[发明专利]一种精密测量频率的方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于精密传感器和检测技术领域，具体涉及一种利用机械振动幅度放大装置精密测量振动频率的测量仪。

背景技术

很多机械装置工作时，都会以一定的频率振动，但它的振动幅度却很低，直接用测量传感器进行测量时，由于信号太弱，不便于用传感器进行直接测量，所以机械参量在进入传感器之前，应该对机械参量进行放大处理。

传统的频率测量几乎都是利用处理器的计数器模块对被测量信号的周期进行测量，此方法虽然能达到实时动态检测，并能使整个频率测量过程保持高稳定度、高精度，但是计数器在进行周期测量时，都是用计数器的计数值乘以计数器的时钟周期来获得被信号的周期，当时钟信号的周期大于被测量信号的周期时，就不能对被测信号的频率进行测量，并且利用计数器计时，只能是计数器时钟周期的整数倍。利用A/D转换对被测信号进行采样，再利用直线插补的方法对离散的数字信号进行处理就可以更精确的计算出信号的周期。

专利文献CN101526393B公开了一种测量振动频率的方法和装置，它是将物体振动时散射光的变化通过光导纤维传递给光子计数专用的光电倍增管，将信号转换成电信号输送给光电脉冲计数器，再经后续处理，得到振动频率。该方法虽然实现了频率的非接触式测量，但是也有很多的不足之处：其一，当被测物体的材料为玻璃等透明材料时，入射光线照射到被测物体表面时，入射光会以折射的形式进入另外的介质，不会以反射到与入射光线相同的介质中，这样光探测单元就无法探测被测物体散射后的散射光；其二，散射光在被光探测单元检测到之前，散射光的传播受环境影响很大，比如空气悬浮的小颗粒会使光发生衍射等。

发明内容

本发明针对上述问题,提出一种高分辨率的振动频率测量方法和振动频率测量仪，通过振动测量传感器、FPGA电路和软件细分插补算法，可以在保证测量实时性的前提下实现纳秒级时间的测量，从而实现高精度振动频率的测量。

本发明采用的技术方案是：

本发明用于实现高精度的频率测量的装置包括振动测量传感器、与传感器连接的电容电压转换电路、与电容电压转换电路连接的放大电路、与放大电路连接的滤波电路和与滤波电路连接的信号处理电路。

所述振动测量传感器是由一装有液体和气体的桶体和作为电容传感器的桶盖组成；桶体中的液体为可以传播振动的水，液体之上为气体段，作为振动振幅放大装置，桶盖的顶部是固定导电的金属极板，该金属极板作为电容传感器的定极板，定极板下方是镀有导电金属的薄膜，该薄膜可以随外界的振动而振动。

所述气体段为锥形结构，下端面积大于上端面积，当振动特性通过介质水传播到放大装置下端时，放大装置下端也会随液体以一定的频率和幅度振动，振动特性可以通过气体放大装置传播到放大装置顶部，由于谐振动的振动能量与它的振幅成正相关的关系，所以，根据能量守恒定律，放大装置顶部的振动幅度大于放大装置底部的振动幅度。

本测量仪的信号处理电路包括模数转换器（A/D）、现场可编程门列阵（FPGA）和中央处理单元（CPU）。

所述A/D转换器用于把模拟信号转换为数字信号，并输入FPGA。

所述FPGA电路完成电容电压转换电路输出信号的采样，并把数据存在构造于FPGA内部的存储区内。

所述中央处理单元CPU连接现场可编程门阵列FPGA，控制现场可编程门阵列FPGA发出A/D采样控制命令，在采样完成后，中央处理单元CPU负责从FPGA内读取电压信号的A/D采样数据，通过内置的细分插补算法模块计算出数据起点和终点所对应的时刻，进而确定每一组数据的时间，然后根据时间和频率的关系精确计算出机械振动的频率。

本发明的电容电压转换电路是以集成块CAV424为核心的电路，它可以把电容的变化转化为电压的变化。放大电路采用电压串联负反馈放大电路，它的特点是以电压形式求和、能够稳定输出电压、属于电压控制的电压源。

本发明提出的高精度频率测量方法如下：

将振动传感器的桶体正放置在振动源上，中央处理单元CPU控制现场可编程门阵列FPGA发出A/D采样控制信号，振动测量传感器把机械振动转换为电信号，输出振动信号，放大电路对电容电压转换后的电信号进行放大后，再由滤波电路对电压信号进行滤波，由A/D转换电路对电压信号进行采样，采样数据先存储在构造于FPGA内的存储区内。

采样完成后，中央处理单元CPU首先从FPGA内读取电压信号的A/D采样数据，采用通过细分插补算法模块精确计算出数据起点和终点所对应的时刻，进而精确确定每一组数据的时间。然后根据时间和频率的关系精确计算出机械振动的频率。