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CN111060229A - 一种信号处理方法及装置 - Google Patents

一种信号处理方法及装置 Download PDF

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CN111060229A
CN111060229A CN201911378078.6A CN201911378078A CN111060229A CN 111060229 A CN111060229 A CN 111060229A CN 201911378078 A CN201911378078 A CN 201911378078A CN 111060229 A CN111060229 A CN 111060229A
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CN
China
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signal
frequency
amplitude modulation
signal processing
piezomagnetic sensor
Prior art date
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CN201911378078.6A
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Inventor
陈圣俭
宋钱骞
沈峰
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Beijing Watertek Information Technology Co Ltd
Original Assignee
Beijing Watertek Information Technology Co Ltd
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/16—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in the magnetic properties of material resulting from the application of stress
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Abstract

本申请公开了一种信号处理方法及装置，包括：利用压磁式传感器将外部压力转换为以激励信号为载波、以压磁式传感器受外力压缩周期为调制频率的幅度调制信号；对得到的幅度调制信号进行解调处理，获得外部压力对应的调幅包络信号。本申请巧妙地根据压磁式传感器的工作原理而设计，对基于压磁式传感器的信号实现了简单的检测和处理，具有广泛实用性。

Description

一种信号处理方法及装置
技术领域
本申请涉及但不限于传感器技术，尤指一种信号处理方法及装置。
背景技术
压力传感器有很多种类型，压磁式传感器是其中的一种。
压磁式传感器利用冷轧硅钢片叠加粘结制成，这类传感器的工作原理大致包括：当压磁式传感器受到外力F作用后，材料内部的磁导率会随着宏观应力发生一定规律的改变；通过信号转换将磁导率随外力大小的变化转换为可以简单测量出来的电压信号或电流信号，从而实现对外力F的测量。
压磁式传感器抗干扰能力强，输出功率较大，可以承受较强的过载，在极其恶劣环境中可以长期稳定工作，因此被广泛应用于矿山机械、石化、运输行业(称重)、冶金、液压、道路桥梁、建筑等行业。
发明内容
本申请提供一种信号处理方法及装置，能够对基于压磁式传感器的信号实现简单的检测和处理，具有广泛实用性。
