勵頻率獲得參考信號的需要。以一種方式，激勵 信號本身用作解調中的參考信號。完全地補償激勵信號的相位的任 何改變。
根據本發明的實施方式，解調的輸出信號的計算包括取輸出商 的實部。通常，選擇兩個復量的參考相位(定義為零的任意相位)， 從而它們所得的商主要具有實部。以這種方式，獲取了具有有限分 辨率的數字系統的最高可能動態特性，並且因此，這是優選的實施 方式。原則上，關於解調的輸出信號的信息存在於複數商的所有分 量中，但是當偏離最佳條件時，動態特性降低。
根據本發明的另 一 個實施方式，解調的輸出信號的計算包括形 成輸出商的實部和虛部的非線性組合。這是之前的實施方式的非線 性擴展，並且如果換能器的輸出關於待測量的量非線性地動作，則 可能需要該擴展。
根據本發明的實施方式，第 一量的計算包括將輸出信號的採樣 值與在激勵頻率處振蕩的正弦相乘，並且在激勵信號的至少一個周 期上將所得的積相加，從而形成第一量的實部，以及將輸出信號的 採樣值與相對於所述第 一 正弦以約兀/ 2相位角移位的、在激勵頻率處 振蕩的另 一 正弦相乘，並且在激勵信號的至少 一 個周期上將所得的積相加，從而形成所述第一量的虛部。根據該實施方式，計算了輸 出信號的基音的實部和虛部。
另外，第二量的計算包括將激勵信號的採樣值與在激勵頻率處 振蕩的正弦相乘，並且在激勵信號的至少 一 個周期上將所得的積相 加，從而形成第二量的實部，以及將激勵信號的採樣值與相對於第
一正弦以約兀/2相位角移位的、在激勵頻率處振蕩的另 一 正弦相乘，
並且在激勵信號的至少一個周期上將所得的積相加，從而形成第二 量的虛部。根據該實施方式，計算了激勵信號的基音的實部和虛部。 優選地，計算並且預先存儲正弦的採樣值。該正弦可以具有相 對於激勵信號的任意相位位置。優選地，選擇相對於輸出信號和激 勵信號的該正弦的相位位置，使得量的各部之一為零，例如量的虛 部為零。本發明的該實施方式很容易實現並且不需要更多的計算機能力。
根據本發明的可替換實施方式，第 一 量的計算包括計算所述輸 出信號的採樣值的傅立葉變換，並且基於該傅立葉變換提取對應於 激勵頻率的係數，並且第二量的計算包括計算激勵信號的採樣值的 傅立葉變換，並且基於該傅立葉變換提取對應於激勵頻率的係數。 使用復值量的計算的傅立葉變換在數學上等同於使用在激勵頻率處 振蕩的正弦的上述方法。
根據本發明的實施方式，激勵信號的採樣值包括表示激勵信號 的電流的第 一 系列採樣值以及表示激勵信號的電壓的第二系列採樣
值，並且方法進一步包括基於所述系列採樣值中的一個計算第二 復值量，基於所述系列採樣值中的另 一 個計算包括關於激勵電流的 振幅和相位的信息的第三復值量，形成第二和第三復值量之間的復 值商，基於激勵電壓和電流之間的復值商計算換能器的阻抗，以及 基於計算的阻抗執行溫度補償。
由於換能器的阻抗根據溫度改變，這可以用於溫度補償。基於 激勵電壓和激勵電流之間的商計算阻抗，並且計算的阻抗用作溫度 的測量。根據本發明的該實施方式，基於計算的阻抗執行溫度補償。可能針對零位漂移進行補償也可能針對歸因於溫度改變的測量靈敏 度改變進行補償。零位漂移是由於溫度改變導致的來自於空載的換
能器或處於靜止(rest)位置的換能器的輸出信號的改變。例如，當 計算換能器的輸出信號時，可以從解調的輸出信號中減去依賴於溫 度的零信號，從而補償零位漂移，並且解調的輸出信號可以乘以依
賴於溫度的比例因子，從而補償歸因於溫度改變的測量靈敏度的改 變，因此消除了輸出信號對於換能器溫度的依賴。
算機程序在運行在處理器單元上時執行，所述電腦程式具有對應 於本發明性方法中的步驟的指令。藉助FPGA執行至少某些計算也 是有優勢的。
