無源核子料位計脈沖信號采集與時頻域特征分析

宋榮志 高瀚君

摘? 要：通過示波器的遠程功能，對無源核子料位計探頭輸出的負脈沖信號進行了采集。在時域內(nèi)，對脈沖信號的下降沿時間、上升沿時間、下降沿電壓變化率、上升沿電壓變化率等指標進行了分析。結(jié)果表明，對于不同幅度的脈沖信號，上升沿時間和下降沿時間的離散性較小，上升沿和下降沿的電壓變化率基本與脈沖幅度成正比，后續(xù)電路的壓擺率指標要足夠大，以不失真地響應(yīng)這種變化。在頻域內(nèi)，對脈沖信號周期性延展后進行了快速離散傅里葉變換得到了其頻譜。結(jié)果表明，脈沖信號的最高頻率分量為1.296 MHz左右，后續(xù)處理電路的帶寬要至少大于此頻率值。為了對頻域分析的結(jié)果進行驗證，使用頻譜數(shù)據(jù)對信號進行了重構(gòu)，得到的近似波形與實測波形具有很好的吻合度。

關(guān)鍵詞：無源核子料位計；脈沖信號；離散傅里葉變換；時域分析

中圖分類號：TP391? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）17-0108-04

Analysis of Passive Nucleon Level Meter Pulse Signal Acquisition and

Time-frequency Domain Characterization

SONG Rongzhi1， GAO Hanjun2

（1.Jiangsu Vocational College of Information Technology， Wuxi? 214153， China;

2.School of Mechanical Engineering and Automation-BUAA， Beihang University， Beijing? 100191， China）

Abstract： The negative pulse signal output from the passive nucleon level meter probe is acquired by the remote function of the oscilloscope. In the time domain， the falling edge time， rising edge time， falling edge voltage variation rate， and rising edge voltage variation rate of the pulse signals are analyzed. The results show that for pulse signals of different amplitudes， the dispersion of rising edge time and falling edge time is small， and the rate of voltage change of rising edge and falling edge is basically proportional to the pulse amplitude， and the voltage swing rate indicator of the subsequent circuit should be large enough to respond to such changes without distortion. In the frequency domain， the spectrum of the pulse signal is obtained by performing a fast discrete Fourier transform after its periodic extension. The results show that the highest frequency component of the pulse signal is about 1.296 MHz， and the bandwidth of the subsequent processing circuit should be at least larger than this frequency value. In order to verify the results of the frequency domain analysis， the signal is reconstructed using the spectral data， and the approximate waveform obtained is in good agreement with the measured waveform.

Keywords： passive nucleon level meter; pulse signal; DFT; time domain analysis

0? 引? 言

無源核子料位計是一種應(yīng)用于燃煤電廠除塵系統(tǒng)中灰斗與倉泵等粉煤灰容器的新型非接觸式料位計。它利用粉煤灰所固有的微量天然γ射線來檢測灰斗與倉泵中的灰位[1-3]。隨著灰斗或倉泵內(nèi)灰位的升高，無源核子料位計探頭所接收到的γ光子的數(shù)量也逐漸增多，主要是如下兩個因素的影響：一方面，無源核子料位計探頭與粉煤灰的外表面之間的距離逐漸減小，新增加的粉煤灰所產(chǎn)生的γ射線的衰減距離減??；另一方面，粉煤灰的總量在增多，來自粉煤灰的γ光子的總量也在增多。

火電廠除塵系統(tǒng)中的灰斗和倉泵等粉煤灰容器的外壁一般是由5～10 mm厚的鋼板構(gòu)成的。由于γ射線具有很強的穿透能力，在由鋼板制成的粉煤灰容器外部就可以檢測到，因此無源核子料位計的測量方式屬于非接觸式測量，不會受到容器內(nèi)高溫、強粉塵等惡劣環(huán)境因素的影響，具有極高的可靠性。同時，由于無源核子料位計的探頭不與粉煤灰直接接觸，不會因為掛灰而引起誤報警?；谏鲜鲈颍瑹o源核子料位計正在逐步取代現(xiàn)有的接觸式的射頻導(dǎo)納料位計。

來自粉煤灰和環(huán)境的部分γ光子經(jīng)過容器壁、空氣和料位計外殼，進入無源核子料位計探頭。被探頭吸收掉的γ光子經(jīng)過碘化鈉晶體和光電倍增管及其分壓電路的處理，會轉(zhuǎn)變成一個電脈沖信號。后續(xù)信號處理電路對脈沖信號進行放大、濾波、整形和計數(shù)后送入單片機，單片機通過一定的算法將其轉(zhuǎn)化為料位高度信息。料位高度信息一般以3種方式對外輸出：

