边沿效应及其在精密测量中的应用

作     者：叶云霞 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宣宗强

授予年度：2014年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：分辨率 稳定性 模糊区 边沿效应 精密测量 

摘      要：所有的测量都存在测量误差和设备分辨率的问题,而测量分辨率存在一定的限度,这就使得在测量时会在以标准值为中心的区域形成一个模糊区。如果不进行任何处理,则测量时会以模糊区内任意一点作为被测结果,最终得到的测量精度与模糊区的大小一致。因此对于分辨率和模糊区的研究具有重要意义。在两个比对对象间的变化呈单调变化的情况下会形成集中模糊区,而当两个比对对象间的关系比较复杂时,则会产生离散模糊区。但是无论是集中的模糊区还是离散的模糊区,参考信号与被测信号间的比对特征在模糊区的边沿可以灵敏地检测出模糊区内与模糊区外的不同结果。由于模糊区边沿具有很高的稳定性,这时利用边沿效应可以实现更高精度的测量,检测得到的最终分辨率将取决于设备分辨率的稳定性,将远高于设备分辨率本身。为了探索边沿效应的物理特性,进行了基于相位重合检测的高分辨率频率测量。在周期性信号间规律性现象的研究中发现可以利用直接数字式频率合成器（DDS）根据被测信号的频率调整参考信号频率以保证参考信号与被测信号之间相位差的变化是单调排列的,从而可以形成较容易处理的集中模糊区。通过实验比对不利用模糊区边沿和利用模糊区边沿进行测量的结果,得出了合理利用边沿效应能够大幅度提高测量精度的结论。在测量装置分辨率模糊区的边沿,极其微弱的信号变化就有可能使得检测的结果在模糊区的边沿内和外发生变化。这可以实现一些以往难以测量的物理量的测量,比如响应时间短到100ns量级的瞬态频率稳定度。瞬态频率稳定度更能直观地在时域上反映频率源实时短期的稳定度和远端的相位噪声。利用边沿效应进行相位噪声测量,与传统的相位噪声测量方法相比具有线路简单、响应时间快和灵敏度高等优点。在大量数字化的测量和均匀刻度的测量中,其量化值和刻度值就是测量中的边沿,通过利用这些边沿物理特性的稳定性使得很多物理量的测量精度得到提高。本文对利用边沿效应进行长度测量、电压测量和传感器测量的原理进行了分析和仿真,验证了边沿效应具有高分辨率的特征。由此可见边沿效应在广泛物理量的精密测量中具有普遍性,并且合理利用边沿效应具有很好的应用价值。此外还有很多物理量在现有测量精度的基础上合理利用边沿效应就可以进一步提高测量的精度。一些在通常情况下较难实现的测量精度和目标合理利用边沿效应也可以得到解决。因此边沿效应的利用对于未来测量技术的发展提供了一种方向性的手段。