專利名稱：一種低頻率信號的相位差測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及低頻率信號的相位差測量技術，低頻率信號包含但不僅限于民用交流電。

背景技術：
在日常生活、生產(chǎn)過程中常常需要測量低頻率信號的相位差，測量的相位差越準確，應用的效果往往更好。在現(xiàn)有的相位差測量方法中，大多數(shù)采用將信號轉變成方波，然后測量兩個方波之間上升沿的時間差，從而得出兩個信號的相位差，但這種算法易于實現(xiàn)但需要額外的硬件，且容易受到干擾的影響。


發(fā)明內容
發(fā)明目的 本發(fā)明的主要目的就是解決現(xiàn)有技術中低頻率信號的相位差測量精度不夠準確，提出了一種低頻率信號的相位差測量方法。
技術方案 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出了一種低頻率信號的相位差測量方法，包括以下步驟 步驟1)，對低頻率信號進行采樣，得到一段時間內低頻率信號的采樣值； 步驟2)，根據(jù)步驟1)得到的采樣值，在低頻率信號由低向高變化時的零點附近選擇n個采樣點，擬合一條直線，設該直線與時間軸的交點為過零點，n≥2； 步驟3)，根據(jù)步驟2)得到的一系列過零點，計算信號的周期； 步驟4)，根據(jù)不同信號的過零點時間的差異和步驟3)得到的信號的周期，計算得到信號之間的相位差。
進一步的，本發(fā)明的低頻率信號的相位差測量方法中步驟1)所述的采樣是等時間間隔采樣或不等時間間隔采樣。
進一步的，本發(fā)明的低頻率信號的相位差測量方法中步驟1)所述的采樣為對整周波進行采樣。
進一步的，本發(fā)明的低頻率信號的相位差測量方法中步驟2)中確定波形的過零點包括以下步驟 2-1)在低頻率信號的由低向高變化時的零點附近選擇任意組合的若干個采樣點，選出的采樣點的采樣值全部為正，或全部為負，或根據(jù)需要選擇若干個采樣值為正、若干個采樣值為負的采樣點； 2-2)根據(jù)選出的若干個采樣點擬合一條直線，該直線與時間軸的交點為過零點。
進一步的，本發(fā)明的低頻率信號的相位差測量方法中步驟3)具體包括以下步驟 3-1)在信號的第j個由低向高變化時的零點附近選擇若干個采樣點之后，假設選取的采樣點數(shù)為n，每個采樣點的采樣時間為ti，采樣值為yi，則 令 再令 則擬合的直線方程式為y＝Aj*t+Bj； 則對應的過零點時間
上式中，n≥2，i、j均為自然數(shù)； 3-2)重復步驟3-1)可以得到若干個過零點時間T1，T2，T3...Tj-1，Tj，Tj+1...Tn...，由于被測信號的周期可表示為Tpj＝Tj+1-Tj，因此獲得的信號的周期依次為Tp1，Tp2，Tp3，Tp4，...Tpk-1，Tpk，...，k為自然數(shù)。
進一步的，本發(fā)明的低頻率信號的相位差測量方法中步驟4)所述具體步驟如下 由步驟3)計算得到的某一路信號的過零點為T1i，另外一路信號的過零點時間為T2i，低頻率信號的周期為Tpi，則兩路信號的相位差可表示為

也可以表示為

計算得出的結果分別是以度數(shù)和弧度表示的相位差值。
有益效果 1)傳統(tǒng)的零交法采用符號相反的兩個連續(xù)點來確定零點，雖然算法物理概念清晰，但是容易受諧波、測量誤差等的干擾，測量精度低。只有準確定位零點，才能計算出精確的相位差，對于低頻的信號而言(特別是民用交流電)，零點附近的波形近似為直線。隨著數(shù)據(jù)采集速度的提高，可以在零點附近任意選擇若干個采樣點。由選取的若干個采樣點去擬合直線，該直線與時間軸的交點為過零點。確定了信號的零點之后，可以精確計算出低頻信號的相位差。相比較傳統(tǒng)的零交法而言，運算量有所增加，但測量的精度、抗干擾性得到了很大的提高。
2)本發(fā)明所涉及的采樣可以是等時間間隔采樣，也可以是不等時間間隔采樣，如果是等時間間隔采樣的話，則運算量可以經(jīng)過優(yōu)化而進一步減少。



