一種基于電容式傳感器的微弱信號檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及微弱信號檢測方法，具體為一種基于LC振蕩器的微弱信號檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微弱信號檢測技術(shù)就是要研究、觀察、記錄科研和生產(chǎn)中各種物理量的微小變化，解決在噪聲或干擾中檢測有用的微弱信號的問題。許多非電量的微小變化都通過傳感器變成電信號進(jìn)行放大，顯示或記錄。但由于這些微小量的變化通過傳感器轉(zhuǎn)換成的電信號后仍然十分微弱，可能是10 6V，甚至是10 9V或更小，對于這些微弱信號的檢測，噪聲和干擾仍然是主要矛盾。
[0003]作為微弱信號中的微振動信號檢測是精密加工技術(shù)、機(jī)械運動部件實時測量和生物醫(yī)學(xué)脈搏檢測中的重要環(huán)節(jié)。微振動信號檢測的目的是將高噪聲環(huán)境中的微弱機(jī)械振動頻率檢測出來，甚至盡可能將機(jī)械波形線性放大成電壓波形。目前的檢測方法有多種，大致可以分為機(jī)械式檢測方法、光學(xué)式檢測方法和電檢測方法。
[0004]機(jī)械式檢測方法，振動傳感器將工程振動的參量轉(zhuǎn)換成機(jī)械信號，再經(jīng)機(jī)械系統(tǒng)放大后，進(jìn)行測量、記錄，常用的儀器有杠桿式測振儀和蓋格爾測振儀，在現(xiàn)場測試時較為簡單方便，但它能測量的頻率較低，精度也較差，檢測系統(tǒng)體積也比較大。
[0005]光學(xué)式檢測方法，將工程振動的參量轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)放大后顯不和記錄。光學(xué)式檢測法又分為光學(xué)干涉法和光學(xué)非干涉法；干涉測振法是將光束正入射于物體表面，其反射回來的檢測光與參考光相遇形成干涉場，此后再對干涉場進(jìn)行處理便得到所要測量的振動信息。該方法對于振動的測量是非接觸精密測量，干涉測振法具有應(yīng)用范圍廣、重復(fù)性極好，可以對微小振動進(jìn)行高精度測量的優(yōu)點；但是該方法的不利之處在于一方面是由于干涉測振法具有高靈敏性，環(huán)境擾動對其影響非常突出，當(dāng)周圍環(huán)境不理想時，測量將無法進(jìn)行。另一方面是在實際應(yīng)用中很難保證入射光垂直于被測物體表面，以及目標(biāo)物體表面的不平整性，使得由目標(biāo)物返回的檢測光與參考光將不能很好的重合，尤其當(dāng)兩束光偏差太大就不能形成干涉，這將使測量無法進(jìn)行?？偟膩碚f，光學(xué)式檢測法精度高，非接觸，但是系統(tǒng)復(fù)雜，檢測成本高。
[0006]電檢測方法是將工程中振動參量轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過電子線路放大后顯示和記錄。電檢測法的要點在于先將機(jī)械振動量轉(zhuǎn)換為電參量，如電動勢、電荷、電容等；然后再對電參量進(jìn)行檢測，從而得到所要的機(jī)械量。電檢測系統(tǒng)由拾振傳感器、測量電路、信號分心電路組成；電檢測方法電路方案簡單，精度高，可集成。本發(fā)明是基于電檢測方法中電容參量的檢測方法。
[0007]電容式傳感器是把位移、壓力等機(jī)械量轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。它的簡化模型就是一個具有可變參數(shù)的平板電容器，極間以空氣為介質(zhì)。若忽略邊緣效應(yīng)，平板電容器的電容為eS/d，式中ε為極間介質(zhì)的介電常數(shù)，S為兩極板互相覆蓋的有效面積，d為兩電極之間的距離，d、S、ε三個參數(shù)中任一個的變化都將引起電容量變化，并可用于測量；因此電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質(zhì)變化型三類，極距變化型一般用來測量微小的線位移或由于力、壓力、振動等引起的極距變化，面積變化型一般用于測量角位移或較大的線位移，介質(zhì)變化型常用于物位測量和各種介質(zhì)的溫度、密度、濕度的測定。電容式傳感器阻抗高、功率小，因此所需的輸入力很小，輸如能量很低，特別適合用來解決輸入能量低的測量問題，例如測量極低的壓力和很小的加速度、位移等，能感受0.001 μ m甚至更小的位移。動態(tài)響應(yīng)好，由于極板間的靜電引力很小，可動部分做得很小很薄，因此其固有頻率很高，動態(tài)響應(yīng)時間短，能在幾兆赫的頻率下工作，特別適合動態(tài)測量，如測量振動、瞬時壓力等。
[0008]目前，基于電容式傳感器的振動信號的檢測方法為RC串聯(lián)回路充放電法，然而此方法只能檢測以差分形式輸出的電容傳感器，而且檢測電路復(fù)雜，信號的算法也復(fù)雜，傳感器與電路集成性差?；诖耍景l(fā)明提供一種基于電容式傳感器的微弱信號檢測方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有檢測方法檢測電路復(fù)雜、信號算法復(fù)雜及傳感器與電路集成差的缺點提供一種基于電容式傳感器的微弱信號檢測方法，本發(fā)明采用技術(shù)方案為:
[0010]一種基于電容式傳感器的微弱信號檢測方法，包括以下步驟:
[0011]步驟1.將電容式傳感器與諧振電感組成一個LC振蕩器，電容式傳感器接受到機(jī)械振動時，電容隨機(jī)械振動位移線性變化，從而使LC振蕩器振蕩頻率隨機(jī)械振動位移變化，實現(xiàn)頻率調(diào)制，輸出調(diào)頻信號；