本发明实施例提供了一种信号处理方法，包括：
利用压磁式传感器将外部压力转换为以激励信号为载波、以压磁式传感器受外力压缩周期为调制频率的幅度调制信号；
对得到的幅度调制信号进行解调处理，获得外部压力对应的调幅包络信号。
在一种示例性实例中，所述对得到的幅度调制信号进行解调处理之前，还包括：
对所述幅度调制信号进行放大处理。
在一种示例性实例中，所述激励信号为正弦周期信号。
在一种示例性实例中，所述利用压磁式传感器将外部压力转换为以激励信号为载波、以压磁式传感器受外力压缩周期为调制频率的幅度调制信号，包括：
在所述正弦周期激励信号的作用下，将所述压磁式传感器将接受的所述外部压力转换为同频正弦波，该同频正弦波为以所述正弦周期激励信号为载波、以所述压磁式传感器受外力压缩周期为调制频率的所述幅度调制信号。
在一种示例性实例中，所述对得到的幅度调制信号进行解调处理，包括：
对得到的所述幅度调制信号进行解调获取包括低频调制信号和载波分量的解调信号；
对获得的解调信号进行滤波处理获取低频调制信号，该低频调制信号为所述外部压力的所述调幅包络信号。
在一种示例性实例中，所述方法还包括：
对所述压磁式传感器的输出基准进行调整，以将所述压磁式传感器的初始输出量校正为零。
在一种示例性实例中，所述方法还包括：
对所述调幅包络信号进行精密整流处理，将所述调幅包络信号变换为正电压信号。
本申请还提供一种信号处理装置，包括：信号提取单元、信号处理单元；其中，
信号提取单元，用于利用压磁式传感器将外部压力转换为以激励信号为载波、以压磁式传感器受外力压缩周期为调制频率的幅度调制信号；
信号处理单元，用于对得到的幅度调制信号进行解调处理，获得外部压力对应的调幅包络信号。
在一种示例性实例中，所述信号提取单元包括：压磁式传感器、激励信号发生器；其中，
压磁式传感器，接受外部压力；在激励信号的作用下，将接受的外部压力转换为同频信号波，该同频信号波为以所述激励信号为载波、以所述轧辊旋转周期为调制频率的所述幅度调制信号；
激励信号发生器，用于产生所述激励信号并作为所述压磁式传感器的输入信号。
在一种示例性实例中，所述激励信号为正弦周期信号。
在一种示例性实例中，所述信号处理单元包括：解调模块、滤波模块；其中，
解调模块，用于对得到的所述幅度调制信号进行解调获取包括低频调制信号和载波分量的解调信号；
滤波模块，用于对获得的解调信号进行滤波处理获取低频调制信号，该低频调制信号为所述外部压力的所述调幅包络信号。
在一种示例性实例中，所述信号处理单元还包括：放大模块，用于对得到的所述幅度调制信号进行放大处理。
在一种示例性实例中，所述信号处理单元还包括：校准模块，用于对所述压磁式传感器的输出基准进行调整，以将所述压磁式传感器的初始输出量校正为零。
在一种示例性实例中，所述校准模块为减法运算电路。
在一种示例性实例中，所述信号处理单元还包括：精密整流模块，用于对所述调幅包络信号进行精密整流处理，将所述调幅包络信号变换为正电压信号。
本申请巧妙地根据压磁式传感器的工作原理而设计，对基于压磁式传感器的信号实现了简单的检测和处理，具有广泛实用性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为相关技术中压磁式传感器外形示意图；
图2为相关技术中压磁式传感器等效原理电路图；
图3为相关技术中两个压磁式传感器串联测力电路图；
图4为相关技术中压磁式传感器的安装示意图；
图5为相关技术中压磁式传感器典型应用工况示意图；
图6为图3中压磁式传感器输入输出信号的波形示意图；
图7为本申请信号处理方法的流程示意图；
图8为本申请实现幅度调制信号解调的电路实施例示意图；
图9为本申请典型工况下，外部压力F对应的调幅包络信号的实施例的示意图；
图10为本申请经过精密整流处理后的正电压信号的波形示意图；