根據本發明的其他方面，該目的由可直接加載到計算機或處理 器的內部存儲器中的電腦程式產品實現，其包括當該程序在計算 機上運行時，用於執行根據所附方法權利要求的方法的步驟的軟體 代碼部分。在計算機可讀介質上或通過網絡提供該電腦程式。
根據本發明的另一方面，該目的由具有記錄在其上的程序的計 算機可讀介質實現，這時所述程序使計算機執行根據所附方法權利 要求的方法的步驟，且所述程序運行在計算機上。
根據本發明的另一方面，該目的由權利要求8所定義的設備實 現。此設備包括採樣單元，適於對來自於換能器的輸出信號和來自 於激勵信號的輸出信號在激勵頻率的至少 一個周期上進行採樣，以 及計算單元，適於基於來自於所述換能器的所述輸出信號的採樣值
計算包括關於所述激勵頻率處的所述輸出信號的振幅和相位的信息 的第 一復值量，基於所述激勵信號的採樣值計算包括關於所述激勵 頻率處的所述激勵信號的振幅和相位的信息的第二復值量，形成所 述第 一 和第二復值量之間的復值輸出商，以及基於所述輸出商計算
解調的輸出信號。在模擬系統中，需要將激勵信號保持在恆定水平。 在所提出的用於解調的設備中，不再需要線性動作的換能器。 設備的其他發展由附加權利要求的特徵來表徵。
ii本發明例如對於解調適於測量力、應力或扭矩的換能器有用。 本發明尤其對於解調磁致彈性換能器有用。在磁致彈性換能器的情 況中，獲得了對於小改變的大補償程度。補償了由於激勵電路、線 纜或換能器阻抗的改變導致的激勵形狀的改變。


現在，將通過本發明的不同實施方式的描述並且參考附圖更詳 細地解釋本發明。
圖1示出了根據本發明實施方式的用於解調來自於換能器的輸 出信號的設備。
圖2示出了計算包括關於輸入信號的振幅和相位的信息的復值 量的示例。
具體實施例方式
圖1示出了用於對來自於換能器1的輸出信號y(t)進行解調的設 備，其中換能器1由來自於激勵單元2的、周期性激勵電壓u(t)形式 的激勵信號驅動。例如，換能器是測量施加的力的改變的磁致彈性 換能器。時間依賴的力F(t)施加到換能器1上，該換能器1由來自於 激勵單元2的激勵電壓u(t)激勵。在圖1中，激勵電壓描述為方波 u(t)。換能器1根據力F(t)的大小修改激勵電壓，並且產生換能器輸 出信號y(t)。激勵電流i(t)由激勵單元2測量。時軒3確定激勵單元 2的激勵頻率。
該設備包括第一採樣單元5,適於對來自於換能器1的輸出信號 y(t)進行採樣；第二採樣單元6,適於對激勵單元的激勵電壓u(t)進 行採樣；以及第三採樣單元7，適於對激勵電流i(t)進行採樣。採樣 單元5-7是A/D轉換器。激勵單元2和採樣單元5-7連接到公共時 鍾3並且由其同步。因此，採樣頻率相對於激勵頻率是固定的。信 號y(t)、 u(t)和i(t)由A/D轉換器5-7採樣。每個信號y(t)、 u(t)和i(t) 通常在激勵電壓周期期間採樣N次。通常，並且尤其是，如果激勵頻率比待測量的量的特徵頻率高很多，則也可能在M個周期中對信
號採樣N次，其中N和M是整數，優選地沒有公因數。
替代所有信號連接到不同採樣單元5-7,還可能通過使用復用器 將所有信號應用於公共採樣單元。
該設備進一步包括計算單元8，適於計算換能器的解調的輸出信 號O,和阻抗Sr。計算單元8包括裝置10，其用於計算包括關於激勵
頻率處的輸出電壓的振幅和相位的信息的第一復值量F;裝置11， 其用於計算包括關於激勵頻率處的激勵電壓的振幅和相位的信息的 第二復值量G;以及裝置12,其用於計算包括關於激勵頻率處的激 勵電流的振幅和相位的信息的第三復值量7。計算單元進步包括裝 置13,其用於計算第一和第二復值量之間的復值輸出商S;以及裝
置15,其用於計算所述商的實部。因此，通過形成解調的換能器信 號F和解調的激勵電壓5的商並且然後取所得的複數的實部，來獲得 輸出信號Od。
計算單元8 #—步包括裝置16，用於計算第二和第三復值量之 間的復值輸出商等。形成解調的激勵電壓G和解調激勵電流7之間的
