汪其銳,王桂華,王永軍（山東省建筑設(shè)計(jì)研究院,濟(jì)南　250001）

數(shù)字濾波技術(shù)在稱重傳感器信號(hào)上的應(yīng)用

汪其銳,王桂華,王永軍
（山東省建筑設(shè)計(jì)研究院,濟(jì)南250001）

摘要：稱重傳感器信號(hào)容易受到外部噪聲干擾，因此其精度問題一直制約稱重行業(yè)的發(fā)展，本文選用了幾種常見數(shù)字濾波方法對(duì)稱重傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波，并分別對(duì)其進(jìn)行比較分析，最終選擇一種最優(yōu)的濾波方式，并用實(shí)驗(yàn)證明這種濾波方式大大提高了信號(hào)采集精度。

關(guān)鍵詞：一階濾波；FIR濾波；巴特沃斯濾波

1　稱重傳感器信號(hào)濾波的意義

目前，稱重傳感器越來(lái)越被廣泛的應(yīng)用到各行各業(yè)，比如，包裝、物流等現(xiàn)場(chǎng)稱重，水泥、注塑機(jī)等的下料配給以及汽車、機(jī)車的軸重計(jì)量等。然而復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境經(jīng)常包含各種各樣的干擾，主要包括機(jī)械振動(dòng)、過程通道干擾、空間干擾（電磁波干擾）等，他們對(duì)稱重傳感器信號(hào)采集精度產(chǎn)生了巨大影響，對(duì)實(shí)際稱重系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大誤差，對(duì)于工業(yè)精度要求較高的場(chǎng)所，這些影響顯得尤為重要。因此本文討論幾種數(shù)字濾波方式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，提高信號(hào)精度，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

2　原始信號(hào)分析

稱重傳感器信號(hào)頻率一般為低頻信號(hào)，為避免傳感器信號(hào)失真，本文搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并選定任務(wù)循環(huán)周期為10ms，即采樣頻率為100Hz，然后采集一組原始數(shù)據(jù)時(shí)域圖。

圖1　原始數(shù)據(jù)時(shí)域圖

從圖1上可以看出，稱重傳感器信號(hào)噪聲干擾較為明顯，并且呈現(xiàn)一定的周期性規(guī)律，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差為9.32，為進(jìn)一步分析，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT分析得出其頻譜圖。

圖2　原始數(shù)據(jù)頻譜圖

從圖2上可以看出，原始數(shù)據(jù)信號(hào)在0.2Hz處有一個(gè)明顯的脈沖，因?yàn)榉Q重傳感器信號(hào)頻率一般為低頻信號(hào)，因此可判斷本實(shí)驗(yàn)稱重傳感器的信號(hào)頻率為0.2Hz，同時(shí)可看到其他波段處波動(dòng)較為均勻，是明顯的白噪聲干擾。因此，為了保證稱重傳感器信號(hào)的真實(shí)不失真性同時(shí)兼顧系統(tǒng)精度要求，選定數(shù)字濾波器為低通濾波器，其截止頻率為2Hz。

3　一階慣性濾波

一階慣性濾波器因其程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，濾波效果明顯，因而被廣大設(shè)計(jì)人員所采用，對(duì)于截止頻率為2Hz的一階慣性濾波器，其系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

其離散化式子為：y(n)=0.12x(n-1)+0.88y(n-1)

因此我們可以設(shè)定程序?qū)υ紨?shù)據(jù)進(jìn)行一階濾波，濾波之后數(shù)據(jù)圖如圖1所示。

圖3　一階慣性濾波后時(shí)域圖

對(duì)比圖1和圖3可以看出，經(jīng)過一階慣性數(shù)字濾波之后，原始數(shù)據(jù)波動(dòng)改善明顯，毛刺明顯變小，其濾波效果已經(jīng)相當(dāng)不錯(cuò)，其標(biāo)準(zhǔn)差減小為2.26，數(shù)字信號(hào)精度提高75.75%。

