一种单路交流信号解算多处位置信息的测量系统及方法与流程

1.本技术涉及计算机技术领域，尤其涉及一种单路交流信号解算多处位置信息的测量系统及方法。


背景技术：

2.在工业生产或科研试验中有时需要对物体的位置进行采集,来实现安全监测或自动化控制等功能。常用的测量方法主要有以下几种：
3.一是利用能量波的传播时间来确定物体的位置，如使用雷达、超声波传感器、红外传感器等传感器采集。其优点是可以实现无接触测量，缺点是方向性差、对待测物体的测量面积有要求、而且系统中同一类的多个传感器不能同时工作，否则会相干扰。
4.二是使用相机对待测物体进行拍照，通过计算机处理后分析其图像特征对位置进行采集。其优点是可以实现无接触测量，缺点是硬件成本和软件研发成本较高，且对使用环境要求高，不适用于多尘、多沙等环境下的测量需求。
5.三是将物体的位移转化为系统中电阻值、电感值、电容值等参数的变化，从而通过传感器输出电压、电流、频率等电信号的变化来解算所测量物体的位置。这种采集方式测量方式灵活、结构简单、抗干扰能力强。较前两种测量方式相比适应工况多，对测量物体和使用环境的要求较少,更为常用且成本较为低廉，在机床加工、检测仪表等行业中得到了广泛的应用。
6.目前对于第三种测量方法，如果采集系统需要同时测量多个物体的位置，通常要为每一个物体的位置传感器的输出配置一个模数转换器的通道进行采集，且若有同时性的要求则对模数转换器的转换时间和采样电平保持时间有很高的要求，否则很难保证多通道数据采集的同时性。系统中需要测量的物体位置越多，所需要的模数转换器通道越多，对电路性能的要求也越高，这就极大的增加了多位置信息采集系统的硬件成本。