1）通過顯示屏直接以數(shù)字形式顯示，用戶可以直觀地獲得高度信息。

2）料位高度超過設(shè)定的閾值后，以繼電器形式輸出開關(guān)量報警信號，該報警信號可以接到DCS系統(tǒng)中。

3）料位高度以4～20 mA的標準電流信號對外輸出連續(xù)的料位高度信息，該信號也可以接到DCS系統(tǒng)中，而且由于是電流信號，不容易受到干擾。

無源核子料位計探頭輸出的原始脈沖信號具有周期短、非對稱、高輸出阻抗、易受干擾等特點，且含有寬帶噪聲，為了能夠得到比較理想的矩形脈沖信號送入單片機，后續(xù)的阻抗變換、放大、帶通濾波、整形、計數(shù)等信號處理電路的設(shè)計與優(yōu)化需要以脈沖信號的時域特征和頻域特征作為基本依據(jù)。

1? 脈沖信號采集

無源核子料位計的探頭本質(zhì)上是一個閃爍探測器[4]，主要由閃爍體、光電倍增管、分壓電路等構(gòu)成，探頭產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)信號線傳輸給信號處理電路，如圖1所示。

光電倍增管既可以用正高壓電源供電，也可以用負高壓電源供電，供電電壓一般在600～1 000 V范圍內(nèi)。高壓電源通過分壓電路給光電倍增管的各倍增極提供合適的偏置電壓，以獲得穩(wěn)定的電流增益。若使用正高壓電源供電，則脈沖信號為負脈沖，且分壓電路和信號處理電路之間需要使用高壓電容實現(xiàn)耦合，以濾除直流高壓分量的影響[5]，如圖2所示。

本文所涉及的脈沖信號，是從圖2所示電路中高壓耦合電容C0右端取出的電壓信號。

信號采集所用工具為北京普源精電科技有限公司的MOS2302A型數(shù)字示波器，該示波器支持遠程功能，可以通過個人計算機對示波器進行遠程控制。利用MATLAB軟件和廠家提供的驅(qū)動程序，首先通過觸發(fā)功能捕捉到單個脈沖信號，然后將采集到的數(shù)據(jù)從示波器傳輸?shù)接嬎銠C中并利用MATLAB強大的信號分析功能對信號做進一步的分析。通過編制程序，信號的采集和處理不但可以變得非常靈活，而且可以實現(xiàn)完全的自動化。信號采集中，所用的采樣頻率為2 GHz，存儲深度為28 000點。信號采集與分析的基本架構(gòu)如圖3所示。

2? 時域分析

使用示波器對無源核子料位計探頭輸出的電壓脈沖信號進行采集時，每次觸發(fā)所得脈沖信號的幅值是不同的。被無源核子料位計探頭中的碘化鈉晶體所吸收的γ光子具有不同的能量，其能量會導(dǎo)致碘化鈉晶體發(fā)出微弱的熒光，熒光光子的數(shù)量基本上與γ光子的能量成正比。碘化鈉晶體所產(chǎn)生的熒光光子經(jīng)過光耦合器進入光電倍增管的光陰極，在光陰極上因為光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子，光電子的數(shù)量與入射光子的數(shù)量成正比。在光電倍增管各個電極的偏置電壓不變的情況下，光電倍增管的增益是固定的，陽極輸出的光電流的大小正比于入射光的光子數(shù)量。因此，從以上分析可以看出，無源核子料位計探頭輸出的電壓脈沖的幅度基本上正比于γ光子的能量。因此，可以通過電壓脈沖信號的幅度來間接判斷γ光子能量的大小。將使用示波器采集得到的幾個不同幅值的原始脈沖信號繪制于一張圖中，如圖4所示。

為了對采集到的負電壓脈沖信號進行量化分析和對比，定義電壓脈沖信號由峰值的10%下降到峰值的90%所用的時間為下降沿時間tf；由峰值的90%上升到峰值的10%所用的時間為上升沿時間tr。下降沿時間和上升沿時間從時間維度描述了脈沖信號的變化特征。從圖4可以看出，脈沖信號近似以指數(shù)規(guī)律衰減。

進一步地，為了研究和比較圖4所示各脈沖信號下降沿和上升沿電壓變化的快慢程度，定義下降沿的電壓變化率為：

定義上升沿的電壓變化率為：

根據(jù)如上關(guān)于下降沿時間、上升沿時間、下降沿電壓變化率、上升沿電壓變化率的定義，通過MATLAB編程計算得到圖4所示三個電壓脈沖信號的時域特征參數(shù)，如表1所示。

表1中，下降沿時間tf和上升沿時間tr的量綱為μs，下降沿電壓變化率Rf與上升沿電壓變化率Rr的量綱為V/μs，脈沖峰值umin的量綱為V。

由圖4和表1中時域特征參數(shù)的具體數(shù)值可以看出，對于不同峰值的電壓脈沖信號，下降沿時間和上升沿時間的離散型較小，且不同幅度的電壓脈沖信號的周期基本上是相同的。盡管圖4和表1僅僅呈現(xiàn)了三個脈沖的數(shù)據(jù)，但是在實際的分析工作中，共采集了近1 000個脈沖數(shù)據(jù)，所得結(jié)論依然如此。