商，並且產生對復值換能器阻抗5的測量。如果該阻抗取決於負載或 溫度，則其可以用於輸出信號的線性化或溫度補償。
計算單元8進一步包括裝置18,用於基於計算的阻抗5執行輸 出信號C^的溫度補償。換能器的溫度基於阻抗Z計算，例如通過獲
取復值阻抗的實部。根據針對激勵信號選擇哪個相位位置來選擇計 算的阻抗的實部應該包含哪個信息是可能的。例如，輸出信號的溫 度補償包括從輸出信號O,中減去溫度依賴的、預定的零信號，從而 補償零位漂移，並且將輸出信號O,與溫度依賴的、預定的比例因子 相乘，從而補償歸因於溫度改變的測量靈敏度的改變。基於計算的 溫度確定要用於溫度補償的零信號和比例因子。最終經溫度補償的 解調的輸出信號表示為O一
圖2示出了根據本發明的實施方式的用於計算復值量？的裝置
13IO的原理。用於計算復值量G和7的裝置11、 12使用與圖2中示出 的相同的原理。裝置10、 11、 12表示具有復值輸出的數字相敏檢波 器(DPSD)。對DPSD的輸入是採樣的電壓或電流值。相敏檢波器 10-12解調輸入信號，並且每個激勵信號的周期(或半周期)都產生 複數形式的數字輸出。
輸入信號？的N個採樣乘以19a存儲在存儲器20a中的第 一權函 數w,(t)的相應的N個採樣，並且將結果相加21a。將該和理解為復 值量？的實部Y&。輸入信號的採樣也乘以19a存儲在存儲器20b中 的或通過對權函數w,(t)的採樣移位N/4步長來獲取的第二權函數 wjt)的相應的N個採樣，並且也將這些結果相加21b。該和理解為 復值量Y的虛部Y,m。優選地，第一權函數w,(t)是以激勵頻率交替 的正弦信號，並且第二權函數wjt)是以激勵頻率交替的餘弦信號。 每個權函數的N個採樣的和應該等於零，從而疊加的DC信號對解 調的輸出沒有貢獻。將來自於DPSD的輸出^^Y^+jY^，即復值量F 計算為計算的實部和虛部的和22。根據以下關係，復量F包括關於 振幅A,和相位Oy的信息
4^arctan(Y血/YRe)
以同樣的方式，復量Z7和7也包括關於採樣信號u(t)和i(t)的振幅 和相位的信 息o
根據本發明的解調的原理類似於頻率響應的概念。頻率響應是 線性時不變系統對變化頻率的正弦輸入的響應的表示。線性系統對 於正弦輸入的輸出是相同頻率的正弦，但是具有不同的大小和相位。
在下面，將更詳細地描述本發明的的另一個實施方式。頻率響 應定義為輸入和輸出正弦之間的大小和相位差，並且通常在數學上
使用複數的函數^G'03)描述。該函數通常通過計算輸出信號的傅 立葉變換除以輸入信號到^)的傅立葉變換的商來形成，其中co是信 號的角頻率。
14磁致彈性換能器既不是時不變的也不是線性的，但是針對單個
頻率WQ,其對於計算特定時間t的輸入和輸出信號的振幅和相位以 及形成商仍舊是有意義的
魄co。)三4^、
X(Q.CO。) (2)
選擇頻率^為激勵頻率(OQ = 27lf Q ，並且根據激勵頻率的 一 個或多
個周期上採樣的值計算商的值。然後，換能器的解調的輸出通過取 該複數的實部和虛部的線性組合，或等效地將商乘以給定的複數並
且取結果的實部來形成 t/(0 = R— 。》 (3)
在該情況中，輸入信號不必是正弦。上面的表達式(2)簡單闡 述了應該計算激勵頻率處的輸入信號的傅立葉分量的振幅和相位。
同 一推理適用於換能器的輸出信號。為了計算信號的傅立葉分 量，使用離散傅立葉變換的定義。考慮信號x(t)，在採樣間以間隔T 採樣N次，從而採樣、=X("T)。該採樣列表的離散傅立葉變換可以定 義為
爛三》 (4)
現在，考慮最簡單的情況，其中換能器信號在激勵頻率的一個 周期T上採樣。在該情況中 iVT=r = ^ (5)
從而等式(4)可以寫為