圖1是在零點附近進行等時間間隔采樣而獲取的8個采樣點的示意圖。
圖2是由4個負電平采樣點進行計算所獲得的信號零點的示意圖。
圖3是由3個負電平和1個正電平采樣點進行計算所獲得的信號零點的示意圖。
圖4是由2個正電平和2個負電平采樣點進行計算所獲得的信號零點的示意圖。
圖5是在不等時間間隔采樣情形下，由1個負電平和3個正電平采樣點進行計算所獲得的信號零點的示意圖。
圖6是計算信號周期的示意圖。
圖7是計算兩路信號計算相位差的示意圖。

具體實施例方式 下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明 本發(fā)明的實質是由若干個采樣點去擬合一條直線，選取的采樣點不宜過多，選取的采樣點如果較多的話，計算就會復雜一些；選取得采樣點也不宜過少，選取的采樣點如果較少的話，容易受到干擾的影響。因此用戶可以根據(jù)需要選取合理的采樣點組合和個數(shù)來進行計算。
為獲得較為精確的測量結果，建議的采樣點的選取方案是正的采樣點的數(shù)量和負的采樣點的數(shù)量相等或者大致相等，采樣點的個數(shù)則可根據(jù)具體實際情況來確定。
本發(fā)明的特點和優(yōu)點將通過實例結合附圖進行詳細說明。本發(fā)明的原理通過測量低頻信號的相位差來進行說明，隨著采樣速度的提高，在一個周波內的發(fā)生的采樣次數(shù)也越來越多，當采樣次數(shù)足夠多時，可以利用過零點附近的若干個點來擬合直線，該直線與時間軸的交點為過零點。后續(xù)的具體實施方式
中都采用了四個采樣點來計算零點，實際應用中可以根據(jù)需要適當增加或者減少采樣點的個數(shù)。本發(fā)明的具體實施過程如下 1.對被測信號進行采樣，這里所述的采樣為對整周波進行的采樣?？梢允堑葧r間間隔采樣，也可以是不等時間間隔采樣。
2.在信號的每一個零點附近選擇任意組合的若干個采樣點。這里所說的零點指的是低頻信號由低向高變化時的零點。選出的采樣點的采樣值可以全部為正；也可以是全部為負；也可以根據(jù)需要選擇若干個采樣值為正、若干個采樣值為負的采樣點。圖1上的S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7是在零點附近進行等時間間隔采樣而獲取的8個采樣點。可以在上述8個點(但不僅限于這8個點)中選擇若干個采樣點。為獲得較為精確的測量結果，建議的采樣點的選取方案是正的采樣點的數(shù)量和負的采樣點的數(shù)量相等或者大致相等。
3.得到過零點的過程如下在第j個零點附近選出了若干個采樣點之后，假設選取的采樣點數(shù)為n，每個采樣點的采樣時間為ti，采樣值為yi，則 令 再令 則擬合的直線方程式為y＝Aj*t+Bj；則對應的過零點時間
上式中，n≥2，i、j均為自然數(shù)； 4.圖2中的直線L0是由圖1中的采樣點S0，S1，S2，S3進行直線擬合而獲得的，直線L0和時間軸的交點T0可以認為是過零點；圖3中的直線L1是由圖1中的采樣點S1，S2，S3，S4進行直線擬合而獲得的，直線L1和時間軸的交點T1也可以認為是過零點；圖4中的直線L2是由圖1中的采樣點S2，S3，S4，S5進行直線擬合而獲得的，直線L2和時間軸的交點T2也可以認為是過零點。圖2、圖3、圖4的例子中的采樣是等時間間隔采樣。圖5是不等時間間隔采樣情形下，進行的直線擬合，擬合直線L3和時間軸的交點T3也可以認為是過零點。
5.得到若干個過零點時間后可進行信號周期的計算，圖6中的低頻信號在進行零點(信號由低向高變化時計算得出的過零點)附近的直線擬合后一共擬合了4條直線L1、L2、L3、L4，4條直線和時間軸的交點T1、T2、T3、T4則是4個過零點，由于被測地頻率信號的周期可表示為Tpj＝Tj+1-Tj，因此圖6中信號周期可表示為Tp4＝T4-T3、Tp3＝T3-T2、Tp2＝T2-T1。
6.相位差的計算可參見圖7，圖7中正弦波I在由低向高變化時與時間軸有兩個交點T1i和T1i+1，正弦波II在由低向高變化時與時間軸有兩個交點T2i和T2i+1，則正弦波I和正弦波II的相位差可表示為

