一种六分量天平电桥的平衡S/N锁相放大检测系统及方法

摘要

本发明公开一种六分量天平电桥的平衡S/N锁相放大检测系统及方法，通过产生一频率固定、相位可调的正弦交流信号加载到六个电桥两并联端以同时驱动六个电桥，利用六个电桥探测微弱信号并将其转换为电信号，得到从六路电桥输出的电压信号；将差分信号由跟随放大器放大后，进行差分二级放大，然后将六路信号输入到正交检波电路，将检波输出信号低通滤波放大后进行AD变换，得到12路正交数字信号，由CPU对各分量信号进行计算，从而得到天平的六个分量变化情况，通过数字调整延迟时间和参考电平的方式，使各分量信号检波输出的两正交分量信号幅度基本一致，从而避免了两正交分量中单路信号幅度过小，以平衡系统信噪比及输出幅度，提高系统的整体检测能力。

权利要求

1.一种六分量天平电桥的平衡S/N锁相放大检测系统，其特征在于，所述系统包括：六分量天平由六个并联电桥组成，其并联两端，一端接正弦交流驱动信号，另一端接地或交流驱动信号的负端，形成六分量天平的驱动回路；各电桥由单个或两个及以上应变传感器元件构成惠斯登桥臂组；驱动环路产生一个幅值、频率稳定、驱动电流250mA的正弦交流驱动信号，该信号驱动并联惠斯登电桥；六路惠斯登电桥的检测桥臂探测微弱信号并将其转换为电信号，得到六路电桥另外两端两点之间的差分正弦信号U1‑U6；检测系统有三个模块组成，其中包括：正弦驱动信号产生环路、正交正弦参考信号产生环路和六路正交检波回路；

正弦驱动信号产生环路由CPU控制单元产生具有数字延迟、固定周期的方波信号，该方波信号经两级带通滤波器滤波后得到同频率正弦信号，将该输出的正弦信号通过正弦稳幅放大模块进行稳幅放大，得到幅度恒定、周期稳定的正弦信号，再将该正弦信号输入到大电流驱动放大模块进行电流放大得到所需的正弦驱动信号，一端直接接入六分量天平的正弦交流输入端，另一端经跟随放大器后进行幅度检波，并通过低通滤波和A/D转换后，由CPU对正弦驱动信号的幅度进行监测，当输出正弦信号的幅度发生变化时，CPU通过调节正弦稳幅放大模块控制参数来实现驱动信号的幅度稳定性控制；

参考信号环路用于产生相差90度的两路正弦参考信号，CPU通过内部计数器控制输出两路90度相差的方波信号，该两路方波信号经二阶带通滤波器后输出对应频率的正弦信号，经稳幅放大得到两路峰峰值1V、相位相差90度的正弦信号，两路正弦信号经跟随后分别送六路检波器和幅度检波器，幅度检波后得到的直流信号经A/D变化后，由CPU根据A/D采样值对参考信号幅度进行检测，当参考信号幅度发生变化时，CPU通过D/A变化器，输出对应的幅度调整控制信号，保证正交检波系统需要的参考信号幅度稳定在峰峰值1V；

放大检波环路用于实现六分量电桥输出信号的前置放大、差分放大及六路信号正交检波处理，电桥输出正弦电压信号U1‑U6分别进入六路信号前置放大器进行放大后，由六路差分放大电路进行差分放大，使电桥输出正弦信号电压峰峰值在满载条件下接近1V；六路正交检波电路实现六路信号与正交参考信号的乘法运算，将每一路乘法运算输出的两路正交分量分别输入到低通滤波放大电路，进行低通滤波和放大处理；12路A/D转换电路用于对正交检波和低通放大输出的信号进行模拟数字转换，转换后的数字信号直接存储到CPU控制单元，并由CPU完成信号的平方求和及开根运算，得到对应的电桥输出电压值；差分放大电路参考电平由CPU根据检测信号幅度，通过D/A转换芯片进行调整；

所述检测系统的检测方法包括：

六路并联电桥由反应天平微量形变的六个惠斯登电桥并联组成，在大电流稳定峰峰值正弦信号的驱动下，产生相应的差分正弦输出信号U1‑U6，每个分量电桥桥臂的电阻阻值的变化，使输出的差分正弦信号在固定幅度正弦信号驱动下随着各分量电桥桥臂的电阻阻值的变化而发生改变；

