专利名称：用锁相放大器对动平衡机微弱信号检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及动平衡技术、微弱信号检测技术，具体地说是一种用锁相放大器对动平衡机微弱信号检测装置。
背景技术：
动平衡机是用于测定转子不平衡量的设备，并按其测量结果对转子进行校正，以改善转子的质量分布，使转子转动时的振动或作用于轴承的力减少到允许使用范围内。在动平衡机的结构中，锁相放大器(lock in amplifier, LIA)是进行微弱信号检测的必要仪器之一。目前有模拟LIA和数字LIA两种主要的锁相放大器，其中模拟LIA价格低廉但是有温度漂移，数字LIA精度高但是一般要用数字信号处理器或大规模可编程逻辑电路，成本很高，针对以上情况，一种动平衡机用锁相放大器设计方法及装置的提出就有了重要意义。

实用新型内容针对现有技术中存在的不足之处，本实用新型要解决的技术问题是提供一种低成本、低偏差、高精度的一种用锁相放大器对动平衡机微弱信号检测装置。为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是一种用锁相放大器对动平衡机微弱信号检测方法的实现装置，包括信号处理电路、微处理器电路、模拟开关电路、无源低通滤波电路、校准/测量开关和数据传输电路；所述信号处理电路接收动平衡机输出的微弱信号，并将该信号进行正反两个方向放大，所述信号处理电路同时将参考信号SMf放大并整形成方波信号作为斩波的开关；所述微处理器电路接收来自信号处理电路的方波信号，以该信号为基准微处理器电路对模拟开关的时机进行调整；所述模拟开关接收来自微处理器电路的开关信号，所述模拟开关选择正向信号或反向信号输出；所述无源低通滤波电路接收模拟开关输出信号，将模拟开关的输出信号进行低通滤波，除去该输出信号中的高频分量；所述校准/测量开关接收模拟开关的信号，进行选通校准或测量；所述数据传输电路将校准/测量开关的输出信号通过USB接口传输到PC机。所述微处理器电路的控制流程为系统上电后，检测校准/测量开关判断是校准，还是测量；如果为校准，则判断是否进行模数转换；如果为否，则校准完成；如果为是，则进行相位调整和校准，校准完成；校准完成后进行测量；如果为测量，则判断是否进行模数转换；如果为否，则测量完成；如果为是，则进行测量和数据传输，最后测量完成；将测量结果输出到PC机。用锁相放大器对动平衡机微弱信号检测的方法，工作原理为(1)，设参考信号为= a*COs( t)，待测信号为Sm+ ，那么两个信号的乘积为Smult = Sr4 * Sin 二 -0.5 * a * b * (cos(2cot) + (cos(9))；O)，利用无源低通滤波器滤除2οη及更高频率的信号，且假设滤波器具有理想的频率响应，得&κ =-0.5*&*1)*((;ο3(φ)，^ s。ut为只受cos(cp)调制的信号，通过调整参考
信号和待测信号之间的相位差使φ = 0，可以得到最大的输出S。ut max = -0. 5*a*b ；测量过程为第一步，对Sin信号进行斩波调制，即利用模拟开关将Sin进行正反两个方向斩波， 所述斩波的开关由信号经整形提供；第二步，再将第一步中斩波调制的输出信号进行低通滤波，得到锁相放大器的输出s。ut，微处理器利用模数转换模块采集该输出，并通过传输接口将测量值传输给PC机。该方法，还包括校准过程为将进行放大接入模拟比较器，作为微处理器的中断输入，然后利用定时器对该信号进行移向输出作为模拟开关的开关信号，然后模数转换器不断采集锁相放大器的输出 Sout,在某一时刻，该输出为最大，校准结束，微处理器记录该时刻的相移，并将其作为本次测量的标准，校准工作结束。本实用新型具有以下有益效果及优点1.低成本；本实用新型利用高速的模拟开关和廉价的微处理器配合使用，避免了昂贵的数字信号处理器和大规模逻辑电路，从而降低了成本。2.低偏差；本实用新型使用了高精度模数转换器进行相位校准，降低了锁定偏差。3.高精度；本实用新型利用数字技术控制模拟开关的开关时机，从而控制源信号和参考信号的相位差，提高控制精度。

图1为本实用新型装置工作原理示意图；图2为本实用新型装置测量原理示意图；图3为本实用新型装置校准原理示意图；图如为本实用新型输入端口连有模拟开关和校准/测量开关、输出端口连有数据传输电路的微处理器电路原理图；图4b为本实用新型被测信号处理电路原理图；图如为本实用新型参考信号处理电路原理图；图4d为本实用新型低通滤波电路原理图；图5为本实用新型装置控制流程示意图。
具体实施方式
