开云优惠体育网页版入口

专利名称：抗共模干扰的数字辐射量热诊断装置及方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410749676.4

专利申请（专利权）人：成都理工大学工程技术学院
权利人地址：四川省乐山市中区肖坝路222号

专利发明（设计）人：徐灵飞

专利摘要：本发明涉及抗共模干扰的数字辐射量热诊断装置及方法，属于核聚变等离子体测量技术领域，包括FPGA核心板，用于产生阶梯混合交流数字信号，和运行apFFT?FFT算法，计算辐射功率；数模转换电路，用于将阶梯混合交流数字信号转换为阶梯交流模拟信号；放大电路，用于将信号进行放大；惠斯通电桥，用于输出差分电压信号；差分信号传输电缆，用于传输差分电压信号；差分放大电路，用于对差分电压信号进行放大；模数转换电路，用于将放大后的差分电压信号转换为数字信号。本发明利用FPGA核心板产生两个不同峰峰值的信号，惠斯通电桥在两个信号下的输出结果均会产生噪音信号，通过计算可消除噪音信号，避免了共模干扰导致的检测误差，使得检测结果更加准确。

主权利要求：
1.抗共模干扰的数字辐射量热诊断方法，其特征在于，包括：S1、利用FPGA核心板产生阶梯混合交流数字信号，阶梯混合交流数字信号包括两个峰峰值不同的交流数字信号，每一段阶梯混合交流数字信号的时间长度为△t；
S2、利用数模转换电路将阶梯混合交流数字信号转换为阶梯交流模拟信号；
S3、将阶梯交流模拟信号进行放大，得到交流驱动信号；
S4、将交流驱动信号加载到惠斯通电桥，测量电阻的阻值受辐射影响而产生变化，输出差分电压信号；
S5、利用差分放大电路对差分电压信号进行放大；
S6、利用模数转换电路将放大后的差分电压信号转换为数字信号；
S7、将数字信号输入FPGA核心板，FPGA核心板运行apFFT?FFT算法，得到幅度值，进而计算辐射功率；
差分电压信号Uo根据公式
进行计算，其中，X(k)是FFT运算得到的幅度值，Xap(k)是apFFT运算得到的幅度值，X(k)和Xap(k)分别根据公式进行计算，其中，A为信号幅度，N为频谱运算的点数，β为信号的初相位；
将两个信号的幅度分别表示为Uo1和Uo2，假设因线路不平衡导致共模电压到差模电压转换产生的噪音信号Ucd，则得到其中，Ux1和Ux2为惠斯通电桥在两个峰峰值不同的信号下产生的差分电压信号，根据公式进行计算，其中，Ui1和Ui2为交流驱动信号，Rr为惠斯通电桥的参照电阻，Rm为惠斯通电桥的测量电阻；
从而得
将该公式两端相减，得到
假设
得
进而得到
将连续测得的Ux1(n)或Ux2(n)作为U(n)，代入辐射功率计算公式得到辐射功率P(n)，其中，k为标定常数；τ为探测器的冷却时间；整体检测时间长度为N*△t。
2.如权利要求1所述的抗共模干扰的数字辐射量热诊断方法，其特征在于，步骤S3中，先将阶梯交流模拟信号输入隔离电路，经过隔离后再进行放大；
步骤S6中，先将将放大后的差分电压信号输入隔离电路，经过隔离后再进行模数转换。
3.如权利要求1所述的抗共模干扰的数字辐射量热诊断方法，其特征在于，步骤S3中，先利用信号放大电路对阶梯交流模拟信号进行初次放大，再利用扩流电路进行二次放大，使得阶梯交流模拟信号的峰峰值扩大至原来的10倍。
4.采用权利要求1所述抗共模干扰的数字辐射量热诊断方法的抗共模干扰的数字辐射量热诊断装置，其特征在于，包括：FPGA核心板，用于产生阶梯混合交流数字信号，阶梯混合交流数字信号包括两个峰峰值不同的交流数字信号，每一段阶梯混合交流数字信号的时间长度为△t；还用于运行apFFT?FFT算法，计算辐射功率；
数模转换电路，用于将阶梯混合交流数字信号转换为阶梯交流模拟信号；
放大电路，用于将阶梯交流模拟信号进行放大，得到交流驱动信号；
惠斯通电桥，用于检测等离子体热辐射并输出差分电压信号；
差分信号传输电缆，用于传输差分电压信号；
差分放大电路，用于对差分电压信号进行放大；
模数转换电路，用于将放大后的差分电压信号转换为数字信号。
5.如权利要求4所述的抗共模干扰的数字辐射量热诊断装置，其特征在于，所述惠斯通电桥包括4个相同的电阻，四个电阻依次串联形成回路，且两个不相邻的电阻作为测量电阻，另外两个电阻作为参照电阻。
6.如权利要求4所述的抗共模干扰的数字辐射量热诊断装置，其特征在于，数模转换电路和放大电路之间、模数转换电路与差分放大电路之间均设置有隔离电路。