或者

公式中的Tpi和Tpi+1是計算得出的信號的周期。公式也可以寫成弧度表達的形式。
優(yōu)選方案是所述的采樣為等時間間隔采樣。
綜上所述，本發(fā)明所涉及的一種低頻率信號的相位差測量方法，不需要將低頻信號轉換成方波，克服了傳統(tǒng)的過零點檢測抗干擾能力差的缺點，尤其適合于低頻信號的相位差測量，系統(tǒng)檢測方便，硬件開銷??；系統(tǒng)的抗干擾能力較強；實現(xiàn)起來簡單合理，數(shù)據(jù)準確、可靠；有較廣泛的應用前景。當然，本發(fā)明也可以應用于民用三相交流電的相位差測量、功角測量等等。
權利要求
1.一種低頻率信號的相位差測量方法，其特征在于包括以下步驟
步驟1)，對低頻率信號進行采樣，得到一段時間內低頻率信號的采樣值；
步驟2)，根據(jù)步驟1)得到的采樣值，在低頻率信號由低向高變化時的零點附近選擇n個采樣點，擬合一條直線，設該直線與時間軸的交點為過零點，n≥2；
步驟3)，根據(jù)步驟2)得到的一系列過零點，計算信號的周期；
步驟4)，根據(jù)不同信號的過零點時間的差異和步驟3)得到的信號的周期，計算得到信號之間的相位差。
2.根據(jù)權利要求1所述的低頻率信號的相位差測量方法，其特征在于步驟1)所述的采樣是等時間間隔采樣或不等時間間隔采樣。
3.根據(jù)權利要求1所述的低頻率信號的相位差測量方法，其特征在于步驟1)所述的采樣為對整周波進行采樣。
4.根據(jù)權利要求1所述的低頻率信號的相位差測量方法，其特征在于步驟2)所述過零點的確定步驟如下
2-1)在低頻率信號的由低向高變化時的零點附近選擇任意組合的若干個采樣點，選出的采樣點的采樣值全部為正，或全部為負，或根據(jù)需要選擇若干個采樣值為正、若干個采樣值為負的采樣點；
2-2)根據(jù)選出的若干個采樣點擬合一條直線，該直線與時間軸的交點為過零點。
5.根據(jù)權利要求1所述的低頻率信號的相位差測量方法，其特征在于步驟3)具體包括以下步驟
3-1)在信號的第j個由低向高變化時的零點附近選擇若干個采樣點之后，假設選取的采樣點數(shù)為n，每個采樣點的采樣時間為ti，采樣值為yi，則
令
再令
則擬合的直線方程式為y＝Aj*t+Bj；
則對應的過零點時間
上式中，n≥2，i、j均為自然數(shù)；
3-2)重復步驟3-1)可以得到若干個過零點時間T1，T2，T3...Tj-1，Tj，Tj+1...Tn...，由于被測信號的周期可表示為Tpj＝Tj+1-Tj，因此獲得的信號的周期依次為Tp1，Tp2，Tp3，Tp4，...Tpk-1，Tpk，...，k為自然數(shù)。
6.根據(jù)權利要求1所述的低頻率的相位差測量方法，其特征在于步驟4)所述具體步驟如下
設由步驟3)計算得到的某一路信號的過零點為T1i，另外一路信號的過零點時間為T2i，低頻率信號的周期為Tpi，則兩路信號的相位差可表示為
也可以表示為
計算得出的結果分別是以度數(shù)和弧度表示的相位差值。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種低頻率信號的相位差測量方法。該方法的基本原理是首先通過采樣值計算兩路或多路低頻率信號的過零點(信號由低向高變化時的過零點)時間，后由過零點計算信號的周期，最后使用不同信號的過零點時間的差異和信號的周期來計算信號之間的相位差。本發(fā)明不需要將低頻信號轉換成方波，克服了傳統(tǒng)的過零點檢測抗干擾能力差的缺點，尤其適合于低頻信號的相位差測量，系統(tǒng)檢測方便，硬件開銷?。幌到y(tǒng)的抗干擾能力較強；實現(xiàn)起來簡單合理，數(shù)據(jù)準確、可靠、有較廣泛的應用前景。
文檔編號G01R25/00GK101813725SQ201010150138
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月15日 優(yōu)先權日2010年4月15日
發(fā)明者戴爾晗, 趙元正, 孫海安, 林玲 申請人:南京郵電大學