驱动信号环路用于产生具有高幅度稳定性、频率固定、驱动电流250mA的正弦驱动信号，该信号直接接入六分量天平内部六个电桥的两并联端，其中，S11：延迟时间可调方波输出模块用于输出系统设定频率的方波，方波频率由CPU内部计数器按CPU主频通过分频实现，并通过CPU管脚输出固定频率的方波信号，该方波信号通过方波整形输出单元对CPU输出的方波信号进行滤波整形消除CPU管脚输出方波中存在的高频噪声，并对滤波后的波形进行幅度调整，得到二阶带通滤波放大器所需输入信号幅度的方波信号；

S12：两级二阶带通滤波电路，由二个二阶带通滤波器电路串联构成，用于实现方波到正弦波的转换，该带通滤波器的设计中心频率同方波信号频率一致，实现带通滤波的同时，消除输入方波信号中的绝大多数频带外分量，使滤波后得到的正弦信号只含设定频率的正弦信号，该信号输出给正弦稳幅放大电路；

S13：正弦稳幅放大单元用于将两级二阶带通输出的正弦信号进行稳幅放大，使其输出正弦波幅度稳定在设定的峰峰值，放大部分由电压控制型放大器实现输入正弦波信号幅度放大，放大倍数由CPU通过驱动信号幅度控制单元，通过D/A变换得到的电压控制，控制电压的变化使稳幅放大电路输出的正弦波信号幅度发生相应的变化；大电流驱动放大电路为一固定放大倍数的大电流驱动型放大器电路，该电路提高输出正弦波信号的电流驱动能力到

250mA，从而保证该信号在输入六路天平电桥电路后，不会因为六路负载电流消耗，而导致驱动正弦波信号幅度发生变化；大电流驱动放大器输出信号一路用于电桥驱动，另一路输出到驱动信号幅度检测单元；驱动信号幅度检测电路由跟随器、幅度检波芯片、低通滤波及A/D转换电路组成；跟随电路用于对正弦驱动信号的跟随和隔离；幅度检测芯片实现正弦驱动信号幅度的均方检波，对其输出信号进行低通滤波后得到同正弦驱动信号幅度对应的低频直流信号，通过对该信号进行A/D采样后，传送给CPU作为驱动信号幅度变化的比较、判断和控制电压的调节参考；

上述S11‑S13驱动信号环路整体构成一闭环数字控制环路；该驱动信号延迟时间的调整功能，需根据正交检波电路得到的两路正交信号的幅度差异进行调整，当两路正交检波电路输出的直流信号幅度差异过大时，通过CPU计数时延的方式对驱动信号相位进行调整，从而使每个电桥输出信号的两路正交检波信号的输出直流信号幅度达到一致或相等，使S/N一致；

参考信号环路由双路正交方波输出单元、双路两级二阶带通滤波单元、双路正弦稳幅放大单元、90度相移参考信号跟随输出单元、D/A、幅度检波及A/D电路组成，其中，S21：90度相差方波输出由CPU计数器通过计数实现双路相差90方波输出或有90度移相电路实现，完成对方波幅度调整后输出到双路两级二阶带通滤波电路实现方波到正弦波的转换；

S22：双路两级二阶带通滤波电路输出的两路相差90度正弦信号经分别为和，双路两级二阶带通滤波电路的参数应保持对称一致；

S23：同驱动信号稳定放大单元电路一样，参考信号中双路正弦稳幅放大单元采用电压控制型放大芯片，通过闭环调节的方式实现正交参考信号的稳幅输出，其输出幅度跟正交检波芯片所需输入电压幅度一致，为了后续信号处理及计算方波，其输出信号幅度控制到峰峰值1V的正/余弦波参考信号；

S24：90度相移参考信号跟随输出电路用于实现峰峰值1V的正/余弦信号的跟随及隔离，之后分别送六路正交检波芯片和幅度检测电路；其中幅度检波电路对该两路信号分别进行幅度检波和A/D变换后，送CPU进行参考信号幅度监测并作为稳幅控制单元的控制电压调整依据；