如图1、2所示，一种用锁相放大器对动平衡机微弱信号检测的方法，工作原理为(1)，设参考信号为Sref = a*cos ( ω t)，待测信号为Sin = b * cos(Mt + φ)，那么两个信号的乘积为Smult 二 Sref * Sin =-0.5 * a * b * (cos(2o>t) + (eos(9))；(2)，利用无源低通滤波器滤除2 ω t及更高频率的信号，且假设滤波器具有理想的频率响应，得Sout =-0.5(COS(Cp)，邵S。ut为只受cos((p)调制的信号，通过调整参考
信号和待测信号之间的相位差使Φ二0，可以得到最大的输出S。ut max = -0. 5*a*b ；测量过程为第一步，对Sin信号进行斩波调制，即利用模拟开关将Sin进行正反两个方向斩波， 所述斩波的开关由信号经整形提供；第二步，再将第一步中斩波调制的输出信号进行低通滤波，得到锁相放大器的输出s。ut，微处理器利用模数转换模块采集该输出，并通过传输接口将测量值传输给PC机。如图3所示，本实用新型还包括校准过程为将进行放大接入模拟比较器，作为微处理器的中断输入，然后利用定时器对该信号进行移向输出作为模拟开关的开关信号，然后模数转换器不断采集锁相放大器的输出S。ut，在某一时刻，该输出为最大，校准结束，微处理器记录该时刻的相移，并将其作为本次测量的标准，校准工作结束。如图4a_4d所示，本实用新型的实现装置包括信号处理电路、微处理器电路、模拟开关电路、无源低通滤波电路、校准/测量开关和数据传输电路；所述信号处理电路接收动平衡机输出的微弱信号，并将该信号进行正反两个方向放大，所述信号处理电路同时将参考信号放大并整形成方波信号作为斩波的开关；所述微处理器电路接收来自信号处理电路的方波信号，以该信号为基准微处理器电路对模拟开关的时机进行调整；所述模拟开关接收来自微处理器电路的开关信号，所述模拟开关选择正向信号或反向信号输出；所述无源低通滤波电路接收模拟开关输出信号，将模拟开关的输出信号进行低通滤波，除去该输出信号中的高频分量；所述校准/测量开关接收模拟开关的信号，进行选通校准或测量；所述数据传输电路将校准/测量开关的输出信号通过USB接口传输到PC机。如图5所示，本实用新型实现装置中，所述微处理器电路的控制流程为系统上电后，检测校准/测量开关判断是校准，还是测量；如果为校准，则判断是否进行模数转换；如果为否，则校准完成；如果为是，则进行相位调整和校准，校准完成；校准完成后进行测量；如果为测量，则判断是否进行模数转换；如果为否，则测量完成；如果为是，则进行测量和数据传输，最后测量完成；最后通过USB将测量结果传送到PC机直到完成测量。
权利要求1. 一种用锁相放大器对动平衡机微弱信号检测装置，其特征在于 包括信号处理电路、微处理器电路、模拟开关电路、无源低通滤波电路、校准/测量开关和数据传输电路；所述信号处理电路接收动平衡机输出的微弱信号，并将该信号进行正反两个方向放大，所述信号处理电路同时将参考信号Sm放大并整形成方波信号作为斩波的开关；所述微处理器电路接收来自信号处理电路的方波信号，以该信号为基准微处理器电路对模拟开关的时机进行调整；所述模拟开关接收来自微处理器电路的开关信号，所述模拟开关选择正向信号或反向信号输出；所述无源低通滤波电路接收模拟开关输出信号，将模拟开关的输出信号进行低通滤波，除去该输出信号中的高频分量；所述校准/测量开关接收模拟开关的信号，进行选通校准或测量；所述数据传输电路将校准/测量开关的输出信号通过USB接口传输到PC机。
专利摘要本实用新型公开一种用锁相放大器对动平衡机微弱信号检测方法的实现装置，包括信号处理电路、微处理器电路、模拟开关电路、无源低通滤波电路、校准/测量开关和数据传输电路；所述信号处理电路接收动平衡机输出的微弱信号，并将该信号进行正反两个方向放大；同时将参考信号Sref放大整形成方波信号作为斩波的开关；所述微处理器电路接收来自信号处理电路的方波信号，并对模拟开关的时机进行调整；所述无源低通滤波电路接收模拟开关输出信号；所述数据传输电路将校准/测量开关的输出信号通过USB接口传输至PC机。本实用新型具有成本低的优点，且检测精度高，偏差低。
文档编号G01M1/38GK201983903SQ20102058287
公开日2011年9月21日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者佟新鑫, 刘晓安, 朱丹, 王恩德, 王旭 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所