基于虚拟数字锁相放大的微弱电阻测量

小阻值的接插件广泛应用于各类精密电路中,具有重要的意义.精密插座和开关通流电流小、电阻低,测量时掺入了噪声,使得微弱的有用信号淹没在噪声中.为获取有用信号,该设计针对微弱接触电阻,以NI PCI-4462高精度数据采集板卡为硬件平台,进行高速数据同步采集;以LabVIEW为软件平台,设计了基于高频激励高速采样的虚拟数字锁相放大算法.文中对算法开展微弱信号分析,在小型拨动开关的阻值测量中得到了初步应用.     

化学实验室中的噪声与微弱信号检测

在信号检测中不可避免地存在噪声,被测信号往往是被噪声搞得很模糊的微弱信号,因此,噪声的抑制对微弱信号检测有着重要意义.例如在红外和紫外光谱仪、核磁共振、电子顺磁共振、俄歇电子谱仪、质谱仪、光声光谱仪、光电子能谱仪等表面分析仪器中都需要利用锁定放大和取样平均等微弱信号检测技术.在电化学测量、气(液)相色谱、荧光分析等测量中微弱信号检测技术也不可缺少.下面仅以电化学为例说明微弱信号检测技术的应用.     

微弱信号选频放大电路的研制

为提高弱信号检测中的信噪比,常采用选频放大电路放大微弱信号,然后利用自相关检测技术只提取所需信号,抑制噪声干扰信号.介绍了无限增益选频放大电路的研制技巧:第一级选频放大电路必须选择低噪声运算放大器,当使用超低噪声的运放时,电阻的热噪声是主要噪声源,串联在输入端的电阻其阻值应比较小.各级选频放大电路都必须选用温度系数小的电阻和电容,其中电容对频率的稳定性影响更大.在PCB布线时采用一点接地方法,避免后级电路通过电源和地线反馈至前级电路引起自激.研究表明,当选频放大电路输入端短路时,末级输出噪声超过30mVpp,就比较容易出现自激振荡.这可以作为确定选频放大电路极限放大倍数的依据.     

基于AD620的微弱信号放大器设计

为了解决微弱信号放大电路中零点漂移、放大失真等缺陷,设计了一种基于AD620的高精度微弱信号放大器.该放大器是以仪表放大器AD620为核心,辅以电压跟随器和二阶低通滤波电路,来滤除电路中的噪声信号提高放大精度,利用零点漂移电路来调整电路输出零点,保证传感器未动作时,电路输出的放大电压为零.实际测试结果表明,该电压放大器...     

微弱光强信号采样电路设计

微弱光信号检测电路应用在许多精密测量仪器中。针对微弱光强信号放大采样问题,分析了传统光电检测电路存在的不足,采用S2387系列光电二极管,结合多级放大电路与T型反馈电阻网络,设计了一种放大倍率可编程的微弱光强信号采样电路。基于对实验数据的分析,通过对前后级放大倍数的合理分配,该电路兼顾了提高响应速度与降低噪声的要求,简洁可靠,适合于光强和波长变化范围大的微弱荧光、散射光和反射光检测。     

电磁超声接收系统的设计与实现

提出了一种由正交矢量锁相发大器为核心构成的电磁超声接收系统,该系统针对电磁超声换能器(EMAT)换能效率低,噪声干扰大的现状,以及锁相放大在提取噪声中微弱信号方面的优异性能,采用模拟与数字相结合的方式完成整个接收系统的设计.在该方案中,整个接收电路围绕由平衡调制解调器AD630构成的相敏检波器(PLD)展开,分别设计了信号通道、参考信道和相关器电路,并给出了相关的电路设计图.最后通过实验对比验证,证明该系统可以从噪声中提取出微弱的检测信号,且消噪效果明显,提高了信噪比.     

基于电磁超声的火车车轮裂纹检测系统

介绍了一种基于电磁超声波技术的火车车轮表面裂纹自动检测系统的设计方法.分析了电磁超声波的产生机理,设计了电磁超声表面波换能器（Electro-magnetic acoustic transducer）,实现了电磁超声波信号的发射与接收.利用锁相放大技术处理微弱的裂纹回波信号,提高了系统的抗干扰能力,降低了系统的等效噪声带宽.并设计了基于PCI总线的高速数据采集卡,利用专用接口芯片PCI9030设计接口电路,将数据传送到上位机.实际测试结果表明、系统性能稳定,满足技术指标要求.     