通过S21‑S24的各个步骤实现两路正交参考信号的产生，该环路通过两闭环检测‑控制系统完成，实现幅度、相位稳定的参考信号输出；

放大检波环路实现对六路电桥输出信号的放大及正交检波处理，包括，六路信号前置放大、六路信号差分放大电路、六路正交检波电路、12路低通滤波放大、12路A/D转换电路及六路可变参考电平电路组成，其中，

S31：六路信号前置放大单元用于对六路电桥输出的微弱信号进行放大，在电桥平衡状态或桥臂电阻变化很小的条件下，电桥输出差分电压U1‑U6会出现mV甚至低于mV的电压情况，对电桥输出信号进行直接放大后，再进行后续处理，各电桥对应放大单元电路由超低噪声放大器组成；同时，该单元完成电桥差分输出信号到单端信号的变换，其放大倍数由电桥电桥不平衡分量、电桥最大检测范围和电桥桥臂电阻最大温漂共同决定；

S32：六路差分放大电路用于实现前置放大后输入信号的二次放大，此处的差分放大经六路参考电平抬高后进行二级放大，使输入电平的峰峰值达到正交检波电路的最大输入值，该模块按照正交检波芯片的最大输入峰峰值1V进行设计；

S33：正交检波电路用于实现各桥路输出放大后的信号同两路正交参考信号的乘法运算，并对运算结果进行平方运算；乘法放大输出信号分两路接入正交检波芯片，一路通参考信号的正弦信号做乘法运算，另一路通参考信号的余弦信号做乘法运算，对两路输出信号分布进行低通滤波后，利用正交检波芯片的另外两象限分别进行自乘运算，然后输出给12路低通滤波放大单元；

S34：12路低通滤波放大和A/D两单元实现正交检波输出的12路信号低通滤波、直流信号放大和A/D转换；正交检波输出的12路信号，经过低通滤波后得到低频/直流信号，该信号同桥臂的阻值变化直接相关，经12路直流放大后，送12路A/D转换电路，12路A/D采样得到的信号直接传送给CPU，为了进一步提高系统检测分辨率，CPU通过六路可变参考电平控制电路，调整低通滤波放大电路的参考电平，使在不同测量条件下，直流放大输出的电压接近A/D转换电路的电压范围；

通过两路闭环控制系统，驱动信号环路和参考信号环路，该系统实现了六分量天平驱动信号和正交参考信号的闭环控制，保证了测试过程中电压变化的实时监测和自动修复；

同时，CPU根据A/D采样得到的六路数字信号，判断桥路输出信号相位和参考信号相位的差异，通过调整驱动信号相位实现各路信号经正交检波后的直流分量趋于平衡。

2.根据权利要求1所述的一种六分量天平电桥的平衡S/N锁相放大检测系统，其信噪比的平衡和提高根据正交检波后的两正交直流分量的差异值，通过对驱动信号数字相位延迟的方式来实现的，其数字延迟时间精度由CPU最高工作频率决定。

3.根据权利要求1所述的一种六分量天平电桥的平衡S/N锁相放大检测系统，其特征在于：六分量天平的锁相放大检测系统的参考信号幅度稳定性和正交性的保证，是通过CPU数字计数器每四分之一周期完成一次输出管脚状态变化的方式来实现双路正交方波信号输出的。

4.根据权利要求1所述的一种六分量天平电桥的平衡S/N锁相放大检测系统，其特征在于，六分量电桥驱动所需的大电流幅度稳定的正弦波驱动信号产生电路，及参考信号幅度控制电路均为闭环控制系统，驱动信号和参考信号幅度的变化都通过CPU进行实时监测和进行快速调整。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种六分量天平电桥的平衡S/N锁相放大检测系统，其特征在于，电路驱动信号频率、正交参考信号频率都由CPU通过计数器产生，在系统设计带宽范围内根据环境噪声进行频率调整。

6.根据权利要求5所述的一种六分量天平电桥的平衡S/N锁相放大检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

驱动信号环路产生一个250mA、稳定的的大电流正弦驱动信号，接入六路并联电桥的两并联端或一端接驱动信号一端接地，以驱动六分量并联电桥，六路并联电桥在正弦信号的驱动下，从U1‑U6输出六路正弦差分信号；