X(k)表示第k諧波的傅立葉分量。激勵頻率處的信號的傅立葉分 量因此由k=l的上述等式給出。因子^^僅是在根據(2)計算商時 不重要的規一化因子，因此出於根據本發明的信號解調的目的，w—i
(9)
Z(u.o)。)三D), (7)
時間依賴在這裡包括在採樣值x"W的列表中，因為該N個採樣的 列表以某個離散時間間隔實時更新。 x々)二x(卜(jV-")t) (8)
最後，根據本發明的輸出信號從激勵信號x(t)和換能器的振幅調 制的輸出信號y(t)根據下式獲得
^ O"薩、
在實際應用中，採樣值&w和x(0的列表將在每次獲得採樣的新 的完整列表時更新。在上述示例中，其中在激勵頻率的一個周期上 對換能器信號進行採樣，將僅利用與激勵信號相同的周期計算並且
更新輸出信號u(t)。
上述角度a的選擇對應於相敏檢波的參考信號和激勵信號之間 的相位差的選擇。通常選擇其以最大化換能器的解調的靈敏度。
等式(9)描述的計算需要使用某個算術邏輯單元(ALU)，但 是其可以以FPGA、 ASIC的數字電路或簡單的微處理器實現。
在實際中，每個傅立葉分量的計算可以使用實數實現，乃至使 用已知方法以整數運算實現。例如，激勵信號的傅立葉分量可以通 過計算兩個和來計算
w—1 w-l
JT(Wco。) ^YRe (Wco。)+("y'co。) e E麼Wcos(y'co。"T)+/J^x inC/a)。"T) (10)
根據本發明的解調與美國專利6285719的不同在於測量激勵信 號和輸出信號兩者，以及在於針對採樣值的每個序列，使用不同的 權函數計算兩個和。然後，這四個和的結果合併以利用(9)描述的 方式形成解調的輸出。在美國專利6285719中，根據採樣輸出信號 的序列僅計算一個和，並且可能在某種數字濾波之後將該和直接用 作解調的輸出。
在(9)中與因子一"的乘法可以出於簡單目的而使用已知的數學恆等式與權函數合併。例如，為此目的，可以將輸出信號的傅立葉
分量改寫為
}^,yco0)^Re (Wco0)+yylm(/，J/w0)E￡3;"WCos[/co0m:+y,(x) + yL:^(z)sin(/ovru+i/oO
(11)
權函數僅取決於採樣間隔以及角度a。這些參數對於給定的磁致 彈性換能器通常保持不變，因此可以預先計算權函數並且將其存儲 在存儲器中。
如果採樣數量是偶數，僅需要存儲針對一半周期的權函數的值。 如果採樣數量是奇數，可能需要針對兩個一半周期的不同權函數。
對於線性系統，解調獨立於激勵的曲線形狀。對於磁致彈性換 能器，曲線形狀將肯定具有影響，但是曲線形狀的微小改變可以得 到有效地補償。
諸如方波的包含高頻的激勵信號可以引起次級電路中的諧振的 激勵。解調僅考慮激勵頻率處的性質的事實使其不受諧振的影響。
這使得提出的解調特別適於其中通過使用已知技術的切換DC 電壓形成AC激勵電壓的系統。
通常，電子設備單元將採集激勵信號的一個周期的採樣，並且 以激勵信號的頻率更新輸出。為了使更新頻率加倍，採集每半個周 期的採樣並且以此速率更新輸出是可能的。解調的輸出仍舊應該基 於來自於整個周期的採樣，從而抑制來自於可能重疊的DC信號的 貢獻。
可以將激勵信號選擇為激勵電流或激勵電壓。通過選擇電流為 激勵信號的優勢在於這可以在電子設備單元內部測量。測量激勵電 壓通常需要在線纜中使用一對額外的線，從而可以在換能器處測量 電壓。如果線纜是固定的而沒有接頭，並且與換能器相比具有微小 的阻抗，則不需要這樣。將電流選擇為激勵信號使串聯多個換能器 成為可能，因為它們的電流是相同的。
電流的缺點在於其需要電流分路器或變壓器以測量電流。此類 設備昂貴並且在解調的換能器輸出中產生附加的誤差源。解調的輸出，U(t),可以根據以下等
式按照將電壓用作激勵信號(U(t,jco))的解調的輸出計算 /(f,yO)Q) L^,_7C0Q) /(^/co0)
(12)