技术实现要素：

7.本技术实施例提供一种单路交流信号解算多处位置信息的测量系统及方法，用以解决现有技术中系统中需要测量的物体位置越多，所需要的模数转换器通道越多，对电路性能的要求也越高，导致的极大的增加了多位置信息采集系统的硬件的问题。
8.为解决上述问题，本技术提供如下技术方案：
9.第一方面，本技术实施例提供一种单路交流信号解算多处位置信息的测量系统，包括：
10.频率特征模块，用于将若干个待测物体位置的变换，转换成第一输出信号，所述第一输出信号包括与若干个待测物体位置的变换一一对应的交流电压信号；
11.加法电路模块，用于将所述第一输出信号进行叠加，生成第二输出信号，所述第二输出信号包括单个交流电压信号；
12.采样系统模块，用于将所述第二输出信号转换成数字信号，获得所述第二输出信
号的幅频特性，根据所述幅频特性获得各个待测物体的位置。
13.进一步的，所述频率特征模块包括频率特征电路，所述频率特征电路包括：
14.振荡电路，用于将至少一个待测物体的位置变化转换成第一输出信号；
15.信号处理电路，用于将所述第一输出信号进行滤波和比例运算处理以改善信号质量,滤波处理用于衰减有效工作频段外的信号，比例运算处理将信号幅值调理至合适的水平。
16.进一步的，所述振荡电路包括文氏电桥振荡电路。
17.进一步的，若测量系统中存在多个频率特征电路，则每个频率特征电路的有效工作频段p不存在交集。
18.进一步的，所述加法电路模块采用加法电路，所述加法电路包括至少一个输入端和一个输出端，其中，至少一个输入端用于输入对应个数的频率特征电路输出的交流电压信号，一个输出端用于输出叠加后的交流电压信号。
19.进一步的，所述采样系统包括：
20.数模转换电路，用于将第二输出信号转换为数字信号；
21.计算机系统，用于对第二输出信号转换为数字信号进行傅里叶变换，获得第二输出信号的幅频特性，并根据幅频特性获得各个待测物体的位置。
22.第二方面，本说明书实施例还一种单路交流信号解算多处位置信息的测量方法，用于实现第一方面任一所述系统，包括：
23.获取第一输出信号，所述第一输出信号包括与若干个待测物体位置的变换一一对应的交流电压信号。
24.将所述第一输出信号进行叠加，生成第二输出信号，所述第二输出信号包括单个交流电压信号；
25.将所述第二输出信号转换成数字信号，获得所述第二输出信号的幅频特性，根据所述幅频特性获得各个待测物体的位置。
26.本技术实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：系统通过输出一路模拟信号，就可以同时表示出系统多个物体的位置，且测量电路主要为模拟电路，抗干扰性好；系统中只需要配置一个模数转换器的通道就可以满足采集要求，且对模数转换器的转换时间和采样电平保持时间要求低，实现了低成本；可以实现非接触式测量，可使用于多尘、多沙或高温等恶劣的测量环境。
附图说明
27.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
28.图1为本说明实施例提供的一种单路交流信号解算多处位置信息的测量系统的结构示意图；
29.图2为本说明实施例提供的一种单路交流信号解算多处位置信息的测量系统的电路示意图；
30.图3为本说明实施例提供的一种单路交流信号解算多处位置信息的测量方法流程示意图。
31.图4为本说明实施例提供的频率特征电路中铁棒插入深度与输出信号频率的关系。
具体实施方式
32.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实施例及相应的附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
33.目前，采集系统如果需要同时测量多个物体的位置，通常要为每一个物体的位置传感器的输出配置一个模数转换器的通道进行采集，且若有同时性的要求则对模数转换器的转换时间和采样电平保持时间有很高的要求，否则很难保证多通道数据采集的同时性。系统中需要测量的物体位置越多，所需要的模数转换器通道越多，对电路性能的要求也越高，这就极大的增加了多位置信息采集系统的硬件成本。
34.因此，本技术提供一种单路交流信号解算多处位置信息的测量系统，利用交流电压信号中可以包含多个频率信号信息的特点，通过频率特征电路将待测物体的位置变化转换为输出信号频率的变化，并通过加法电路模块对多个信号进行叠加输出，实现了只采集一路交流信号就能同时测量多个待测物体位置的功能。降低了需要同时测量多处位置系统的硬件成本，并提高了系统采集的同步性。
35.以下结合附图，详细说明本技术各实施例提供的技术方案。
36.本实施例提供一种单路交流信号解算多处位置信息的测量系统，请参阅图1所示，包括：
37.频率特征模块100，用于将若干个待测物体位置的变换，转换成第一输出信号，所述第一输出信号包括与若干个待测物体位置的变换一一对应的交流电压信号；
38.在具体实施中，请参阅图2所示，频率特征模块包括频率特征电路，所述频率特征电路包括：
39.振荡电路101，用于将至少一个待测物体的位置变化转换成第一输出信号；
40.信号处理电路102，用于将所述第一输出信号进行滤波和比例运算处理以改善信号质量,滤波处理用于衰减有效工作频段外的信号，比例运算处理将信号幅值调理至合适的水平。
41.具体的，振荡电路，优选文氏电桥振荡电路，包含至少一个的可变电感，当可变电感变化时，振荡电路输出交流电压信号的频率也随之变化。可变电感可以通过机械结构直接的，或利用导磁材料靠近电感线圈影响电感的自感或互感系数的方式间接的，将电路中的电感值与待测物体的位置变化关联起来。即所述频率特征电路的振荡电路可以将待测物体的位置变化转换为输出信号的频率变化。
42.上述频率特征电路中振荡电路输出交流信号的频率f与待测物体的位置x存在关系f＝f(x)，且设计的振荡电路输出信号的频率f在区间上具有单调性。
43.式中，d为待测物体位置的有效量程、关系f(x)可以通过理论计算或通过实际测量数据拟合。在上述f＝f(x)的关系中，在区间上，称p为频率特征电路的有效工作频段。进一步的，若测量系统中存在多个频率特征电路，则每个频率特征电路的有效工作
频段p不存在交集。
44.频率特征电路中的信号处理电路可以对振荡电路输出交流电压信号进行滤波和比例运算处理以改善信号质量,滤波处理用于衰减有效工作频段外的信号，比例运算处理将信号幅值调理至合适的水平。
45.加法电路模块200，用于将所述第一输出信号进行叠加，生成第二输出信号，所述第二输出信号包括单个交流电压信号；
46.在具体实施中，所述加法电路模块采用加法电路，所述加法电路包括至少一个输入端和一个输出端，其中，至少一个输入端用于输入对应个数的频率特征电路输出的交流电压信号，一个输出端用于输出叠加后的交流电压信号。所述加法电路是由运算放大器组成的同相比例加法电路，用下列表达式表达：
47.uo＝u
i1
u
i2