4　FIR濾波

FIR(FiniteImpulseResponse)數(shù)字濾波器又稱為“有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器”。其頻域傳遞函數(shù)一般為：

因此設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器的關(guān)鍵就是計(jì)算出其濾波器系數(shù)。本項(xiàng)目采用窗口函數(shù)法設(shè)計(jì)FIR數(shù)字濾波器，設(shè)定濾波器的截止頻率為2HZ,窗函數(shù)為海明窗(Hamming)。對(duì)于截止頻率只有幾赫茲的FIR濾波器來(lái)說，要想有較高的濾波效果，濾波器階數(shù)最好是幾十階甚至上百階，但在實(shí)際工程項(xiàng)目中，階數(shù)太高的FIR濾波器在程序編寫上不方便，為此我們選定濾波器的階數(shù)為10階。濾波后數(shù)據(jù)時(shí)域圖如圖4所示。

圖4　FIR濾波后時(shí)域圖

對(duì)比圖1和圖4可以看出，F(xiàn)IR濾波后數(shù)據(jù)相對(duì)于原始數(shù)據(jù)其濾波效果也很明顯，經(jīng)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差減小為2.62，數(shù)字信號(hào)精度提高71.89%。

FIR濾波精度跟一階慣性濾波器對(duì)比可知，其濾波效果不如一階慣性濾波器，濾波后數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差FIR稍大，所以FIR濾波器不是我們所需要的理想濾波器。

5　IIR濾波

IIR(InfiniteImpulseResponse)數(shù)字濾波器又稱為“無(wú)限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器”。其時(shí)域傳遞函數(shù)一般為：

圖5　巴特沃斯濾波后數(shù)據(jù)時(shí)域圖

IIR濾波器也有很多形式，本文將選用在通帶內(nèi)最為平坦的巴特沃斯數(shù)字濾波器，其設(shè)計(jì)方法一般是：首先確定濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)，包括濾波器階數(shù)和歸一化的截止頻率，然后借助Matlab中的FDA Tool工具箱觀察其幅頻曲線，看其通帶阻帶衰減是否合適，最后利用庫(kù)函數(shù)butter函數(shù)得出濾波器的系數(shù)。本文設(shè)定巴特沃斯濾波器截止頻率為2Hz，階數(shù)為6階。濾波后數(shù)據(jù)時(shí)域圖如圖5所示。

對(duì)比圖1和圖5可以看出，巴特沃斯數(shù)字濾波器濾波效果十分優(yōu)越，濾波后的數(shù)據(jù)曲線很平滑，基本上沒有毛刺，經(jīng)計(jì)算濾波后的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差僅為1.51，將數(shù)字信號(hào)精度提高了83.80%。比一階慣性濾波標(biāo)準(zhǔn)差小很多。說明巴特沃斯濾波器對(duì)稱重傳感器信號(hào)高頻噪聲有很好的抑制作用，是我們所需要的數(shù)字濾波器。

6　總結(jié)

本文主要探討了幾種常用的數(shù)字濾波方法，并通過實(shí)驗(yàn)分別對(duì)他們進(jìn)行了分析對(duì)比，最終我們決定采用巴特沃斯數(shù)字濾波器對(duì)稱重傳感器進(jìn)行濾波處理，這種數(shù)字濾波方法大大提高了傳感器信號(hào)的采集精度，并且這種濾波技術(shù)不增加硬件電路設(shè)計(jì)，不增加額外成本，并且程序編寫簡(jiǎn)單、靈活，因此可以大規(guī)模的推廣使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳忻生,唐萍,秦瀚.數(shù)字濾波技術(shù)在稱重系統(tǒng)信號(hào)采集中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng),2010,29(09):131-134.

[2]張小虹.數(shù)字信號(hào)處理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

作者簡(jiǎn)介：汪其銳（1988-），男，山東濟(jì)南人，碩士，助理工程師，主要從事：電氣設(shè)計(jì)。