7.如权利要求4所述的抗共模干扰的数字辐射量热诊断装置，其特征在于，所述放大电路包括信号放大电路和扩流电路。 说明书 : 抗共模干扰的数字辐射量热诊断装置及方法技术领域[0001] 本发明属于核聚变等离子体测量技术领域，尤其是一种抗共模干扰的数字辐射量热诊断装置及方法。背景技术[0002] 辐射是等离子体中很重要的能量损失方式之一，它会影响等离子体的功率平衡和约束。在核聚变实验装置托卡马克上，辐射量热诊断主要用于测量等离子体放电期间的辐射功率，是很重要的基本诊断手段。绝对辐射功率的测量通常采用金属电阻探测器组成惠斯通桥电路来测量。金属薄膜吸收等离子体辐射使得金属电阻器电阻发生变化，通过测量桥式电路输出点电压变化为等离子体辐射功率损失计算提供依据。为了提高信噪比，金属电阻探测器通常采用4个完全相同的热敏电阻组成惠斯通电桥结构，其中两个电阻Rr为参考电阻，两个电阻Rm为测量电阻。在惠斯通电桥ab端加载交流信号Ui，测量电阻Rm受辐射影响产生变化，产生电桥cd端的差分电压信号Ux，此差分信号通过电缆(20米?50米)传输到测量单元。虽然信号差分传输形式可以较大程度地克服共模干扰。但是，由于长距离传输以及线路上的不平衡，会发生共模电压到差模电压的转变，从而使得测量端信号产生误差Ucd，影响最后测量结果的精度。因此，设计一个能够消除共模电压影响的测量系统，对于精确测量等离子体辐射功率损失具有重要的意义。发明内容[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种抗共模干扰的数字辐射量热诊断装置及方法，提高测量的准确性。[0004] 为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：抗共模干扰的数字辐射量热诊断方法，包括[0005] S1、利用FPGA核心板产生阶梯混合交流数字信号，阶梯混合交流数字信号包括两个峰峰值不同的交流数字信号，每一段阶梯混合交流数字信号的时间长度为△t；[0006] S2、利用数模转换电路将阶梯混合交流数字信号转换为阶梯交流模拟信号；[0007] S3、将阶梯交流模拟信号进行放大，得到交流驱动信号；[0008] S4、将交流驱动信号加载到惠斯通电桥，测量电阻的阻值受辐射影响而产生变化，输出差分电压信号；[0009] S5、利用差分放大电路对差分电压信号进行放大；[0010] S6、利用模数转换电路将放大后的差分电压信号转换为数字信号；[0011] S7、将数字信号输入FPGA核心板，FPGA核心板运行apFFT?FFT算法，得到幅度值，进而计算辐射功率。[0012] 进一步地，步骤S3中，先将阶梯交流模拟信号输入隔离电路，经过隔离后再进行放大；[0013] 步骤S6中，先将将放大后的差分电压信号输入隔离电路，经过隔离后再进行模数转换。[0014] 进一步地，步骤S3中，先利用信号放大电路对阶梯交流模拟信号进行初次放大，再利用扩流电路进行二次放大，使得阶梯交流模拟信号的峰峰值扩大至原来的10倍。[0015] 进一步地，步骤S7中，差分电压信号Uo根据公式[0016][0017] 进行计算，其中，X(k)是FFT运算得到的幅度值，Xap(k)是apFFT运算得到的幅度值，X(k)和Xap(k)分别根据公式[0018][0019] 进行计算，其中，A为信号幅度，N为频谱运算的点数，β为信号的初相位。[0020] 将两个信号的幅度分别表示为Uo1和Uo2，假设因线路不平衡导致共模电压到差模电压转换产生的噪音信号Ucd，则可以得到[0021][0022] 其中，Ux1和Ux2为惠斯通电桥在两个峰峰值不同的信号下产生的差分电压信号，根据公式[0023][0024] 进行计算，其中，Ui1和Ui2为交流驱动信号，Rr为惠斯通电桥的参照电阻，Rm为惠斯通电桥的测量电阻；[0025] 从而可得[0026] 将该公式两端相减，得到[0027][0028] 假设[0029] 可得[0030] Rm＝AAR[0031] 进而得到[0032][0033] 将连续测得的Ux1(n)或Ux2(n)作为U(n)，代入辐射功率计算公式[0034][0035] 得到辐射功率P(n)，其中，k为标定常数；τ为探测器的冷却时间；整体检测时间长度为N*△t。