光声光谱信号的检测与处理

针对微型光声光谱气体检测实验中背景噪声严重,微音器信号无法被准确提取的问题,借助计算机及其声卡设计了PAS传感器信号检测系统.首先,分析实验中锁相放大技术的基本原理,提出利用虚拟仪器技术实现光声信号检测的方法;通过分析实验中可虚拟化的仪器原理,最终利用LabVIEW开发出自动检测系统,实现了硬件仪器软件化,有效减少实验中硬件噪声源的存在,采样频率192 kHz,采样位数24 Bit,存储深度极大.结果与结论:结果表明它能从5 mV的噪声中提取0.1 mV的光声信号,误差为0.9%,能够很好的应用于光声试验中,满足稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等实验要求.     

利用信号相关性抑制光纤陀螺强度噪声

提出了一种利用陀螺干涉信号和耦合器空闲端信号相关性估计光源强度噪声抑制效果的方法,并在现场可编程门阵列(FPGA)中进行了实时估计.根据估计结果,判决是否进行强度噪声相减,以提高光纤陀螺强度噪声抑制方法的可靠性.理论分析表明,强度噪声抑制效果与信号相关性直接相关.利用该方法,对某高精度干涉型光纤陀螺进行了实验.结果表明,当陀螺干涉信号和耦合器空闲端信号互相关系数为0.91时,干涉信号噪声方差降低至17.16％,然而,当上述互相关系数为0.28时,噪声相减法反而使干涉信号噪声方差增大至143.18％,由此验证了理论分析结果.利用该方法可以在线检测陀螺干涉信号和耦合器空闲端信号的相关性,进而避免噪声相减法中当陀螺干涉信号和耦合器空闲端信号相关性较差时,光纤陀螺噪声不降反升的情况,提高了强度噪声相减法的可靠性.     

感应类微弱信号放大电路设计

针对电缆感应类测井仪器电磁波测量信号动态量级大,低频长源距信号微弱,实时内零内刻,多通道切换等要求,设计了以单片机为核心的低噪声放大及采集电路,针对不同频率、不同幅度的原始测量信号和刻度信号进行高精度采样测量,针对短期噪声信号进行实时刻度量化,并针高动态范围信号刻度设计了分压刻度电路,满足实际设计需求,经实井测试,取得合格测井解释资料。     

Design of a Weak Signal Detecting Circuit in the Infrared Spectrum Absorbed Type Gas Sensor

In the infrared spectrum absorbed type gas concentration sensor,voltage signal obtained from the two-channel thermopile infrared detector TPS2534 is very weak.In order to solve this problem,the authors have established the structure of the sensor and designed weak signal detecting circuit of the sensor based on infrared spectrum absorption principle,differential de-noising principle and weak signal detecting principle.The authors have made experiments using CH4 gas.The results show that the circuit can remove noise effectively and detect weak electrical signal obtained from the detector.     

一种适用于旋转载体自动驾驶仪的硅微机械陀螺

介绍了一种适用于旋转载体自动驾驶仪的硅微机械陀螺.该陀螺的特点是陀螺本身不包含驱动结构,利用旋转载体自旋作为驱动,陀螺输出信号中包含旋转载体自旋、偏航和俯仰角速率信息.根据陀螺的结构和工作原理,建立了陀螺的运动学方程.针对陀螺信号的特点,给出了从陀螺信号中同时解调旋转载体自旋、偏航和俯仰的角速率的算法,以及消除旋转载体自旋角速率变化对陀螺标度因数变化的算法.实验证明了解理论分析和算法的可行性.     

电容式微机械陀螺调理电路

电容式微机械陀螺的驱动电压比敏感信号大4个数量级以上,而且敏感电容很小,敏感电容与驱动电容之间的杂散耦合电容往往只比敏感电容小2个数量级,因此产生驱动电压严重干扰敏感信号问题。电容式微陀螺有2个振动自由度,2个振动自由度的机械耦合也严重干扰敏感信号。本文提出一种调理电路方案,该方案利用电容式微陀螺振动的惯性,对其进行不连续驱动,在敏感信号达到最大值时进行积分采样,并且在采样时关闭驱动电压的方法,有效地减少了干扰。在往复运动的固定相位点进行信号采样,也有利于减缓机械耦合干扰,此方法比常规连续波相敏检测的方法的信噪比有了明显的改善。     

基于锁相放大的近红外光谱信号提取电路研究

锁相放大技术(LIA)是提取微弱信号的重要方法之一,广泛应用于近红外光谱测量领域。基于光谱吸收原理设计的甲烷检测系统,利用移相技术,实现了通过调节偏置电压的大小控制测量信号与参考信号之间的相位差,通过平衡调制解调器AD630实现了相敏滤波功能,有效地抑制了干扰,提高了系统的性能。结果表明:LIA相关器输出电压与甲烷气体体积分数呈线性关系,其线性度拟合系数为0.998 5,灵敏度为0.045 7 V/%。     