…
u
in
ꢀꢀꢀ
(1)
48.其中，uo为输出叠加后的交流电压信号，u
in
表示系统中第n个输入频率特征电路输出的交流电压信号。
49.采样系统模块300，用于将所述第二输出信号转换成数字信号，获得所述第二输出信号的幅频特性，根据所述幅频特性获得各个待测物体的位置。
50.在具体实施中，采样系统包括：
51.数模转换电路301，用于将第二输出信号转换为数字信号；
52.计算机系统302，用于对第二输出信号转换为数字信号进行傅里叶变换，获得第二输出信号的幅频特性，并根据幅频特性获得各个待测物体的位置。
53.具体的，adc电路是指模数转换电路，可将模拟信号变为数字信号，adc电路用于对模拟信号量uo进行采样，计算机系统用于对采样结果进行傅里叶变换，可进行分析uo信号频谱特征等数字运算。
54.优选的：
55.1)采样系统对信号uo的采样频率大于或等于频率特征电路中有效工作频段最大值的5倍；
56.2)采样点数的确定应能使傅里叶变换分析结果中频率的分辨率为0.1hz。对采样结果进行傅里叶变换分析后得到的幅频特性，信号uo可表示为：
57.uo＝σuk×
sin(2πkfd×
t)
ꢀꢀꢀ
(2)
58.式中,fd为傅里叶变换分析后频谱中频率的分辨率；uk为频谱中第k个频率点(即频率为k
×
fd)信号的幅值。
59.得到信号uo的幅频特性后，下一步寻找各个频率特征电路对应的位置频率点fn，通过关系式:
[0060][0061]
反算出待测物体的位置xn。
[0062]
式中，fn表示第n个频率特征电路的有效工作频段p中幅值最大的频率点、xn表示第n个待测物体的位置、表示前文确定的第n个频率特征电路中频率f与待测物体的位置x关系的反函数。
[0063]
本实施例能够通过输出一路模拟信号，就可以同时表示出系统多个物体的位置，
且测量电路主要为模拟电路，抗干扰性好；系统中只需要配置一个模数转换器的通道就可以满足采集要求，且对模数转换器的转换时间和采样电平保持时间要求低，实现了低成本；可以实现非接触式测量，可使用于多尘、多沙或高温等恶劣的测量环境。
[0064]
本实施例提供一种单路交流信号解算多处位置信息的测量方法，用于实现第一方面任一所述系统，请参阅图3所示，包括：
[0065]
步骤001、获取第一输出信号，所述第一输出信号包括与若干个待测物体位置的变换一一对应的交流电压信号。
[0066]
步骤002、将所述第一输出信号进行叠加，生成第二输出信号，所述第二输出信号包括单个交流电压信号；
[0067]
步骤003、将所述第二输出信号转换成数字信号，获得所述第二输出信号的幅频特性，根据所述幅频特性获得各个待测物体的位置。
[0068]
在一个可能的应用中，请参阅图2和图4所示，采样系统包括一个adc电路和一个计算机系统(控制器优选dsp控制器tms320f28335)，adc电路采样率为5ksps，每次计算所需采样数为50000。
[0069]
系统用于测量两个铁棒的位置，即在两个频率特征电路中电感的插入量，当导磁材料铁棒靠近频率特征电路的电感线圈时会影响电感的自感和互感系数，间接的影响了电路中的电感值。频率特征电路中铁棒插入深度与其输出信号频率的关系图如图4所示。在本实施例中规定频率特征电路1的有效工作频段p1＝[750,1000]hz，频率特征电路2的有效工作频段p2＝[400,700]hz。
[0070]
具体工作流程如下：
[0071]
计算机系统控制adc电路启动采样，对加法电路模块的输出信号uo进行采集，采样率为5ksps，采样数为50000；
[0072]
对采样的50000个数据进行傅里叶变换，得到频率间隔为0.1hz，频率范围为[400,700]hz以及[750,1000]hz的5500个频率点的幅值；
[0073]
在得到的5500个频率点的幅值中寻找频率范围为[400,700]hz以及[750,1000]hz内幅值最大的频率点。
[0074]
根据得到的两个有效工作频段内的最大幅值的频率点以及频率特征电路中铁棒插入深度与其输出信号频率的关系，反算出系统中待测两个铁棒的插入深度。
[0075]
在一次实际操作中具体数据如下：
[0076]
铁棒1插入量x1:100mm，实测频率特征电路1输出信号的频率为855.45hz，在幅频特性中发现频f1:855.5hz处存在有效区间p1[750,1000]hz内的幅值最大值，反算出插入量为95.1mm；
[0077]
铁棒2插入量x2:200mm，实测频率特征电路2输出信号的频率为583.92hz，在幅频特性中发现频率f2:583.9hz处存在有效区间p2[400,700]hz内的幅值最大值，反算出插入量为198.8mm；
[0078]
从结果中可以看出通过对加法电路模块输出的信号uo进行采集和傅里叶变换，并寻找各个频率特征电路有效工作频段中幅值最大的频率点后，通过事先标定的频率与位置的对应关系，就可同时计算出系统中各个待测物体的位置。
[0079]
本发明的有益效果是与为每一个位置传感器的输出配置一个模数转换器通道的
采集方式相比，本方法测量多个位置的信息只需使用一个模数转换器通道，降低了测量系统的硬件成本。
[0080]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0081]
以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。