[0036] 抗共模干扰的数字辐射量热诊断装置，包括[0037] FPGA核心板，用于产生阶梯混合交流数字信号，阶梯混合交流数字信号包括两个峰峰值不同的交流数字信号，每一段阶梯混合交流数字信号的时间长度为△t；还用于运行apFFT?FFT算法，计算辐射功率；[0038] 数模转换电路，用于将阶梯混合交流数字信号转换为阶梯交流模拟信号；[0039] 放大电路，用于将阶梯交流模拟信号进行放大，得到交流驱动信号；[0040] 惠斯通电桥，用于检测等离子体热辐射并输出差分电压信号；[0041] 差分信号传输电缆，用于传输差分电压信号；[0042] 差分放大电路，用于对差分电压信号进行放大；[0043] 模数转换电路，用于将放大后的差分电压信号转换为数字信号。[0044] 进一步地，所述惠斯通电桥包括4个相同的电阻，四个电阻依次串联形成回路，且两个不相邻的电阻作为测量电阻，另外两个电阻作为参照电阻。[0045] 进一步地，数模转换电路和放大电路之间、模数转换电路与差分放大电路之间均设置有隔离电路。[0046] 进一步地，所述放大电路包括信号放大电路和扩流电路。[0047] 本发明的有益效果是：1、本发明利用FPGA核心板产生两个不同峰峰值的信号，惠斯通电桥在两个信号下的输出结果均会产生噪音信号，通过计算可消除噪音信号，避免了共模干扰导致的检测误差，使得检测结果更加准确。[0048] 2、apFFT?FFT算法在频域检测阶梯混合信号的幅度，提高了检测精度。[0049] 3、整个装置基于FPGA实现控制和运算，简略了传统系统中检测端的信号解调和放大电路，系统集成度高，抗干扰能力强。附图说明[0050] 图1是本发明的整体框图；[0051] 图2是阶梯混合交流数字信号的示意图；[0052] 图3是连续阶梯混合交流数字信号的示意图；[0053] 图4是扩流电路的示意图；[0054] 图5是差分放大电路的示意图。具体实施方式[0055] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。[0056] 本发明的抗共模干扰的数字辐射量热诊断装置，如图1所示，包括依次连接的FPGA核心板、数模转换电路、隔离电路、信号放大电路、扩流电路、惠斯通电桥、传输电缆、差分放大电路、隔离电路和模数转换电路，模数转换电路连接到FPGA核心板。[0057] 其中，FPGA核心板作为控制和运算的核心，用于产生阶梯混合交流数字信号，阶梯混合交流数字信号包括两个峰峰值不同的交流数字信号，每一段阶梯混合交流数字信号的时间长度为△t；还用于运行apFFT?FFT算法，计算辐射功率。FPGA即现场可编程门阵列(Field－ProgrammableGateArray)，简略了传统系统中检测端的信号解调和放大电路，系统集成度高，抗干扰能力强。[0058] 数模转换电路用于将阶梯混合交流数字信号转换为阶梯交流模拟信号；[0059] 信号放大电路和扩流电路组成的放大电路用于将阶梯交流模拟信号进行放大，得到交流驱动信号。[0060] 惠斯通电桥用于检测等离子体热辐射并输出差分电压信号，包括4个相同的电阻，四个电阻依次串联形成回路，且两个不相邻的电阻Rm作为测量电阻，另外两个电阻Rr作为参照电阻，四个电阻的连接点依次为a、c、d、b。检测过程中，Rr的阻值保持不变，是已知的，而Rm的阻值受到辐射而改变，是未知的。[0061] 差分信号传输电缆用于传输差分电压信号；[0062] 差分放大电路用于对差分电压信号进行放大；[0063] 模数转换电路用于将放大后的差分电压信号转换为数字信号。[0064] 本装置具体的诊断过程为：[0065] S1、利用FPGA核心板产生阶梯混合交流数字信号，阶梯混合交流数字信号包括两个峰峰值不同的交流数字信号，每一段阶梯混合交流数字信号的时间长度为△t。[0066] 具体地，FPGA核心板产生峰峰值为A1＝2V和A2＝3V的阶梯混合交流数字信号，信号频率f0＝20KHz。每一段阶梯混合交流信号由2个信号x1和2个信号x2组成，如图2所示，信号x1和信号x2，如式(1)所示。[0067][0068] 每一段阶梯混合交流信号时间长度为0.2ms，连续混合阶梯信号的组成如图3所示。[0069] S2、利用数模转换电路将阶梯混合交流数字信号转换为阶梯交流模拟信号。[0070] S3、数模转换电路输出的阶梯交流模拟信号进入ADUM3190隔离电路，实现控制部分和驱动信号产生电路之间的隔离，然后将阶梯交流模拟信号进行放大，得到交流驱动信号。