基于Duffing方程的齿轮故障检测方法研究

提出一种基于修正Duffing方程间歇混沌理论的弱信号检测新方法.在该检测方法中,当输入信号频率与系统激励频率之间存在微小偏差时系统输出为间歇混沌信号,且其频率偏差可由输出混沌信号的统计特性进行估计.数值仿真结果表明这种方法可以准确检测出信噪比很低的微弱正弦信号.最后,利用实验平台采集齿轮振动声信号数据,分别采用频谱分析法和混沌弱信号检测法对实验数据进行检测,结果表明混沌弱信号检测法具有更高的检测精度和更强的抗干扰能力.     

Digital Readout System for Micromachined Gyroscope and Analysis for its Demodulation Algorithm

A new digital readout system for micromachined gyroscope has been proposed to implement flexible parameter adjustment, improve the control performance of gyroscope, and make error compensation. By digitalizing the output of the gyroscope, this system uses a floating-type digital signal processor (DSP) to process the signal demodulation and achieve the feedback control of the gyroscope. Therefore, the small change of capacitance in the micromachined gyroscope can be detected. A new demodulation algorithm of least mean square demodulation (LMSD) has been developed inside DSP. Simulation and measurement results show that LMSD can improve 29% of the noise performance compared with the typical multiplication method. In air pressure, a kind of vibration-wheel micromachined gyroscope has achieved a noise level of 0.0073 deg s⁻¹·Hz^−1/2 over the 100-Hz bandwidth by using this digital readout technology. Translated from J. Tsinghua Univ. (Sci. Tech.), 2004, 44(5) (in Chinese)     

温度对无驱动结构硅微机械陀螺信号相位差的影响

在旋转载体用硅微机械陀螺的信号解调中,陀螺与加速度计信号的相位差起到至关重要的作用,必须考虑温度对陀螺与加速度计信号相位差的影响,以及温度对陀螺输出的影响.通过测试加速度计温度特性及陀螺温度特性,并将二者进行比较,研究了温度对陀螺与加速度信号的相位差的影响,证实温度对陀螺输出影响很小,温度对硅微机械陀螺的信号相位差影响很小.     

基于压缩感知理论的MEMS陀螺仪信号降噪研究

通过分析传统小波阈值滤波的局限性,将基于压缩感知的小波滤波方法应用于低精度MEMS(micro electro mechanicalsystem)陀螺仪信号降噪中,并与小波阈值滤波方法进行了实验对比,实验结果表明:基于压缩感知的小波滤波方法可以有效地去除MEMS陀螺仪输出信号中的噪声,并且在压缩比较大时基于压缩感知的滤波方法去噪效果优于小波阈值滤波方法,改善了低精度MEMS陀螺仪零偏稳定性,为工程中解决低精度MEMS陀螺仪降噪问题提供了新思路。     

基于符号序列信息熵混沌特性的微弱信号检测

利用混沌振子系统的初值敏感性和对噪声免疫的特点检测微弱信号,具有高灵敏度和很好的抗噪性能,其检测的关键在于对混沌振子系统所处状态的识别.针对Duffing振子系统在信号检测领域中的应用,提出了一种基于符号序列信息熵混沌特性的微弱信号检测方法.该方法利用时间序列符号化来捕捉Duffing振子系统时域输出的大尺度特征,应用Shannon信息熵定量计算时间序列中蕴藏的确定性和随机性规律,达到自动识别特定微弱信号的目的.给出了该方法的原理和相应检测程序流程图.实验结果表明,利用该方法可以准确快速地检测出微弱信号,为混沌检测研究的实用化提供了一种有效途径.     

基于最小分辨率的MEMS陀螺漂移抑制方法研究

针对油气井MEMS陀螺定向测斜仪存在的漂移大,精度较低的问题,本文从实际工程应用角度出发,在研究MEMS陀螺仪输出信号漂移特性的基础上,提出了基于最小分辨率的MEMS陀螺漂移抑制方法,利用输出采样的差分值,从MEMS陀螺输出中将传感信号和漂移信号分离,同时通过静态测点对漂移进行估计.实验表明,该方法大幅提高了仪器测量精度,使定向精度提高50％以上,同时该方法为其它类似传感器漂移抑制提供了一种有益的参考.