传感器微弱信号检测方法研究

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Qin Yuwe1(School of Physics and Electrical Engineering，Weinan Normal University，Weinan 714000，Shaanxi China)Abstract：A weak signal detection technique of sensor using correlation technique is presented.Based on theperiodicity and corelation of signal，randomness characteristics of noise，lock-in amplifier is used for signalprocessing.The mixed signal of the useful signal and noise is processed for multiplication by the multiplying unitCD4066.The weak signal without including noise is obtained，and then it is amplified through lowpass filter andamplification.After that，the useful amplified signal is obtained，and the weak signal detection is realized。

Key words： weak signal； sensor； detection传感器是-种将微弱非电量信号转换为电信号的敏感器件，可以将微位移、微震动、微温差、微电流、弱磁、弱声、弱光等非电量的被测信号转换为微电流或低电压等电信号.通常情况下传感器探测到的电信号极其微弱，且附加额外的噪声.微弱信号检测技术是近年来迅速发展起来的，运用结合电子学、信息论和物理学方法的-种信号处理技术.41.微弱信号检测的首要任务是提高信噪比，通过分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号和噪声的统计性及其特异性，并采用-系列的信号处理电路或方法，检测出被背景噪声覆盖的微弱信号.目前微弱信号检测技术被广泛应用于医疗行业的疾病诊断、军事国防的侦探和定位、农业中的智能果园以及病虫害防治、工业中的自动控制等领域.传统的微弱信号检测与处理方法是使用放大电路和滤波电路对被测信号进行放大和滤波处理，但是被测信号经放大器进行放大的同时噪声也被放大，致使获取的信号信噪比较低，因而传统的检测技术无法实现对微弱信号的检测。

本文提出了基于相关的微弱信号检测方法，利用互相关的原理，通过参考信号和被检测信号的相关运算实现同步相干检测，可抑制较强噪声，提高检测系统输出信号的信噪比，使微弱信号测量精度得到较大提高。

1 微弱信号检测原理传感器将非电量信号转换为微弱的电信号后，若传感器检测到的电信号幅度相对于噪声幅度较低时，利用锁相放大器(1ock-in amplifier简称 LIA)对含有强噪声的微弱信号进行处理，检测电路信号处理流程收稿 日期：2012-12-10基金项 目：陕西侍育厅科学研究项 目计划 (12JK0672，12JK0514)；渭南市 自然科学基础研究计划项 目(2011KYJ-3，2012KYJ-7)作者简介：秦玉伟(1979-)，男，山东诸城人，讲师，博士，研究方向为传感器与光电检测技术。

图1 检测电路框图Fig.1 The schematic diagram of the"detecting circuit该信号检测方法的核心部分为锁相电路，锁相电路以相关检测技术为基础，能检测出极其微弱的信号。

锁相电路通过对检测信号和参考信号进行相关运算，利用参考信号频率与输入信号频率相关而与噪声频率不相关的特点，从噪声中提取有用信号，实现同步相干检测.锁相放大器中，需要使用与微弱信号相同频率的参考信号做模拟乘法运算，将待测信号中与参考信号同步的信号放大并检测出来5.61.该方法能从高强度噪声中检测出与参考信号频率相同的分量，提取出微弱信号.在被测量信号包含的信号分量中，只有与参照信号频率相同的分量才能通过低通滤波器(LPF)，锁相放大器由信号通道、参考通道和相敏检波器(phase-sensitive detector，简称 PSD)三部分组成，核心部分是相敏检波器 .相敏检波器实际上是-个乘法器56，结构如 图 2所示 。

图2 锁相放大器结构Fig.2 The structure of the lock-in amplifer锁相放大器基于相关接收原理，输入信号。

( )分别加在相敏检波器的两个输入端，其相关函数表示为：1 rR( ) 寺 J fl(t) t-v)dt， (1)- ∞ . -式中： s(t) 为输入信号；s( )为待测微弱信号； ( )为杂散噪声信号；。

为参考信号，与微弱信号s的频率相同，因而可以通过R( )的值检测出被测微弱信号s( )。

2 实验设计该信号检测装置使用模拟开关芯片 CD4066进行乘法运算，实现同步检波.模拟开关是-种三稳态电路，它可以根据选通端的电平来决定输入端与输出端的状态.当选通端处在选通状态时，输出端的状态取决于输入端的状态；当选通端处于截止状态时，则不管输入端电平如何，输出端都呈高阻状态.CD4066内部有 4个独立的模拟开关，每个模拟开关有输入端、输出端和控制端三个端子，其中输入端和输出端可以互换，电路连接方式如图3所示。

图3中，Js和 s-为相位相反的被测信号， 。为输出信号， 为5 V直流电源.当控制端加高电平时，开关导通；当控制端加低电平时，开关截止.控制端的控制信号使用 555定时器，使其产生与待测微弱信号同频率的、相位相反的两个方波信号作为标准参考信号.相敏检波器的输出信号会由于被测量信号与参照信号之间的相位差，而产生很大的变化，因此低通滤波器 (LPF)的输出信号(即锁相放大器测量值)也会产生变化.由于电路采用单电源供电，除了相位差为零之外，其他状态下不能很好地测量被测信号的大小，因此该信号检测电路中使用移相电路(phase shifter)将参考信号与被测量信号之间的相位差调节到零，然后再输入到相敏检波器进行检波.锁相电路最后输出的模拟量低频信号，通过单片机进行采样，经过 A/D转换后，并最终经液晶显示器进行显示。

2013年 2月 秦玉伟：传感器微弱信号检测方法研究 --157--R1 R 1 14 -[二 2 13- - - - - n v 3 12R2 R～ 。 - - -[二 4 11方波输入 l O- - 5 1O6 97 8图3 CD4066电路图Fig.3 Circuit diagram 0f CD4066 ∞方波输入 2在实验