驱动信号初始加载阶段，由于电桥发热及电桥散热过程需要一定的平衡时间，该段时间电桥输出信号需要等待一段时间后在进行参考信号的产生和正交检波处理；

参考信号环路产生两路正交、幅值稳定在峰峰值1V的参考信号，其正交方波的参数由CPU内部计数器，通过所需输出频率的四分之一周期计数和管脚输出电平切换来实现，从数字上保证CPU两输出管脚输出方波信号的正交特性，在保证电路对称和参数一致的条件下，方波转正弦波后得到的正弦波信号同样具有正交特性；

参考信号幅度的稳定性由参考信号环路的幅度检测和电压控制形成的闭环回路来保证，当幅度检测模块得到的电压数字变化后的值发生变化时，CPU会根据该值的变化对电压控制放大模块进行控制电压调整；

六分量天平输出的六路差分正弦信号U1‑U6经前置放大后，再进行二次差分放大后送入正交检波电路同参考信号进行正交检波处理，其中前置放大和差分放大两部分总放大倍数应综合天平各路电桥的温漂、最大阻值变化量、零点、最大测量范围及检波电路输入电压范围因素，进行综合设计；

六路正交检波电路用于各路信号同两路正交参考信号的乘法和低通滤波处理，选择4象限乘法器芯片实现，其中两象限用于放大后的电桥信号同两路正交参考信号的乘法运行，经低通滤波后，利用另外两象限分别对低通滤波后的信号进行自乘运算，实现正交解调后期需要进行的平方运算；

正交检波电路输出的12路低频直流信号经放大后，送12路18位A/D变换器进行数字采样处理，然后送CPU进行后期所需的各路正交信号的求和及开方运行，从而得到同天平输出的差分信号直接关联的数字测量信号；

六路可变参考电平模块用于消除各路天平零点分量，在初始状态，由于各路天平的输出信号存在非零初值，造成初始状态下，正交检波输出值非零，六路可变参考电平根据初始状态的12路A/D采样值，在相位调制后进行设置，使初始态输出值最小或接近于零；

CPU作为系统的控制和信号处理单元，其功能为：固定频率方波信号的产生、大电流正弦驱动信号输出幅度检测和控制、同驱动信号同频率正交方波信号的产生、两路正交参考信号幅度的检测及控制、六分量天平正交检波后输出的12路低频直流信号的采集及计算；

在信噪比平衡的保证上，利用六分量调频各路电桥初态输出信号，对各路输出A/D转换后的两路正交信号幅值进行比较，并调整大电流正弦驱动信号的相位，使两路信号在幅值上达到一致或平衡。

7.根据权利要求6所述检测方法，其特征在于，还包括：依据所处理的驱动及参考信号产生环路，其频率完全由CPU通过计数器控制输出，在电路滤波带宽范围内，通过调整计数的方式以调整系统的驱动和参考信号频率。

8.根据权利要求6所述检测方法，其特征在于，所述正弦驱动信号的幅度根据系统整体的检测范围进行调整。

9.根据权利要求6所述检测方法，其特征在于，驱动信号相位的调整精度为CPU芯片工作频率的单周期时间除以驱动信号的周期计数。

10.根据权利要求6至9任一项所述检测方法，其特征在于，所有电阻型电桥传感器均适用于所述检测系统进行信号采集。

说明书

一种六分量天平电桥的平衡S/N锁相放大检测系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及惠斯登电桥检测电路，尤其涉及一种六分量天平电桥的平衡S/N锁相放大检测系统及方法。

背景技术

[0002] 天平是风洞试验气动力测量的核心设备，针对风洞天平输出电压信号微弱、背景噪声强的特点，采用交流驱动电路，将直流信号转换为交流信号，基于锁相放大器(Phase‑
Locked Amplifier，PLA)对交流信号进行检测处理。锁相放大技术是一种基于相干解调原
理的微弱信号检测技术。通过给待测信号施加一个载波参考信号作调制，使载波参考信号
携带待测信号的幅频特征，然后在检测端利用本征参考信号与待测载波信号的强相关性，
将携带有待测信号幅频特征的参考载波信号进行相干解调，从而将待测信号从强背景噪声
中提取出来。