其中Z(t'jco。)是換能器復值阻抗的傅立葉分量。諸如永M))的其他傅
立葉分量的定義由上式(7)給定。
通過在與^相乘之後取復值輸出的實部來獲取實解調的輸出。 由於換能器的阻抗是溫度依賴的，激勵信號的選擇也影響換能
器的靈敏度的未補償的溫度漂移。換能器的阻抗還可以取決於負載。
在該情況中，換能器信號的靈敏度和非線性還可以受激勵信號的選
擇影響。
由於磁致彈性換能器是非線性設備，其性質可以隨激勵的水平 改變。在該情況中，建議調整該水平，從而使其隨著例如不同線纜 阻抗或不同操作溫度而保持不變。
如果將調整激勵的水平，則最好選擇隨負載改變最少的信號為 激勵信號。以該方式，激勵的調整可以比負載改變的時間比例慢很 多，而不影響信號輸出。由於在解調中補償激勵的水平，對於激勵 水平調整和負載的不同時間比例的影響將非常小。
由於換能器的阻抗隨溫度改變，所以這可以用作溫度補償。如 果將執行溫度補償，則最好選擇隨負載改變最少的激勵信號。以該 方式，通過數字濾波溫度測量，將針對溫度測量和負載測量的時間 比例分開是可能的。這導致在溫度補償的輸出中較少的噪聲。
所提出的用於解調換能器信號的系統的 一 個優勢在於，其僅取 決於激勵頻率處測量通道的性質。這使得構造在溫度和時間上相同 並且穩定的電子設備單元比較便宜。
可以通過使用相同的測量通道測量所有信號來進 一 步改進該優 勢。在該情況中，測量通道的頻率響應將通過在計算復解調的輸出 和復阻抗時執行的除法而完全消除。該補償還補償可能相當大的A/D 轉換器的增益誤差。
18如果需要輸出信號的較快更新率，則通過使用 一個通道測量換 能器輸出並且使用另 一 個測量通道測量包括輸出信號的所有信號， 相同的補償仍舊是可能的。然後，可以計算補償因子，其通過計算 由兩個通道同時測量的換能器輸出信號的傅立葉分量之間的商考慮 了兩個測量通道之間的頻率響應的差。
如果換能器的激勵頻率相對於所需的輸出信號帶寬非常高，優 選的是對激勵的多個周期的信號進行採樣，從而收集足夠數量的採 樣。在該情況中，周期的數量和採樣的數量應不用具有公倍數，從 而所有收集的採樣來自於待測量的信號的不同部分。
通過計算激勵頻率處的輸出信號的頻率響應來解調該輸出信號 的優勢在於，僅對於數學上的傅立葉分量並且如果所有系統是線性 的，其是絕對真實的。
藉助於對信號採樣以及根據(10)計算和來計算數學上的傅立 葉分量的近似必然引入誤差。首先，存在歸因於採樣和整數運算的
離散誤差。這些誤差通過使用具有高解析度的A/D轉換器、使用在 算術中具有較高精確度的數以及大量的採樣來最小化。
其次，對連續信號的採樣引入了混疊，在混疊中，具有的頻率 高於奈奎斯特頻率(其是採樣頻率的一半)的信號被"摺疊"進具 有的頻率低於奈奎斯特頻率的頻鐠中。根據激勵頻率16倍的採樣頻 率，第9次諧波將對第7次諧波的採樣傅立葉分量有貢獻。第11次 諧波將對第5次諧波有貢獻，以此類推。
由於解調僅取決於激勵頻率處的傅立葉分量，歸因於混疊的誤 差將來自於該情況中的第15次和第17次諧波周圍的信號頻譜。由 於較高頻率分量具有較低的振幅，如果採樣頻率足夠高，則歸因於 混疊的誤差將非常小。如果激勵電壓是切換的DC電壓，則這是特 別重要，因為該信號具有非常高的頻率含量。
注意，如果使用奇數個採樣計算傅立葉分量，則來自於混疊的 諧波的第一階貢獻將來自於偶次諧波。如果激勵信號是非對稱的， 則激勵和輸出信號將僅包含奇次諧波。那麼，主要貢獻將歸因於第二階混疊，即採樣頻率兩倍附近的諧波。抗混疊濾波器因此可以非 常簡單並且具有高截止頻率，其使得它們在激勵頻率處更穩定。
當在該說明書中使用時，採用術語"包括"以指定所述特徵、 整數、步驟或分量的存在。然而，該術語不排除存在或附加一個或 多個額外的特徵、整數、步驟或分量或者其群組。
權利要求