图11为本申请信号处理装置的示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1是相关技术中压磁式传感器的外形示意图，如图1中所示的引线是输入端引线、输出端引线，压磁式传感器相当于一个互感器(或称为变压器)，其互感M的大小随着外部压力而变化，物理模型如图2所示，图2为相关技术中压磁式传感器等效原理电路图。当给输入端(也称为原边)引线施加交流激励信号时，其输出端(也称为付边)引线会感应出相应的交流信号u。
根据图2所示互感器的同名端设计的不同，采用两个或者四个压磁式传感器的特定串联连接方式，可以构成一个简单实用的压力测试系统，图3是相关技术中两个压磁式传感器串联测力的电路示意图，如图3所示，显示了两个压磁式传感器(上下各一个)按照同名端相反的方式串联连接后的等效电路，在两个串联传感器的原边施加交流激励信号uin，在传感器付边可以得到输出信号uout。交流激励信号uin与输出信号uout的数学关系描述如下：
当传感器不受外力压缩时，根据两个互感器的同名端标注情况，则有：
Figure BDA0002341554220000051
当其中一个传感器受到外加压力时，则有：
当位于上方的传感器受压，
Figure BDA0002341554220000052
当位于下方的传感器受压，
Figure BDA0002341554220000053
受外力压缩的传感器的付边输出信号会因互感M的改变而变化，相当于在传感器的正常输出量的基础上被叠加了一个与输入信号同频的增量Δu。也就是说，只要检测出Δu的大小即可反推出外力F的大小。
压磁式传感器的一种典型应用工况是应用在轧钢行业中，用来测量轧辊的压力大小。图4为相关技术中压磁式传感器在轧辊中的安装位置示意图，按照轧制钢板的宽度，在轧辊中均匀布置了几十组(比如：一组两个或四个传感器串联)压磁式传感器(如图4中的小黑圆点所示)，用于测量轧辊辊体不同位置所受的压力。图5为相关技术中压磁式传感器典型应用工况示意图，如图5所示，一般情况下，轧辊的转动速度是每秒几转至几十转(一般都小于30转)。
对于图5所示的压磁式传感器典型工况而言，本申请发明人发现：
压磁式传感器受到周期性外加压力F的施加，施加频率一般小于30HZ；外加压力F是一个渐变的过程，由小到大至最大，然后再逐渐由大至小到零；为了简化信号处理，如图3所示，压磁式传感器可以成组使用(两个或四个一组串联)，并配合互感器同名端，使得无外力施加时，整个压磁式传感器组的输出信号为零。
如上文所述，考虑到压磁式传感器的等效电路模型为一个互感器，因此，对压磁式传感器施加的激励信号应为交流信号，这样才能在压磁式传感器输出端得到相应的感应输出信号。交流信号有很多种类型，本申请发明人认为，从信号频谱的角度考虑，由于正弦周期信号的频谱最单纯，因此较优地，本申请中的交流信号可以选择正弦周期信号。而且，正弦周期信号既方便获得，又便于电路滤波等处理，还不容易产生高频干扰，本文中假定正弦周期信号的频率为CW赫兹(Hz)(CW为载波的英文缩写)。
根据对图3的分析可知，在典型工况轧钢测力过程中，压磁式传感器受到了周期性渐变力F的压缩，压磁式传感器不受外力施加时，输出信号为零。外加压力F的作用使得传感器输出信号的形态变成了对正弦周期信号的一个幅度调制，因此，压磁式传感器的输出信号实际上就是一个正弦信号的调幅波。该调幅波的载波频率为CW赫兹，幅度调制信号的频率小于30Hz，波形如图6所示，其中，位于上方的波形显示了载波信号，位于下方的波形显示了压磁式传感器组的输出信号。通过上述分析，本申请发明人认为，只要采用合适的方法，将该调幅波的包络信号提取出来就可以获取外加压力F。
针对压磁式传感器上述典型应用工况，本申请提出一种信号处理方法。需要说明的是，为了描述方便，本文仅以轧钢测力工况为例进行阐述，本申请同样适用于其它工况，如测固定压力场合等等。
调幅信号在无线通信领域是很常见的信号类型，通常无线通信领域的载波信号频率很高(一般几十～几百兆赫兹以上，与发射机和接收机天线尺寸相关)，信号的解调要用到高频振荡器、混频器、检波器等非线性电路元器件。而对于本申请涉及的压磁式传感器典型应用工况，由于压磁式传感器输出信号受压力调制的频率很低(通常小于30hz)，因此，作为这样的压力信号载波的正弦周期信号的频率可以设定在1Khz～10Khz范围之内，图7为本申请信号处理方法的流程图，如图7所示，包括：
