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      探究數(shù)字相關(guān)濾波法振動(dòng)信號的處理技術(shù)

      2017-05-05 03:31:08沈虹良戈劍飛
      四川水泥 2017年3期
      關(guān)鍵詞:鎖相環(huán)理工大學(xué)基準(zhǔn)

      沈虹良 戈劍飛 劉 博

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      探究數(shù)字相關(guān)濾波法振動(dòng)信號的處理技術(shù)

      沈虹良 戈劍飛 劉 博

      (沈陽理工大學(xué) 遼寧沈陽 110158)

      隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,機(jī)械工程中增加了很多新興的技術(shù),這些技術(shù)為機(jī)械工程的安全、效率等等都起到關(guān)鍵的作用。在機(jī)械工程中,數(shù)字相關(guān)濾波法振動(dòng)信號的處理技術(shù)應(yīng)用,是為了得到振動(dòng)測試分析結(jié)果。而目前的振動(dòng)信號測試方法以及測試的設(shè)備多種多樣,很難得到統(tǒng)一并找到最為優(yōu)秀的測量方法。文章,對濾波法振動(dòng)信號的處理技術(shù)進(jìn)行了分析,包括振動(dòng)測試原理分析以及信號處理系統(tǒng)中硬件結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)。

      濾波法;信號處理技術(shù);實(shí)際應(yīng)用

      1信號處理系統(tǒng)中硬件結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)

      1.1硬件結(jié)構(gòu)

      如前文所述,函數(shù)的運(yùn)算已經(jīng)分析過,也是整個(gè)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的核心技術(shù)。但是,再嚴(yán)密的精確計(jì)算也需要采樣時(shí)序的精確和一定的信噪比,這樣才能保證運(yùn)算的正常進(jìn)行。在信號的處理中,系統(tǒng)的硬件電路必須對需要采集的信號進(jìn)行恰當(dāng)?shù)臑V波、放大處理,并且采樣時(shí)序也必需由硬件電路確保其精度,硬件電路主要有基準(zhǔn)信號鎖相環(huán)、自動(dòng)跟蹤帶通濾波器、數(shù)控量程放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和基準(zhǔn)周期計(jì)數(shù)器等電路構(gòu)成。筆者使用下圖一的形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析:

      圖一:硬件電路結(jié)構(gòu)

      通過圖一不難看出,傳感器信號和基準(zhǔn)信號是雙線進(jìn)行的,并且兩者之間也是有著很大的聯(lián)系。傳感器信號先在自動(dòng)跟蹤濾波的帶通下進(jìn)入數(shù)控放大,在數(shù)控放大中經(jīng)過處理進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換,最后進(jìn)入總線接口。而基準(zhǔn)信號通過急轉(zhuǎn)信號索相環(huán),進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換,最終到達(dá)總線接口中。這其中也有部分基準(zhǔn)信號進(jìn)入基準(zhǔn)周期計(jì)數(shù)器中,最后到達(dá)總線接口。

      基準(zhǔn)信號能否鎖相倍頻是整個(gè)系統(tǒng)可以正常工作的關(guān)鍵所在,這里我們設(shè)需要用到的信號周期為T,采樣的間隔時(shí)間為Ts,采樣的次數(shù)為K次。那么會(huì)有乳腺的表達(dá)式:T=KTs,對公式的理解相對最為簡單,就是在一個(gè)有用的周期內(nèi)所采集了K次,這樣每個(gè)采集點(diǎn)都是有著確定的數(shù)值。其中,基準(zhǔn)信號鎖相環(huán)也是基準(zhǔn)信號K次倍頻,將這個(gè)數(shù)值給模數(shù)轉(zhuǎn)換器是時(shí)序控制信號。

      另外,需要注意的是,實(shí)際工作中,傳感器的輸出信噪往往比較小,通常會(huì)導(dǎo)致信號放大使造成信號的阻塞,這也就是圖一中帶通濾波的原因,利用其作用來提升信噪比。帶通濾波還有一個(gè)作用,就是節(jié)省了人工的操作,其可以做到自動(dòng)跟蹤帶通的中心頻率,使得繁瑣的操作程序可以省略。數(shù)控放大電路可以根據(jù)信號的大小進(jìn)行自由的變換,從而達(dá)到模數(shù)的轉(zhuǎn)換需求??偩€口的作用最為重要,它是整個(gè)硬件電路與計(jì)算機(jī)“交流”的關(guān)鍵點(diǎn),也是整個(gè)信號處理系統(tǒng)的重要部分。

      1.2軟件設(shè)計(jì)