1. 一種方法，用於解調來自於由具有激勵頻率的交替激勵信號(u(t))驅動的換能器(1)的輸出信號，所述換能器產生包含待測量的量的振幅調製輸出信號(y(t))，所述方法包括-接收所述激勵頻率的至少一個周期上的來自所述換能器的所述輸出信號的採樣值以及所述激勵信號的採樣值，-基於來自於所述換能器的所述輸出信號的所述採樣值計算包括關於所述激勵頻率處的所述輸出信號的振幅和相位的信息的第一復值量(Y)，-基於所述激勵信號的所述採樣值計算包括關於所述激勵頻率處的所述激勵信號的振幅和相位的信息的第二復值量(U，I)，-形成所述第一和第二復值量之間的復值輸出商，以及-基於所述輸出商計算所述解調的輸出信號(Od)。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中所述解調的輸出信號的計 算包括取所述輸出商的實部。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中所述解調的輸出信號的計 算包括形成所述輸出商的實部和虛部的非線性組合。
4. 根據前述任一權利要求所述的方法，其中所述第一量的計算 包括將所述輸出信號的採樣值與在所述激勵頻率處振蕩的正弦(w,(t))相乘，並且在所述激勵信號的至少一個周期上將所得的積 相加，從而形成所述第一量的實部，以及將所述輸出信號的採樣值 與相對於所述第一正弦以約兀/2相位角移位的、在所述激勵頻率處振 蕩的另一正弦(w2(t))相乘，並且在所述激勵信號的至少一個周期 上將所得的積相加，從而形成所述第 一 量的虛部。
5. 根據前述任一權利要求所述的方法，其中所述第二量的計算(w,(t))相乘，並且在所述激勵信號的至少一個周期上將所得的積 相加，從而形成所述第二量的實部，以及將所述激勵信號的採樣值與相對於所述第 一 正弦以約兀/2相位角移位的、在所述激勵頻率處振 蕩的另一正弦(w2(t))相乘，並且在所述激勵信號的至少一個周期 上將所得的積相加，從而形成所述第二量的虛部。
6. 根據權利要求1-3中任一所述的方法，其中所述第一量(？) 的計算包括計算所述輸出信號的採樣值的傅立葉變換，並且基於所 述傅立葉變換提取對應於所述激勵頻率的係數，並且所述第二量(5,7 )的計算包括計算所述激勵信號的採樣值的傅立葉變換，並且 基於所述傅立葉變換提取對應於所述激勵頻率的係數。
7. 根據前述任一權利要求所述的方法，其中所述激勵信號的所 述採樣值包括表示激勵信號的電流的第 一 系列採樣值以及表示激勵 信號的電壓的第二系列採樣值，並且所述方法包括-基於所述系列採樣值中的一個計算所述第二復值量(5)， -基於所述系列採樣值中的另 一個計算包括關於所述激勵電流的 振幅和相位的信息的第三復值量(7 ) , _ -形成所述第二和第三復值量之間的復值商(￡),-基於所述復值商計算所述換能器的阻抗(5)，以及 -基於計算的阻抗執行溫度補償。
8. —種設備，用於解調來自於由具有激勵頻率的交替激勵信號 驅動的換能器(1)的輸出信號，所述換能器產生包含待測量的量的 振幅調製輸出信號(y(t)),所述設備包括-採樣單元(5， 6， 7),適於對來自於所述換能器的所述輸出信 號和來自於激勵單元的輸出信號在所述激勵頻率的至少一個周期上 進行採樣，以及-計算單元(8)，適於基於來自於所述換能器的所述輸出信號的採樣值計算包括關於 所述激勵頻率處的所述輸出信號的振幅和相位的信息的第 一 復值量 (",基於所述激勵信號的採樣值計算包括關於所述激勵頻率處的所 述激勵信號的振幅和相位的信息的第二復值量(5,7),形成所述第一和第二復值量之間的復值輸出商，以及 基於所述輸出商計算所述解調的輸出信號(Orf)。
9. 根據權利要求8所述的設備，其中所述計算單元(8)適於取 所述輸出商的實部並且適於基於所述實部計算所述解調的輸出信號。
