相位检测原理分析及其在微弱信号测量中的应用

在非接触测量旋转物体内部温度时，所获取的反馈信号相当微弱，有可能会受到瞬间低电平信号的干扰。本文介绍一种利用相位检测，来判断所获取的反馈信号是真是假，从而锁定真信号并正确显示被测对象温度的方法。
　　关键词：反馈信号；RC网络；自然频率

Application of Phase Detecting in Weak Signal Measurement

CHEN Youxian

(College of Information Science Technology, Donghua University, Shanghai 200051, China)

Key words: feedback signal; RC network; natural frequency

在工业生产过程中，有很多旋转物体，其内部的温度需要进行测量和控制。诸如，轻纺工业中的烘筒，轧钢机的轧棍，电机的转子，以及化纤工业中的牵伸加热辊等。由于被测物体是高速旋转的，因此必须采用非接触式方式进行温度测量。将铂热电阻和无源RC网络组成一个可以跟随被测物一起旋转的传感器，利用磁耦合将所需要的激励信号非接触地感应到该传感器中，成为无源RC网络的输入信号Vi(参见图1)。该传感器具有选频功能，其输出信号Vo再通过磁耦合非接触地感应出来成为反馈信号V′o。后继的显示控制仪对进行分析处理，再转化成相应的温度，并和给定值进行比较，从而控制被测物的表面温度。

和的关系
2.1V′i和V′o是信号ωn——自然频率的载体。
　　采用文氏电桥的RC无源网络见图2。该网络具有选频特性，取R1=R2=RT(铂热电阻)，其自然频率ωn为温度T℃的函数，显然，温度T和自然频率ωn呈一一对应的关系。取Fn=ωn/2π，表1描述了温度T和频率Fn对应的关系(部分数据)。而T与V′I和V′o的大小无关。在整个网络的信息传递中，ωn是我们需要的信息，而V′i和V′o只是信息的载体。
2.2的定量关系以及制约
　　是正弦激励信号，ω为其角频率，令=Vimsinωt，则反馈信号。设被测对象某一时刻温度为T，对应铂热电阻的电阻值为RT，RC网络的自然频率ωn=1RTC。取Vim=8V，当激励信号角频率ω＜ωn或ω＞ωn时，测得反馈信号Vom为600mV左右；当激励信号角频率时，Vom理论值为0，实际值为30mV左右。参见图3。

理论上，Vom=0，但实际测得V′o为几十mV大小的交流信号。原因一，在激励信号中除ω=ωn的频率外，还有高次谐波的存在。而高次谐波的原因二，印刷线路分布电容的存在使激励信号通过这些分布电容直接耦合给V′o，Vom当然就不等于0了。

3.1获取ωn，推算出被测温度T
　　因为我们事先并不知道被测温度T，但RC网络的ωn是客观存在的，并随T的变化而变化。图1中显示控制仪的功能就是要获得在这一时刻网络的ωn，从而根据表1显示该时刻的被测温度T。
3.2V′i是一个从小到大变化的扫频信号
　　V′i作为激励信号，经RC网络选频获得反馈信号经整流，AD转换，转变为数字量V(n)。激励信号的ω加大一个步长便可获得V(n+1)，ω继续加大便可获得V(n+2)。单片机系统不断进行判断，如V(n)、V(n+1)和V(n+2)的大小相仿，表示激励信号的ω并非ωn。显示控制仪发出的激励信号其ω继续加大，系统继续判断新的V(n)、V(n+1)和V(n+2)，如一旦某一时刻V(n+1)远比V(n)和V(n+2)小，那么，在n+1时刻的激励信号的频率ω就要储存起来，因为该频率ω就有可能是RC无源网络的自然频率ωn，它包含被测对象的温度信息。
3.3利用相位检测锁定ωn
　　因为测量控制系统处在工厂现场中，时刻受到各种各样的干扰。这些干扰的存在，会经常产生瞬间最小值V(n+1)，且满足V(n)V(n+1)以及V(n+2)V(n+1)的条件(见图3)，这个最小值V(n+1)是虚假的，它对应的ω不是我们要的ωn，所以必须剔除。如何辨别最小值V(n+1)是真是假呢?
　　对文氏电桥的RC无源网络进一步分析，其相频特性(理论值)如图4。在ω=ωn处，反馈信号V′o的相位发生跳变。对本检测系统进行实际测量，发现其的跳变比理论值还要大许多。我们完全可以借助于相位的跳变特性来判断最小值V(n+1)的真假。
　　激励信号ω每加大一个步长，只要这个步长恰当
　
判断φn+2减φn+1的值，如→0，则V(n+1)和V(n+2)的相位没有发生跳变，V(n+1)的值虽然很小，但是是虚假的，应剔除。如很大，则V(n)、V(n+1)和V(n+2)的相位发生了跳变，V(n+1)才是真正的最小值。此时刻V(n+1)的ω就是我们要锁定的。参见图4.
3.4小结
　　一旦单片机系统检测到V(n)V(n+1)且V(n+2)V(n+1)；同时它们对应的相位不满足：φn≈φn+1≈φn+2，则锁定此时刻V(n+1)的ω，并存储起来，通过查表显示相应的温度。