步骤700：利用压磁式传感器将外部压力转换为以激励信号为载波、以压磁式传感器受外力压缩周期为调制频率的幅度调制信号。
通过本步骤，将外部压力F所对应的电信号即所述幅度调制信号反映了出来。
在一种示例性实例中，比如对于轧钢测力工况，压磁式传感器受外力压缩周期是轧辊旋转周期。
在一种示例性实例中，激励信号采用正弦周期信号。
在一种示例性实例中，本步骤可以包括：
压磁式传感器接收正弦周期激励信号；
在正弦周期激励信号的作用下，将接受的外部压力转换为同频正弦波，该同频正弦波为以正弦周期激励信号为载波、以压磁式传感器受外力压缩周期(比如：轧辊旋转周期)为调制频率的幅度调制信号。
在一种示例性实例中，可以利用一个具有一定幅度和功率的激励信号发生器如正弦波发生电路为压磁式传感器提供正弦周期激励信号。需要说明的是，根据实际应用场景，激励信号的幅度和功率可以根据压磁式传感器的型号不同而不同。比如：可以是电压在3～5V、电流在30～50mA左右的激励信号。
在一种示例性实例中，具有一定幅度和功率的正弦波发生电路，可以包括：信号发生模块和信号放大模块；其中，
信号发生模块，用于产生正弦周期信号，比如频率为1KHz。
信号放大模块，用于对产生的正弦周期信号进行放大处理，以提高其带负载能力。
在一种示例性实例中，信号发生模块可以采用信号发生芯片如ICL8038等来实现。
在一种示例性实例中，信号放大模块可以采用音频功放芯片如TDA7294等来实现。
本步骤得到的幅度调制信号反映出了压磁式传感器感应出的压力的大小。
在一种示例性实例中，经过分析和实验验证，该正弦周期激励信号的频率可以为如1Khz。压磁式传感器在输入该正弦周期激励信号后，其输出端会感应出同频正弦波，这样，当采用特定连接方式串联成组使用压磁式传感器时，比如图3所示的示例，压磁式传感器组受到周期性压缩时的输出信号波形就会如图6下方的波形所示。
步骤701：对得到的幅度调制信号进行解调处理，获得外部压力对应的调幅包络信号。
通过本步骤，将压力所对应的信号转换成了具有一定幅度与功率的电压输出。
本步骤的核心任务是解调出与压磁式传感器所受外部压力所对应的低频信号，也就是图6下方所示的信号的包络。
在一种示例性实例中，本步骤包括：
对得到的幅度调制信号进行解调获取包括低频调制信号和载波分量的解调信号；
对获得的解调信号进行滤波处理获取低频调制信号。
在一种示例性实例中，可以采用高精度平衡调制/解调器芯片如AD630等来实现对得到的幅度调制信号的解调，获取包括低频调制信号和载波分量的解调信号。
AD630芯片可以实现信号解调、同步检波、相位检测和锁相放大等功能，对所处理的信号频率适用范围从直流到2Mhz不等，精度高。图8为本申请实现幅度调制信号解调的电路实施例示意图，如图8所示，AD630在解调受压力调制的幅度调制信号时，还需要输入与载波信号相关的参考信号，这样才能对调制后的信号进行准确解调，在一种示例中，可以直接将作为压磁式传感器的输入的正弦周期激励信号即载波信号作为参考信号，如图8中AD630芯片的Sel引脚所示，这样经过AD630芯片输出的信号包括低频调制信号(小于30hz)和载波分量(1Khz)；
在一种示例性实例中，对获得的解调信号进行滤波处理获取低频调制信号，包括：
采用低通滤波电路对获得的解调信号进行处理，过滤掉载波分量以得到低频调制信号，该低频调制信号为外部压力F的调幅包络信号，如图9所示，图9为本申请以压磁式传感器典型工况为例的外部压力F对应的调幅包络信号的实施例的示意图。
本申请提供的信号处理方法，巧妙地根据压磁式传感器的工作原理而设计，对基于压磁式传感器的信号实现了简单的检测和处理，具有广泛实用性。
在一种示例性实例中，步骤701之前还包括：对得到的幅度调制信号进行放大处理。