[0071] 具体地，先利用信号放大电路对阶梯交流模拟信号进行初次放大，将信号放大至原来的2倍，峰峰值幅度分别变为4V和6V。再利用扩流电路进行二次放大，使得阶梯交流模拟信号的峰峰值扩大至原来的10倍。扩流电路将信号峰峰值幅度分别放大到20V和30V，放大后的混合信号表示为Ui，Ui1＝20V和Ui2＝30V。[0072] 扩流电路如图4所示，由1个高压大电流OPA454、1个NPN扩流三极管MJE15034和1个PNP扩流三极管MJE15035构成。输入信号接入OPA454的同相输入端，OPA454的输出电流经过电阻R17驱动扩流三极管V2、V5，扩大放大电路的电流输出能力。电阻R5连接输出端和OPA454的反相输入端，和R14构成反馈电路，形成放大倍数为5倍的放大电路。电阻R8、R32、R9、R11、R22、R30和三极管V3、V4构成扩流电路的保护电路。当流经电阻R11或R22的电流大于1.5A时，电阻两端电压驱动三极管V3或V4使其集电极?发射极逐渐导通，拉低扩流三极管V2或V5的基极?发射极间电压，从而降低流经扩流三极管集电极?发射极的电流，实现扩流三极管的保护。[0073] S4、将交流驱动信号加载到惠斯通电桥，测量电阻的阻值受辐射影响而产生变化，输出差分电压信号。[0074] 交流驱动信号Ui加载到惠斯通电桥的ab端，测量电阻Rm受辐射影响产生变化，在惠斯通电桥的cd端产生差分电压信号Ux，惠斯通电桥在两个峰峰值不同的信号下产生的差分电压信号分别表示为Ux1和Ux2，Ux1和Ux2采用以下公式(2)进行计算：[0075][0076] S5、利用差分放大电路对差分电压信号进行放大。[0077] 差分电压信号通过传输电缆传输到差分放大电路，在差分放大电路输入端的信号用表示Uo。差分放大电路如图5所示，差分电压信号进入抗高共摸电压差分放大器AD8479，并将差分信号转换为单端信号后进入TL082放大器电路，为后续ADUM3190隔离电路提供稳定输入信号。[0078] S6、利用模数转换电路将放大后的差分电压信号转换为数字信号。FPGA核心板控制模数转换电路，以640KHz的采样频率将隔离电路输出模拟信号转换为数字信号。[0079] S7、将数字信号输入FPGA核心板，为消除因非同步采样造成的误差，在FPGA核心板运行apFFT?FFT算法，得到精确的幅度值，进而计算辐射功率。[0080] 具体地，差分电压信号Uo根据公式(3)[0081][0082] 进行计算，其中，X(k)是FFT运算得到的幅度值，Xap(k)是apFFT运算得到的幅度值，X(k)和Xap(k)分别根据公式(4)和(5)[0083][0084] 进行计算，其中，A为信号幅度，N为频谱运算的点数，β为信号的初相位。[0085] 将两个信号的幅度分别表示为Uo1和Uo2，即Uo包括Uo1和Uo2，Uo1和Uo2均可以根据上述公式(3)进行计算。[0086] 假设因线路不平衡导致共模电压到差模电压转换产生的噪音信号Ucd，则可以得到[0087][0088] 其中，Ux1和Ux2为惠斯通电桥在两个峰峰值不同的信号下产生的差分电压信号，根据公式(2)进行计算，其中，Ui1和Ui2为交流驱动信号，Rr为惠斯通电桥的参照电阻，Rm为惠斯通电桥的测量电阻；[0089] 联立公式(2)和公式(6)可得公式(7)：[0090][0091] 公式(7)中，Rm和Ucd是未知量，Rr、Uo1、Uo2、Ui1和Ui2都是已知量。[0092] 将公式(7)两端相减，可以计算得到Rm，如公式(8)所示：[0093][0094] 假设[0095][0096] 可得[0097] Rm＝A、Rr(10)，[0098] 联立公式(2)和公式(10)，可得公式(11)：[0099][0100] 将连续测得的Ux1(n)或Ux2(n)作为U(n)，代入辐射功率计算公式[0101][0102] 得到辐射功率P(n)，其中，k为标定常数；τ为探测器的冷却时间；整体检测时间长度为N*△t。[0103] 最后经过FPGA的以太网将将计算结果上传到数据中心，供分析使用。[0104] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

专利地区：四川

专利申请日期：2024-06-12

专利公开日期：2024-09-03

专利公告号：CN118335363B