[0003] 六分量天平由六路电桥并联形成如图1所示，电桥是把电阻、电感和电容等元件参数转换成电压或者电流的一种测量电路。这种电路简单、精度高、灵敏度高，广泛运用于检
测电路中。电阻应变片应变的非电量转换成电量，就是通过电桥将电阻变化转换成电压的
变化，然后通过测量电桥输出电压的变化来实现应变量的检测。由于应变电阻变化量较小，
在检测过程中常受到噪声的干扰，使得检测过程中，抗干扰处理成为电桥信号检测电路中
尤为重要的设计要求。

[0004] 双路锁相放大器基本原理如图2所示，假设信号 其中ω为待测信号频率， 为待测信号，B(t)为总噪声。双路正交参考信号可定义
为：SRS(t)＝ARsin(ωt+δ)，SRC(t)＝ARcos(ωt+δ)，两路参考信号同待测信号相乘后得到
和
上述两信号中，AI为
待测信号分量幅度，AR为参考信号分量幅度，待测信号相对于参考信号相位差为 在
输入信号和参考信号稳定或变化缓慢的情况下，可认为该信号为一低频或直流信号；同理，
第二部分为参考信号二倍频交流信号；第三部分为噪声信号与参考信号的乘积，有正弦信
号的完备性可知，随信号与其不具有相关性，其积分结果为零。从频谱上看，第一部分结果
处于直流部分，第二部分才参考信号二倍频点，第三部分为原始信号经过ω频谱搬移，如果
是白噪声，其搬移结果仍为白噪声。经低通滤波后，令相位差 则，输出为，
可计算出不依赖于相位差的输出幅值
此幅值即为所需检测的天平各路电桥输出电压幅度。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明实施例提供一种六分量天平电桥的平衡S/N锁相放大检测系统，能够提升惠斯登电桥检测及信号传输过程的抗干扰能力、提高信号输出的幅度及平衡两路
正交检测通道的信噪比。

[0006] 第一方面，本发明实施例提供一种六分量天平电桥的平衡S/N锁相放大检测系统，包括：大电流稳幅正弦驱动环路、双路正交参考信号环路、桥路输出信号放大及双路正交检
波电路等，其中，

[0007] 大电流稳幅正弦驱动环路产生一个由CPU控制的固定频率、电流约250mA、幅度稳定可控的驱动信号，以驱动六分量天平的六个并联电桥相应传感器电阻，同时，电桥两输出
端输出电同驱动信号频率一致的正弦变化电压信号；

[0008] 由CPU通过计数器控制输出两路正交方波信号，经参考信号环路后产生两路幅值相等、相位相差90度的正弦参考信号。根据正交检波芯片所需输入信号峰峰值情况，该参考
信号幅度以控制在峰峰值为1V较佳；

[0009] 六路前置放大和差分放大电路由实现对各电桥输出信号的放大，使其在满量程范围内，放大到六路正交检波电路所能接受的最大峰峰值电压；

[0010] 利用正交检波芯片(此处可用四象限乘法器芯片实现)获取两路正交参考信号同待测信号的乘积，经低通滤波处理后，每路电桥输出信号得到正交检波输出的两路低频或
直流信号，利用检波芯片的另外两路乘法器得到两路输出低频或直流信号的平方值，并经
A/D转换器对平方后的两路信号进行模拟数字转换，得到相应数字信号并送CPU进行分析和
处理；

[0011] 控制芯片CPU得到两路正交检波并平方后的直流数字分量后，对两路信号幅值和大小进行分析和比较，当两路信号幅值差异大时，计算两路参考信号和待测电桥信号的行
为差异情况，并对驱动正弦信号的相位进行延时调整，使两路信号幅度经模拟数字变化后
得到的值基本一致或相等。通常，相等的情况为待测信号与两路参考信号的相位相差刚好
45度时；

[0012] 系统在相位调整结束后，由CPU通过六路参考电平单元调整12路低通滤波放大电路的参考电平，使各路放大器在测量开始阶段输入的差分信号降低，以适应满幅条件下放
大倍数要求；

[0013] 完成上述初始设定如，电桥驱动信号和参考信号相位调整、驱动信号幅度稳定、参考信号幅度稳定、六路参考电平设定等后，系统在固定这些参数的情况下，开始对六分量天
平的实时检测，并通过数字接口输出相对应的各路检测信号值。