在一种示例性实例中，图8所示的电路实施例示意图中，还可以进一步包括：前置放大电路，用于对得到的幅度调制信号进行放大，如图8所示，本实施例中采用如OP07运放等实现对得到的幅度调制信号的放大。
需要说明的是，在本申请上述描述的基础上，对图8中具体电路的连接是本领域技术人员容易理解的，这里不再赘述。
本申请提供的信号处理方法，巧妙地根据压磁式传感器的工作原理而设计，对基于压磁式传感器的信号实现了简单的检测和处理，具有广泛实用性。
在一种示例性实例中，本申请信号处理方法还包括：
对压磁式传感器的输出基准进行调整，以将压磁式传感器的初始输出量校正为零。
在压磁式传感器安装完成后，在还没有受到外部压力施加的时候，压磁式传感器会受到一个固定预压力(或称为基础压力)的作用而使得压磁式传感器自身的初始输出信号可能不为零，对压磁式传感器的输出基准进行调整就是将压磁式传感器的初始输出量校正为零。
在一种示例性实例中，可以采用校准电路来实现对压磁式传感器所受基础压力的剔除。在一种示例性实例中，校准电路可以为减法运算电路。
在一种示例性实例中，本申请信号处理方法还包括：
对调幅包络信号进行精密整流处理，将调幅包络信号变换为正电压信号。也就是说将图9所示的输出信号波形变换为图10所示的正电压信号，这样便于后续A/D转换等处理。
在一种示例性实例中，可以采用精密整流电路实现将调幅包络信号变换为正电压信号。
图11为本申请信号处理装置的示意图，如图11所示，至少包括：信号提取单元、信号处理单元；其中，
信号提取单元，用于利用压磁式传感器将外部压力转换为以激励信号为载波、以压磁式传感器受外力压缩周期为调制频率的幅度调制信号；
信号处理单元，用于对得到的幅度调制信号进行解调处理，获得外部压力对应的调幅包络信号。
在一种示例性实例中，比如对于轧钢测力工况，压磁式传感器受外力压缩周期是轧辊旋转周期。
在一种示例性实例中，激励信号可以包括如：正弦周期信号等。
在一种示例性实例中，信号提取单元包括：压磁式传感器、激励信号发生器；其中，
压磁式传感器，接受外部压力；在激励信号的作用下，将接受的外部压力转换为同频信号波，该同频信号波为以激励信号为载波、以轧辊旋转周期为调制频率的幅度调制信号；
激励信号发生器，用于产生激励信号并作为压磁式传感器的输入信号。
在一种示例性实例中，激励信号发生器可以为具有一定幅度和功率的正弦波发生电路，此时，激励信号为正弦周期激励信号。
在一种示例性实例中，激励信号发生器可以包括：信号发生模块和信号放大模块(图11中未示出)；其中，
信号发生模块，用于产生正弦周期信号，比如频率为1KHz。
信号放大模块，用于对产生的正弦周期信号进行放大处理，以提高其带负载能力。
在一种示例性实例中，信号发生模块可以采用信号发生芯片如ICL8038等来实现。
在一种示例性实例中，信号放大模块可以采用音频功放芯片如TDA7294等来实现。
在一种示例性实例中，信号处理单元包括：解调模块、滤波模块；其中，
解调模块，用于对得到的幅度调制信号进行解调获取包括低频调制信号和载波分量的解调信号；
滤波模块，用于对获得的解调信号进行滤波处理获取低频调制信号，该低频调制信号为所述外部压力的所述调幅包络信号。
在一种示例性实例中，可以将作为压磁式传感器的输入的激励信号即载波信号作为参考信号。
在一种示例性实例中，可以采用高精度平衡调制/解调器芯片如AD630等来实现对得到的幅度调制信号的解调，获取包括低频调制信号和载波分量的解调信号。
在一种示例性实例中，滤波模块可以为低通滤波电路。
在一种示例性实例中，信号处理单元还包括：放大模块，用于对得到的幅度调制信号进行放大处理。
在一种示例性实例中，放大模块可以采用如OP07运放等实现对得到的幅度调制信号的放大。
在一种示例性实例中，信号处理单元还包括：校准模块，用于对压磁式传感器的输出基准进行调整，以将压磁式传感器的初始输出量校正为零。
在一种示例性实例中，校准电路可以为减法运算电路。