      數(shù)據(jù)采集的處理程序是主程序的一個(gè)可調(diào)用程序,其中主要用到了兩個(gè)判斷,一個(gè)是鎖相環(huán)工作是否穩(wěn)定,另一個(gè)是采樣是否結(jié)束。其中鎖相環(huán)工作是否穩(wěn)定這個(gè)判定條件最為重要,它是確定鎖相環(huán)的工作狀態(tài)是否良好,如果不穩(wěn)定會(huì)返回出錯(cuò)信息,示意其工作狀態(tài)不正常,也就是硬件方面可能有故障。如果鎖相環(huán)工作沒有問題,那么將向下進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)之后再進(jìn)行采樣結(jié)束與否的判斷,如果沒有問題向下運(yùn)算函數(shù)返回計(jì)算的結(jié)果,如果有問題返回到最初的狀態(tài)控制位置。主程序可以根據(jù)這些值計(jì)算出被測信號的幅值大小和相對于基準(zhǔn)信號的相位,主程序中還應(yīng)該含有對硬件電路初始化的命令。由于篇幅有限,軟件設(shè)計(jì)部分筆者就做以上闡述。

      1.3低通濾波器的設(shè)計(jì)

      加速傳感器在理想的情況下,其輸出肯定是恒定的直流信號,但是遇到振動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生變化,會(huì)因振動(dòng)頻率的不同而產(chǎn)生不同的交流信號。因此低通濾波器的設(shè)計(jì)也要消除振動(dòng)所產(chǎn)生的交流信號。參數(shù)設(shè)置:階數(shù)為3階、采樣的頻率是50Hz,設(shè)計(jì)工具采用Elliptic。

      首先,在Fliter Type中用Lowpass。之后,Design Method中用IIR ellipse,制定Filter Order項(xiàng)中的 Filter Order=3。還需要在Frequency Specification中的units中選取Nomalized(0 to 1),其次還要設(shè)置Wpass為0.15/25,最后在Magnitude Specification選項(xiàng)下設(shè)置Apass=0.1,Astop=30。之后點(diǎn)擊design filter就能夠產(chǎn)生IIR的數(shù)值濾波器,這時(shí)可以發(fā)現(xiàn)特性窗口中的濾波器是最為穩(wěn)定的。

      2濾波器實(shí)現(xiàn)

      濾波器設(shè)置已經(jīng)完成,之后點(diǎn)擊Analysis下的filter coefficients,在現(xiàn)實(shí)面板上可以看出z域函數(shù)如下:

      H(z)=(0.002 064 5-0.002 058 7z-1 - 0.002 058 7 z-2+0.002 064 5z-3

      )/(1-2.963 994 8z-1 + 2.928 893 4z-2-0.964 887 04z-3) ①

      在公式①傳遞函數(shù),實(shí)際方法可以通過通用或者是專用的硬件實(shí)現(xiàn)或者是計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。但是在實(shí)際工作中因?yàn)椴僮鬏^為簡單,所以建議使用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)。在信號傳感器運(yùn)算中,最好選擇有一定的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行卷積運(yùn)算,其運(yùn)算的結(jié)果要前一部分的濾波后的輸出信號進(jìn)行使用。為了避免顯示生活中運(yùn)算速度也精度的矛盾,需要注意數(shù)據(jù)的選取。因?yàn)榫矸e運(yùn)算中點(diǎn)數(shù)越多,精度越高,但是其速度很慢;反之卷積運(yùn)算中點(diǎn)數(shù)越少,相對應(yīng)的運(yùn)算的速度就越快。在進(jìn)行二者兼顧的過程中還要注意,保證運(yùn)算的精度可用性,因此需要多次的實(shí)驗(yàn)才能得到理想的結(jié)果。

      [1]張利,羅軼超,徐娟,牛青波,劉征宇. 基于變采樣長度相關(guān)濾波的不平衡信號提取法[J]. 中國機(jī)械工程,2015,13:1776-1782.

      [2]李富才,訾艷陽,何正嘉. 自適應(yīng)濾波與相關(guān)濾波在沖擊響應(yīng)信號特征提取中的應(yīng)用[J]. 振動(dòng)與沖擊,2004,03:26-30+136-137.

      [3]舒紅宇,謝凌飛,張儀棟,吳碧華. 轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡在線檢測的數(shù)字相關(guān)濾波方法[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,09:27-30.

      [4]鐘萍,丁曉利,鄭大偉,陳武. Vondrak濾波法用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)與GPS多路徑信號的分離[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,06:1189-1195.

      G322

      B

      1007-6344(2017)03-0301-01

      沈虹良,沈陽理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)

      戈劍飛,沈陽理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)

      劉博,沈陽理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)

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