[0014] 较佳地，系统驱动回路和参考回路均采用闭环控制方式，有CPU通过信息采集监测的方式来保证驱动信号和参考信号的稳定，有利于才实际测试过程中实现对系统的实时监
控。

[0015] 较佳地，针对六分量天平双路正交锁相放大检测中可能存在的上路信号幅值差异大的问题，该系统通过初始阶段的相位平衡调整，保证了测试过程中电桥输出信号相位同
双路参考信号相位的稳定和平衡。

[0016] 较佳地，所述检测系统驱动信号及参考信号都由CPU完成基本参数的控制和调整，系统无需再检查待测信号频率等信息，提高了用于六分量天平锁相放大检测的效率和稳定
性等。

[0017] 第二方面，本发明实施例提供一种六分量天平电桥的平衡S/N锁相放大检测系统，包括：通过利用双路正交锁相放大器的基本原理，实现了六分量天平的六路信号正交检波
处理，提高了系统检测过程中的抗噪声干扰能力；

[0018] 同时，系统由控制芯片CPU统一控制驱动和参考信号的频率、幅度和相位等参数，在滤波器带宽参数范围内，CPU可灵活调整系统整体工作频率，从而有利于回避锁相放大器
自身无法消除同频干扰的缺陷；

[0019] 双路正交锁相放大原理的另一个缺陷就是，在相位相差不同的情况下，两路输出电压的不平衡，最坏情况为一路信号幅值最大，而另一路信号为零，这种情况会对检测结果
造成较大影响。通过初始相位的检测和调整，能使系统在检测过程中，有效避免因相位未知
而引起的双路信号幅值相差大，造成两路信号信噪比不一致，而降低系统整体检测信噪比
的情况。

[0020] 较佳地，所述方法还可以包括：

[0021] 依据系统处理的过程，该六分量天平检测系统是一个全闭环控制系统，系统在工作过程中，任意一处的信号变化都可以得到有效的检测和控制。

[0022] 较佳地，电桥输出信号同参考信号的相位调整方式，可在A/D采样值的基础上，使用粗‑细两级调整方式，从而提高系统初始过程的处理效率，为了提高相位调整精度，是两
路正交信号平衡，可采用较高主频的CPU来对系统进行检测和控制。

[0023] 较佳的，本系统在完成初始设定后，只需在检测过程中对驱动信号和参考信号幅度进行检测即可，无需像别的锁相放大器一下，需试试检测待测信号频率的变化，从而提高
了系统整体检测效率。

[0024] 本发明实施例提供一种六分量天平电桥的平衡S/N锁相放大检测系统，通过驱动信号环路、参考信号环路、及放大检波环路实现了六分量天平检测系统的一体化设计。同
时，大电流、幅度稳定的驱动信号环路和参考信号环路通过闭环数字控制的方式，实现了环
路信号变化的实时检测和调整，消除了信号检测过程中由于信号幅度变化对检测结果的影
响；通过桥路信号放大及正交检波处理部分的参考信号和桥路输出信号的相位控制，使系
统在实时检测过程中，双路信号输出幅值平衡，从而保证了双路锁相放大过程中的信噪比
的一致性；有CPU控制的驱动信号和参考信号频率的灵活调整特性，使整个系统有利于回避
锁相放大处理中无法消除同频干扰等缺陷。

附图说明

[0025] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其它的附图。

[0026] 图1为六分量天平并联结构示意图及驱动信号的两种加载方式；

[0027] 图2为本实施例的六分量天平检测系统整体框图；

[0028] 图3为双路锁相放大原理示意图；

[0029] 图4为基于正弦数字移相驱动的平衡S/N六分量天平双路锁相放大检测系统及装置工作流程图。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

[0031] 应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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
它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0032] 一种六分量天平电桥的平衡S/N锁相放大检测系统包括两大部分：六分量天平并联电桥和六分量天平检测系统两部分。其中六分量天平并联电桥为天平设计过程中内置于
天平内部的六个并联电桥组成；检测系统主要包括驱动信号环路、参考信号环路、六路放大
及正交检波环路、CPU控制系统等。