在一种示例性实例中，信号处理单元还包括：精密整流模块，用于对调幅包络信号进行精密整流处理，将调幅包络信号变换为正电压信号。
本申请信号处理装置简单、实用，巧妙地根据压磁式传感器的工作原理而设计，对基于压磁式传感器的信号实现了简单的检测和处理，具有广泛实用性。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (15)

1.一种信号处理方法，包括：
利用压磁式传感器将外部压力转换为以激励信号为载波、以压磁式传感器受外力压缩周期为调制频率的幅度调制信号；
对得到的幅度调制信号进行解调处理，获得外部压力对应的调幅包络信号。
2.根据权利要求1所述的信号处理方法，所述对得到的幅度调制信号进行解调处理之前，还包括：
对所述幅度调制信号进行放大处理。
3.根据权利要求1或2所述的信号处理方法，其中，所述激励信号为正弦周期信号。
4.根据权利要求3所述的信号处理方法，其中，所述利用压磁式传感器将外部压力转换为以激励信号为载波、以压磁式传感器受外力压缩周期为调制频率的幅度调制信号，包括：
在所述正弦周期激励信号的作用下，将所述压磁式传感器将接受的所述外部压力转换为同频正弦波，该同频正弦波为以所述正弦周期激励信号为载波、以所述压磁式传感器受外力压缩周期为调制频率的所述幅度调制信号。
5.根据权利要求1或2所述的信号处理方法，其中，所述对得到的幅度调制信号进行解调处理，包括：
对得到的所述幅度调制信号进行解调获取包括低频调制信号和载波分量的解调信号；
对获得的解调信号进行滤波处理获取低频调制信号，该低频调制信号为所述外部压力的所述调幅包络信号。
6.根据权利要求1或2所述的信号处理方法，所述方法还包括：
对所述压磁式传感器的输出基准进行调整，以将所述压磁式传感器的初始输出量校正为零。
7.根据权利要求1或2所述的信号处理方法，所述方法还包括：
对所述调幅包络信号进行精密整流处理，将所述调幅包络信号变换为正电压信号。
8.一种信号处理装置，包括：信号提取单元、信号处理单元；其中，
信号提取单元，用于利用压磁式传感器将外部压力转换为以激励信号为载波、以压磁式传感器受外力压缩周期为调制频率的幅度调制信号；
信号处理单元，用于对得到的幅度调制信号进行解调处理，获得外部压力对应的调幅包络信号。
9.根据权利要求8所述的信号处理装置，其中，所述信号提取单元包括：压磁式传感器、激励信号发生器；其中，
压磁式传感器，接受外部压力；在激励信号的作用下，将接受的外部压力转换为同频信号波，该同频信号波为以所述激励信号为载波、以所述轧辊旋转周期为调制频率的所述幅度调制信号；
激励信号发生器，用于产生所述激励信号并作为所述压磁式传感器的输入信号。
10.根据权利要求9所述的信号处理装置，所述激励信号为正弦周期信号。
11.根据权利要求8所述的信号处理装置，其中，所述信号处理单元包括：解调模块、滤波模块；其中，
解调模块，用于对得到的所述幅度调制信号进行解调获取包括低频调制信号和载波分量的解调信号；
滤波模块，用于对获得的解调信号进行滤波处理获取低频调制信号，该低频调制信号为所述外部压力的所述调幅包络信号。
12.根据权利要求11所述的信号处理装置，所述信号处理单元还包括：放大模块，用于对得到的所述幅度调制信号进行放大处理。
13.根据权利要求11所述的信号处理装置，所述信号处理单元还包括：校准模块，用于对所述压磁式传感器的输出基准进行调整，以将所述压磁式传感器的初始输出量校正为零。
14.根据权利要求13所述的信号处理装置，所述校准模块为减法运算电路。
15.根据权利要求11所述的信号处理装置，所述信号处理单元还包括：精密整流模块，用于对所述调幅包络信号进行精密整流处理，将所述调幅包络信号变换为正电压信号。
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Citations (6)

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