10. 根據權利要求8或9所述的設備，其中所述計算單元(8) 適於形成所述輸出商的實部和虛部的非線性組合併且適於基於所述 非線性組合計算所述解調的輸出信號。
11. 根據權利要求8-10中任一所述的設備，其中所述計算單元 (8)適於通過以下步驟計算所述第一量(？)將所述輸出信號的採樣值與來自在所述激勵頻率處振蕩的正弦的存儲的值相乘，並且 在所述激勵信號的至少一個周期上將所得的積相加，從而形成所述 第 一 量的實部，以及將所述輸出信號的採樣值與來自相對於所述第 一正弦以約兀/2相位角移位的、在所述激勵頻率處振蕩的另 一 正弦的 存儲的值相乘，並且在所述激勵信號的至少一個周期上將所得的積 相加，從而形成所述第一量的虛部。
12. 根據權利要求8-11中任一所述的設備，其中所述計算單元 (8)適於通過以下步驟計算所述第二量(5,7):將所述激勵信號的採樣值與來自在所述激勵頻率處振蕩的正弦的存儲的值相乘，並 且在所述激勵信號的至少 一 個周期上將所得的積相加，從而形成所 述第二量的實部，以及將所述激勵信號的採樣值與來自相對於所述 第一正弦以約兀/2相位角移位的、在所述激勵頻率處振蕩的另 一正弦 的存儲的值相乘，並且在所述激勵信號的至少 一個周期上將所得的 積相加，從而形成所述第二量的虛部。
13. 根據權利要求8-10中任一所述的設備，其中所述計算單元 (8)適於通過計算所述輸出信號的採樣值的傅立葉變換、並且基於所述傅立葉變換提取對應於所述激勵頻率的係數來計算所述第二量 (5,7)，以及適於通過計算所述激勵信號的採樣值的傅立葉變換， 並且基於所述傅立葉變換提取對應於所述激勵頻率的係數來計算所述第二量。
14. 根據權利要求8-13中任一所述的設備，其中所述採樣單元 (5, 6, 7)適於產生表示激勵信號的電流的第一系列採樣值以及表示激勵信號的電壓的第二系列採樣值，所述計算單元(8)適於基於 所述系列採樣值中的一個計算所述第二復值量，以及適於基於所述 系列採樣值中的另 一個計算包括關於所述激勵電流的振幅和相位的 信息的第三復值量，以及所述設備進一步包括溫度^_償單元(16), 其適於形成所述第二和第三復值量之間的復值商(S),適於基於所述激勵電壓和所述電流之間的所述復值商計算所述換能器的阻 抗，以及適於基於所述計算的阻抗執行溫度補償。
15. —種可直接加載到計算機內部存儲器中的電腦程式產品， 包括用於執行權利要求1-7中任一所述的步驟。
16. —種具有記錄在其上的程序的計算機可讀介質，其中在所述 程序運行在計算機上時，所述程序將使所述計算機執行權利要求1-7 中任一所述的步驟。
17. —種根據權利要求8-14中任一所述的設備的用途，用於解 調適於測量力、應力或扭矩的換能器。
18. —種根據權利要求8-14中任一所述的設備的用途，用於解 調磁致彈性換能器。
全文摘要
本發明涉及用於解調來自於由具有激勵頻率的交替激勵信號驅動的換能器(1)的輸出信號的方法和設備。該換能器產生振幅調製的輸出信號(y(t))，該信號包含待測量的量。該設備包括適於對來自換能器的輸出信號以及來自激勵單元的輸出信號進行採樣的採樣單元(5，6，7)，以及計算單元(8)，適於基於來自於換能器的輸出信號的採樣值計算第一復值量(Y)，其包括關於激勵頻率處的輸出信號的振幅和相位的信息，基於激勵信號的採樣值計算第二復值量(U，I)，其包括關於激勵頻率處的激勵信號的振幅和相位的信息，形成所述第一和第二復值量之間的復值輸出商，以及基於所述輸出商計算解調的輸出信號(Od)。
文檔編號G01R19/25GK101454678SQ200780019968
公開日2009年6月10日 申請日期2007年5月10日 優先權日2006年6月7日
發明者J·A·尼爾森, J·R·索貝爾 申請人:Abb公司