盡管上升沿時間和下降沿時間的離散性很小，但由于脈沖幅值的不同，下降沿和上升沿的電壓變化率幾乎與幅值的大小成正比。而且，下降沿的電壓變化率明顯大于上升沿的電壓變化率。在后續(xù)的信號放大電路的設(shè)計中，放大電路的壓擺率指標要至少大于眾多電壓脈沖信號電壓變化率的最大值9.079 V/μs，最好再保有一定的裕量，以防止信號失真。

3? 頻域分析

為了得到無源核子料位計探頭輸出的電壓脈沖信號更為全面的信息，還需要對脈沖信號進行頻域分析，分析各頻率分量的頻率值和所占的比重，重點分析其最高頻率分量的頻率。此處，利用MATLAB提供的fft（）函數(shù)來對所采集到的離散時間信號進行快速傅里葉變換得到其頻譜數(shù)據(jù)，通過一定處理后，利用plot（）函數(shù)來將頻譜圖繪制出來。

為了提高頻譜分析的頻率分辨率，依據(jù)離散傅里葉變換的基本原理，將圖4中幅值最大的脈沖信號的主體部分提取出來，并做多次周期性延展，如圖5所示。然后對延展后的信號按照上文所述的方法進行離散傅里葉變換[6-8]得到其幅度譜，如圖6所示。

從圖6所示脈沖信號的頻譜圖可以看出，脈沖信號的基頻在129.6 kHz左右，隨著頻率的提高，頻率分量所占比重越來越小，且當諧波分量的頻率為基頻的10倍以上時，其幅值已經(jīng)降到基頻分量幅值的4%以下。因此，可以將1.296 MHz作為脈沖信號的上限頻率。

為了對頻譜分析結(jié)果的正確性和上述關(guān)于上限頻率近似的合理性進行驗證，使用10倍基頻以內(nèi)的諧波分量來重構(gòu)原始曲線得到其近似曲線，如圖7所示。所謂的重構(gòu)，就是將基頻到10倍基頻的頻率分量，根據(jù)其幅值、頻率和相位信息，線性疊加得到一個近似信號，來表征原始信號的主要特征。

由圖7可以看出，根據(jù)主要頻率成分（基頻分量到10倍基頻分量）重構(gòu)的近似曲線與原始曲線的吻合度非常好，說明頻譜分析結(jié)果和對上限頻率的估計是完全合理的。

基于上述分析可知，可以將1.296 MHz作為無源核子料位計探頭輸出的電壓脈沖信號的上限頻率，后續(xù)處理電路的帶寬要至少大于此頻率值，最好再留出幾倍的裕量，以滿足信號處理的帶寬要求。尤其是在前端的信號放大環(huán)節(jié)，由集成運放構(gòu)成的具有阻抗變換特性的比例環(huán)節(jié)，其帶寬一定要大于該頻率值，以保證信號的不失真放大。同時，該比例環(huán)節(jié)中的集成運放，其壓擺率還要大于時域特征分析中得到的最大電壓變化率。帶寬要求和壓擺率要求，此二者要同時具備，才能保證不失真放大，這一點需要特別注意。

另外，為了改善系統(tǒng)的電磁兼容性，并得到比較光滑的脈沖波形以便于后續(xù)幅度甄別電路的處理，在帶通濾波器的設(shè)計上，通帶的范圍要將0.129 6～1.296 MHz這一頻率范圍包括在內(nèi)，以濾除固有的高頻噪聲和由電源線、信號線、外殼等引入的低頻噪聲。

4? 結(jié)? 論

通過北京普源精電科技有限公司的MOS2302A型數(shù)字示波器的遠程控制功能，利用MATLAB軟件對無源核子料位計探頭輸出的電壓脈沖信號進行了采集。

根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)，對脈沖的下降沿時間、上升沿時間、下降沿電壓變化率、上升沿電壓變化率等指標進行了分析。分析結(jié)果表明，不同幅度的脈沖，其下降時間和上升時間的離散型比較小，脈沖信號的周期基本相同，但電壓變化率隨著脈沖幅度的增大線性增大。后續(xù)處理電路的壓擺率指標要足夠大，以不失真地響應(yīng)這種變化。

同時，對采集的脈沖信號進行周期性延展后，利用MATLAB提供的fft（）函數(shù)進行了離散傅里葉變換，得到了其頻譜數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，隨著諧波分量頻率的增大，諧波分量的幅值逐漸減小，諧波分量所占比重減小，在10倍基頻時，幅值已小于基頻分量幅值的4%。依據(jù)10倍基頻以下的諧波分量可以較好地重構(gòu)出原始脈沖信號。由此可知，脈沖信號的頻率上限可以近似取為1.296 MHz，后續(xù)處理電路的帶寬要至少大于此頻率值，最好再留出幾倍的裕量。

以上時域和頻域分析結(jié)果，為后續(xù)阻抗變換、放大、帶通濾波、整形、計數(shù)等信號處理電路的設(shè)計與優(yōu)化提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，可以據(jù)此來設(shè)定合理的帶寬、壓擺率、傳輸延遲時間等指標。

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作者簡介：宋榮志（1987—），男，漢族，河北滄州人，講師，碩士，研究方向：智能傳感器。