红外气体检测中谐波信号正交锁相放大器设计与实现

基于可调谐激光光谱吸收法的红外气体检测,为了从差分信号中有效提取出一次和二次谐波信号,研发了一种谐波信号正交锁相放大器.采用正交锁相放大及谐波检测原理,利用Simulink软件平台构建了模拟实验系统,对其功能做了仿真和验证.采用数字信号处理器作为核心控制器,设计并制作出了谐波信号锁相放大器的系统实物,它主要由90°移相器、两路模拟乘法器、两路低通滤波器、差分信号放大器、模数转换器等构成.实验中,首先利用幅度可调的标准正弦信号作为待测信号,对锁相放大器的输出信号幅度与标准正弦信号的幅度做实验测量与对比,二者线性拟合优度高达0.999 94,最大误差小于4%,具有良好线性度;其次,将模拟吸收产生的差分信号作为待测信号,利用基频方波和二倍频方波分别作为参考信号,提取谐波信号,因二次谐波信号微弱易受噪音干扰,其误差在5%以内,一次谐波最大误差小于3.5%.系统具有良好的稳定性和性价比,在红外气体检测中具有较好的应用前景.

基于正交锁相放大器的微弱应变信号检测系统

在工业现场利用应变传感器进行形变测量时,被测物在小负荷作用下使得传感器输出的应变信号十分微弱。微弱信号有时甚至会被现场的强噪声信号完全淹没,这时提取有效的微弱信号将变得非常困难。针对这种实际问题,应用相关检测法设计了基于正交锁相放大器的微弱应变信号检测系统。在设计中,待测微弱应变信号通过信号调理、低噪声放大和带通滤波后与严格正交的两路参考信号进行相乘。然后,将乘法器输出信号进行低通滤波得到与待测信号幅值成正比的直流信号。对直流信号经过A/D采集和计算实现微弱应变信号的检测。经过Simulink仿真、现场实验与运行,结果表明系统能有效地抑制噪声信号,准确测量出微弱的应变信号。

正交锁相放大器的蓄电池内阻在线检测系统

为了提高蓄电池内阻的检测精度,采用交流注入法建立了蓄电池内阻测量模型,利用现场可编程门阵列FPGA设计了正交数字锁相放大电路,有效抑制了带外噪声,从而提高了测量精度。实验结果表明:设计系统能够在线测量蓄电池内阻,平均测量误差仅为1.06%,能够快速定位出电池组中的劣化电池,为蓄电池的健康诊断提供了可靠的技术保障。

基于正交锁相放大的金属磁记忆应力集中检测

研究了铁磁性构件应力集中区剩磁产生的漏磁场分布的物理模型,利用法向磁场的过零点是梯度最大值的特点,以法向磁场梯度为特征值判定应力集中程度。设计了用于驱动探头振动的压电陶瓷悬臂梁的结构参数,以振动频率为信号中心频率设计了二阶窄带滤波器,采用正交锁相放大技术将微弱的法向磁场梯度分量从强噪声背景中分离。使用A3钢圆截面试件验证了磁记忆信号的强度与应力集中系数的关系。

数字正交锁相放大器在光纤瓦斯检测系统中的应用

为了实现高精度实时的瓦斯气体检测系统,介绍了数字正交锁相放大器,主要对其基本原理和结构进行了分析,利用FPGA和A/D转换器件,设计了数字锁相放大器的硬件电路。将数字正交锁相放大器应用于光纤瓦斯检测系统中,避免了传统锁相放大器在系统中手动移相和直流漂移的产生。同时放大微弱信号,更精确地得到所需的幅值信息,再由幅值间接得到相应的瓦斯浓度值。通过实验表明,在实际应用中能及时、精确地实现井下瓦斯浓度检测,有效地减少了安全隐患,并且可以提高工作效率和测量的准确性。

基于CIC的数字正交锁相放大器的甲烷检测实验研究

针对甲烷在大气中背景气体成分复杂、检测难度大、稳定性差等问题,本文基于可调谐二极管激光吸收光谱技术和波长调制光谱技术,将积分梳状滤波器与有限脉冲响应滤波器相结合应用于数字正交锁相放大器,开展大气中甲烷气体的痕量检测实验研究。实验表明,与传统的数字正交锁相放大器相比较,改进的数字正交锁相放大器提取的二次谐波信号的信噪比从38.61 dB提高到44.95 dB;将非线性迭代最小二乘法-极限学习机算法模型应用于甲烷气体浓度反演,与经典的最小二乘法相比较,其均方根误差减小了0.907;通过16组浓度步进实验测试,该系统的实际检测下限为1 ppm;在压力为600 mbar,温度为25℃,甲烷浓度为50 ppm进行3 h的长期稳定性测试,检测的甲烷浓度变化范围为49.6~50.3 ppm,其标准差为0.0921 ppm。当积分时间达到56 s时,该系统的理论检测极限为25.6 ppb。积分梳状滤波器和非线性迭代最小二乘法-极限学习机算法模型在红外气体检测方面具有较高的优越性和实用前景。