[0033] 为了提高系统整体稳定性、平衡检测过程中各路信号的信噪比及系统抗干扰能力，一方面，系统从驱动信号的监测和控制上采样了数字化闭环控制的方式来实现驱动信
号相位的控制及幅度的监测；第二，对应同频参考信号的产生和控制，系统同样采样数字频
率控制及幅度监测的方式来达到参考信号幅度、频率、相位的稳定；最后，为了是正交检波
输出的双路信号幅度平衡，系统采样数字相位调整的方式，通过CPU控制驱动信号输出相位
延迟的方式来实现驱动信号和参考信号的相位平衡，其理想相位差应在45度的时候，其相
位控制精度依赖于CPU芯片的工作频率，提高或更换更高工作频率的CPU有利于进一步提高
相位控制精度。

[0034] 为了进一步提高系统稳定性及抗干扰能力，系统在设计带通滤波器带宽范围内，可对驱动及参考信号频率进行一定调整，从而回避系统在不同检测环境下出现的同频噪声
干扰。

[0035] 图2为本发明的实施例一种六分量天平电桥的平衡S/N锁相放大检测系统结构示意图。参见图2，本发明实施例的六分量天平信号检测系统包括：驱动信号产生环路、参考信
号产生环路、CPU控制系统、六路电桥输出信号放大及正交检波处理电路等，其中，

[0036] 六分量并联天平在大电流正弦信号驱动下，分布输出六路差分信号，差分信号的幅值直接反应对应电桥桥臂电阻阻值的变化；

[0037] 六路前置放大及差分放大电路用于实现电桥输出差分信号的幅度放大处理，在满量程测量条件下，其放大倍数由正交检波电路的最大输入电压信号和天平各电桥的最大测
量范围确定；

[0038] 跟随放大电路实现对桥路输出信号的跟随放大处理，一方面实现后续电路同桥路电路的隔离，另一方面，实现桥路输出信号的放大并提高信号的驱动能力；

[0039] 本实施例中，通过一种六分量天平电桥的平衡S/N锁相放大检测系统的设计，同直流驱动及交流电桥锁相放大处理从方式相比。具有如下优点：

[0040] (1)天平并联电桥驱动信号和参考信号有系统CPU通过数字控制产生后，经二级二阶带通滤波及幅度控制后形成，其驱动信号的幅度相位等参数可根据检测对象和环境噪声
等情况的不同，进行灵活调整，提高系统检测的适应性；

[0041] (2)驱动信号幅度数字可控，在不同检测精度要求下，可根据实际情况对驱动信号幅度进行数字调整，有利于提高系统整体的检测精度；

[0042] (3)系统初始参数调整及设定后，在检测过程中只需对驱动及参考信号幅度检测监测和控制，即可保证信号检测的稳定性；

[0043] (4)驱动信号同参考信号的相位调整，充分保证了双路正交输出信号的幅度一致性，从而使各路信号在检测过程中信噪比的一致性；

[0044] (5)系统控制芯片对输出频率控制的灵活性，使系统在初始化阶段可以根据检测系统工作环境噪声的不同，对工作频率进行相应调整，从而有效避免锁相放大信号检测自
身缺陷。

[0045] 图4为本发明的实施例一种六分量天平电桥的平衡S/N锁相放大检测系统流程示意图。如图4所示，该流程包括：

[0046] 步骤401，系统上电，CPU控制驱动信号环路，产生稳定输出的正弦驱动信号，并开始驱动六分量天平电桥；

[0047] 步骤402，CPU空时参考信号环路，输出幅值稳定、相位正交的双路参考信号，并送四象限乘法器，进行正交检波处理；

[0048] 步骤403，天平电桥输出信号经二级放大后，送乘法器进行，同参考信号进行正交检波运算，CPU根据得到的双路正交信号幅值，对驱动信号相位进行调整，使正交检波后的
双路输出信号幅值平衡；

[0049] 步骤404，CPU根据平衡后的双路信号，对各路电桥检波输出放大器的参考电平进行设定和调整，使各路放大器在初始状态下，输入差分信号降低；

[0050] 步骤405，系统开始正常信号采集处理，并在处理过程中，对驱动信号和参考信号的幅度进行实时监测和调整。

[0051] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应
涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。