[0012]步驟2.采用頻率解調(diào)電路將LC振蕩器輸出調(diào)頻信號恢復(fù)出振動波形，即微振動信號。
[0013]進(jìn)一步的，所述LC振蕩器由電容式傳感器、諧振電感、振蕩供能和放大電路組成；電容式傳感器與諧振電感產(chǎn)生諧振，振蕩供能由三極管供能電路供給，放大電路將振蕩信號幅值放大后用于后級信號處理。
[0014]所述頻率解調(diào)電路為相位鑒頻電路。
[0015]需要說明的是，本發(fā)明LC振蕩器頻率調(diào)制后的調(diào)頻信號為高頻信號，經(jīng)過功率放大后，能夠以無線的形式發(fā)送至遠(yuǎn)方，以便于無線接收再解調(diào)，實現(xiàn)機(jī)械振動信號的無線采集。同時，由于機(jī)械振動只能影響LC振蕩器的振蕩頻率，調(diào)頻信號的電壓幅值由振蕩器電路的工作狀態(tài)決定，因此調(diào)頻信號能夠直接由振蕩器設(shè)置為幅值適合的信號，從而避免了信號在后續(xù)放大解調(diào)中引入、放大噪聲，有效提高了信噪比。
[0016]綜上，本發(fā)明提供一種基于電容式傳感器的微弱信號檢測方法，該方法適合于單端輸出的電容式傳感器，檢測電容范圍寬、檢測電路簡單、傳感器與檢測電路集成度高、并且能夠?qū)崿F(xiàn)微弱信號的無線采集。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明基于電容式傳感器的微弱信號檢測方法的示意圖。
[0018]圖2為實施例中LC振蕩器電路圖。
[0019]圖3為實施例中相位鑒頻電路電路圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0021]本實施例中，基于電容式傳感器的微弱信號檢測方法，其示意圖如圖1所示，其中，虛線框內(nèi)為LC振蕩器，由諧振電容C、諧振電感L、振蕩供能與放大電路組成，其具體電路如圖2所示，諧振電容C為極距變化型電容式傳感器電容；由于電容式傳感器存在固有電容，電路上電后，LC振蕩器產(chǎn)生一固定的振蕩頻率(通信中稱之為載波頻率)；在電容式傳感器接受到外界機(jī)械振動時，電容隨著機(jī)械振動位移變化，從而振蕩頻率隨著機(jī)械振動變化，此振動波形在通信中稱之為調(diào)頻信號；即實現(xiàn)LC振蕩器頻率調(diào)制，實現(xiàn)微振動信號到振蕩頻率的轉(zhuǎn)換；
[0022]LC振蕩器輸出該調(diào)頻信號，由相位鑒頻電路線性的恢復(fù)出原機(jī)械振蕩波形。若將LC振蕩器電容C固有電容設(shè)置小一些，則LC固有振蕩頻率將更高，即載波頻率更高；將調(diào)制在高頻的信號進(jìn)行功率放大，加上天線發(fā)射電路，則振蕩波形將被無線發(fā)射出去；無線接收電路接收無線信號并放大，經(jīng)過相位鑒頻電路同樣能夠線性的恢復(fù)出原機(jī)械振蕩波形，實現(xiàn)微振動信號的無線采集。所述的相位鑒頻電路電路圖如圖3所示。
[0023]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，本說明書中所公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換；所公開的所有特征、或所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。
【主權(quán)項】
1.一種基于電容式傳感器的微弱信號檢測方法，包括以下步驟: 步驟1.將電容式傳感器與諧振電感組成一個LC振蕩器，電容式傳感器接受到振動時，電容隨振動位移線性變化，從而使LC振蕩器振蕩頻率隨振動位移變化，實現(xiàn)頻率調(diào)制，輸出調(diào)頻信號； 步驟2.采用頻率解調(diào)電路將LC振蕩器輸出調(diào)頻信號恢復(fù)出振動波形。2.按權(quán)利要求1所述基于電容式傳感器的微弱信號檢測方法，其特征在于，所述LC振蕩器由電容式傳感器、諧振電感、振蕩供能和放大電路組成；電容式傳感器與諧振電感產(chǎn)生諧振，振蕩供能由三極管供能電路供給，放大電路將振蕩信號幅值放大后用于后級信號處理。3.按權(quán)利要求1所述基于電容式傳感器的微弱信號檢測方法，其特征在于，所述頻率解調(diào)電路為相位鑒頻電路。
【專利摘要】本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及微弱信號檢測方法，提供為一種基于電容式傳感器的微弱信號檢測方法，用于克服現(xiàn)有檢測方法檢測電路復(fù)雜、信號算法復(fù)雜及傳感器與電路集成差的缺點。本發(fā)明基于電容式傳感器的微弱信號檢測方法，首先將電容式傳感器與諧振電感組成一個LC振蕩器，電容式傳感器接受到振動時，電容隨振動位移線性變化，從而使LC振蕩器振蕩頻率隨振動位移變化，實現(xiàn)頻率調(diào)制，輸出調(diào)頻信號；然后采用頻率解調(diào)電路將LC振蕩器輸出調(diào)頻信號恢復(fù)出振動波形。本發(fā)明適合于單端輸出的電容式傳感器，檢測電容范圍寬、檢測電路簡單、傳感器與檢測電路集成度高、并且能夠?qū)崿F(xiàn)微振動信號的無線采集。
【IPC分類】G01H11/06
【公開號】CN105352584
【申請?zhí)枴緾N201510819127
【發(fā)明人】張有潤, 龔宏國, 郭飛, 張波
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年11月23日