基于正交锁相放大器的风洞天平信号检测系统

为了提高六分量天平信号的检测精度和抗干扰能力,设计了一种基于正交锁相放大器的风洞天平信号检测系统,由电桥激励源、正交参考信号源、正交锁相放大器及A/D转换等模块电路组成。设计的正交参考信号源采用数字闭环反馈控制方式,有利于参考信号的实时监测与调整,在实测中有效实现激励信号±2.5V、参考信号为1V条件下幅度波动小于2%,正交锁相放大器用于实现六路电桥输出信号同参考信号的正交检波,并输出双路直流分量,经放大处理后转换为数字信号,由MCU计算得到各路电桥的实际输出信号值。经过测试分析,系统能够较准确地检测天平信号,且电桥检测信号有效分辨率约1μV,最大误差为2μV,准确度优于0.2%,有效验证了系统整体设计参数要求,并在实际测试中具有较大的抗干扰特效。

正交锁相放大器在红外甲烷探测系统的设计与仿真

本文详细介绍了气体光谱吸收原理以及正交锁相放大器的基础理论,基于simulink对红外甲烷气体探测系统进行仿真。模型能较为准确地反映红外甲烷探测系统中光源调制、甲烷气体吸收以及二次谐波提取的过程,分析了甲烷浓度参数与二次谐波幅值之间的关系。对TDLAS系统的硬件开发有一定指导意义。

基于正交锁相放大器与分段快速傅里叶变换的红外乙炔传感器

针对可调谐激光二极管吸收光谱技术,提出用于对气体吸收信号进行分段快速傅里叶变换提取二次谐波信号的方法,将该方法与传统正交锁相放大器的谐波信号处理方法进行对比;利用MATLAB软件模拟产生乙炔气体吸收信号,分别验证正交锁相放大器和分段快速傅里叶变换算法的功能;设计基于LabVIEW软件的正交锁相放大器与快速傅里叶变换传感器信号处理平台,结合近红外1.533μm的分布反馈激光器以及自主研制的Herriot气室,建立近红外乙炔气体传感系统;利用配制的乙炔气体样品开展传感器的标定实验和Allan标准差测试实验。结果表明:两种方法都具有较好的线性拟合优度,并呈现出相似的稳定性。

基于正交锁相的绝缘子泄漏电流在线监测装置

针对传统的绝缘子污闪排查效率低、花费高等问题,设计了一种绝缘子泄漏电流在线监测装置。通过正交锁相放大技术将检测的电流信号从噪声中提取出来,解决了绝缘子泄漏电流监测时因信号微弱、干扰严重难以得到准确信息的问题。装置以STM32为控制核心,通过正交锁相放大技术实现对绝缘子泄漏电流的准确监测;通过GPRS无线通讯将监测信息实时上传至TLink云平台,实现了数据的远程在线查看;通过将数据与阈值对比,可在泄漏电流值超过阈值时向用户发送报警信息。测试结果表明:该装置在0~30 mA监测范围内测量误差在±5%以内,并能及时发送报警信息,记录、存储、查询历史数据。

基于直接数字频率合成器及正交锁相技术的交直流微型电场传感器电路

为了实现AC(工频)和DC电场同时检测,该文基于MEMS电场传感器,采用直接数字频率合成器(DDS)激励及正交锁相技术研制出一种高性能微型电场传感器电路。该系统结合低噪声模拟电路和数字控制方式,采用DDS产生精准的传感器激励信号和双路正交参考信号,保证了激励信号及正交参考信号的频率、幅值稳定性以及双路正交参考信号之间准确的相位差。采用相关解调芯片及高速滤波器构建正交锁相放大电路,结合Advanced RISC Machines(ARM)微控制器,解决了单片机数字信号处理响应速度慢、资源不足等问题,成功实现AC(工频)及DC电场加载情况下传感器弱信号高精度提取。

一种应用于涡流检测的DDS正交信号源

介绍了采用单片DDS芯片AD9854设计的频率可连续调节的宽带正交信号源,给出了系统的硬件构成、软件流程及软件编程方法等。该正交信号源具有优良的频率准确度,两路输出信号正交性好,且频带范围宽,应用在智能涡流无损检测中较好地解决了激励信号源及正交锁相放大器检测电路中参考源的问题。

高灵敏隧道磁阻传感器在铝合金材料检测中的应用

针对铝合金材料的电导率和厚度检测,基于隧道磁阻传感器的高灵敏特性设计了一种用隧道磁阻传感器替代涡流传感器中敏感线圈的装置,减小了激励线圈的体积和功耗。采用正交锁相放大器的信号处理电路降低了噪声,对铝合金材料引起的磁场变化灵敏度可达0.1μT。实验结果表明:电导率差值小于0.4×10^(7)S/m,厚度差为1 mm的3种被测铝合金材料可被准确区分。该装置与涡流传感器相比,体积更小,功耗更低,灵敏度更高。

一种用于盘孔裂纹检测的差动式涡流探头的设计与实现

为了实现对某型发动机篦齿盘均压孔的原位、无损探伤,设计了一种差动式的涡流检测探头,探头由一个激励线圈和两个感应线圈组成,由于检测线圈结构上的对称性使得探头对盘孔周边的表面裂纹敏感,同时对激励线圈和检测线圈匝数比的优化设计也能有效增强输出的差动信号,降低干扰。信号调理电路采用正交锁相放大对输出进行正交分解,得到包含信号幅值和相位信息的两路直流分量作为裂纹检测的特征量。对篦齿盘均压孔标准试件的检测结果表明该探头能够很好地实现盘孔周边微小裂纹的检测,灵敏度高。同时,这种差动式的探头结构同样也可用于其它盘孔的裂纹检测。

远场涡流传感器与信号调理电路优化设计及其应用

传感器设计是远场涡流检测系统的核心与关键。结合仿真与实验研究远场涡流传感器与信号调理电路的优化设计方法:采用电磁屏蔽、磁路,以缩短探头长度、增强检测信号;采用组合滤波与正交锁相放大电路,以增强微小缺陷的检测能力;采用同态滤波以及误差修正等数字信号处理技术,以提高检测结果可靠性。实验结果表明,上述方法对于提高系统性能行之有效。

电磁超声特征信号检测系统的设计

针对电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)转换效率低、信号微弱、信噪比低的问题,设计开发了包括电磁超声换能器在内的,由低噪前置放大器、宽带接收器以及基于虚拟仪器的正交锁相放大等构成的电磁超声检测系统。对比了传统EMAT结构与新的EMAT结构磁通密度的不同,通过提高偏置磁场的强度提高EMAT的换能效率;分析了前置放大器、宽带接收器、电磁超声换能器的频率响应特性;研究了相敏检波器中低通滤波器的阶数、滤波器类型以及截止频率对电磁超声回波信号检测的影响,并对铝板进行了缺陷检测实验。实验结果表明:该系统能够实现电磁超声信号的实时采集、分析和存储,同时能够提高信号的信噪比和分辨率。

飞机轮毂裂纹检测涡流探头的设计与实现

为了实现对飞机轮毂根部疲劳裂纹的无损检测,设计了一种放置式线圈探头,该探头由1个检测线圈和1个参考线圈组成,利用电桥电路实现对微弱裂纹信号的差动放大检出。信号调理电路采用正交锁相放大对输出进行正交分解,得到包含信号幅值和相位信息的两路直流分量作为裂纹检测的特征量。根据数值仿真得出的结论指导实际探头的设计,对轮毂试件的检测结果表明:该探头能够很好地实现轮毂根部具有一定曲度的表面上小裂纹的检测,且灵敏度高。

红外吸收光谱型城市路网尾气浓度检测传感器

为了能够集中测量城市路网中CO、NO、NO2和SO2的浓度,利用红外吸收光谱原理和谐波调制技术设计了四向气体浓度检测传感器。将宽带光谱LED作为共用光源,穿过四个方向上特定波长的窄带滤光片后,产生与被测气体吸收光谱一致的光束,再穿过改进的Herriott型长光程吸收气室,并在红外探测器上感应出电信号,最后利用设计的正交锁相放大电路测量出二次谐波系数大小,从而计算出被测气体的浓度。实验结果表明:设计的传感器输出的电压与被气体浓度呈正比例线性关系,平均线性度达到了0.997 85,测量误差均小于2%,可为播报环境质量和制定机动车尾气排放标准提供数据支持。

铁磁性管道的远场涡流检测系统的设计与实现

远场涡流技术作为管道日常检测和维护的重要支撑手段,将发挥越来越重要的作用。本文在详细阐述其原理基础上,设计了远场涡流检测系统的实现方案,从传感器优化设计、硬件电路设计等方面进行了详细论述,最后给出了具体实验结果。

采用FPGA的动力锂电池内阻智能检测装置

为了实现对动力锂电池内阻的高精度检测,通过对锂电池内部结构和工作原理进行分析,建立了等效电路模型,并采用交流注入法设计了电池内阻在线智能检测装置。将微小的交变激励电流信号施加在电池两端,同时利用在FPGA平台上设计的正交锁相放大电路测量电池两端产生的响应电压信号,并通过引入圆周模式的CORDIC算法实现矢量运算,大幅提升了数据处理速度,最后根据欧姆定律计算出电池内阻的阻抗幅值和相位角。实验结果表明:设计的内阻智能检测装置能够方便测量出电池在各频段的阻抗谱,且具有较高的测量精度和稳定度,平均误差仅为0.231%,最大偏差也仅为0.452%,可为新能源汽车动力电池的健康诊断提供可靠的技术保障。