肖棟林， 吳　賓， 向　函

(浙江大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程與儀器學(xué)院，浙江 杭州 310027)

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基于雙通道異步采樣的振動(dòng)傳感器測量方法

肖棟林， 吳賓， 向函

(浙江大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程與儀器學(xué)院，浙江 杭州 310027)

摘要:高精度振動(dòng)傳感器數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)對采樣精度和實(shí)時(shí)性有很高的要求。為了解決測量環(huán)節(jié)中采樣速率和精度相互制約的問題，提出一種對振動(dòng)傳感器信號進(jìn)行雙通道異步采樣，在高速通道進(jìn)行自適應(yīng)Kalman濾波，同時(shí)利用低速通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)精度補(bǔ)償?shù)臏y量方案。考慮到數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)對采樣率、高精度和實(shí)時(shí)性的要求，詳細(xì)設(shè)計(jì)了雙通道異步測量電路和異步數(shù)據(jù)融合算法。仿真實(shí)驗(yàn)表明:該方法精度上比傳統(tǒng)方法有了明顯提高，并且實(shí)時(shí)性優(yōu)于傳統(tǒng)的抽樣率變換方法。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)傳感器； 雙通道異步采樣； 自適應(yīng)Kalman濾波； 最優(yōu)加權(quán); 測量方法

0引言

振動(dòng)傳感器的數(shù)字化與智能化是當(dāng)前的一種發(fā)展趨勢，其數(shù)字化閉環(huán)系統(tǒng)主要包含測量環(huán)節(jié)、數(shù)字控制環(huán)節(jié)和反饋環(huán)節(jié)三個(gè)部分。測量環(huán)節(jié)主要由檢測電路、A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)及后續(xù)數(shù)字信號處理部分組成，作為直接實(shí)現(xiàn)部分，其對系統(tǒng)精度的制約體現(xiàn)在：首先，測量環(huán)節(jié)的精度直接影響系統(tǒng)的輸出精度，低精度的ADC無法滿足高精度的數(shù)字化要求；其次，測量環(huán)節(jié)的采樣速率會(huì)影響系統(tǒng)的控制難度，低采樣率的ADC會(huì)加大系統(tǒng)的反饋控制難度；最后，測量環(huán)節(jié)的信號處理會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，信號處理的耗時(shí)會(huì)要求數(shù)字控制環(huán)節(jié)中增加額外的遲滯補(bǔ)償，不利于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。因此，測量環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)需要兼顧高精度、高采樣率和強(qiáng)實(shí)時(shí)性的要求。

在高精度測量環(huán)節(jié)中，ADC的轉(zhuǎn)換速率和精度始終是一對相互制約的關(guān)系，單片ADC很難同時(shí)滿足高采樣率和高精度的要求，例如:TI的ADS1281是目前精度最高的ADC之一，但采樣率超過8 kHz時(shí)噪聲急劇增加。而若以低采樣率工作，當(dāng)待測信號頻率增大時(shí)，由于單周期采樣點(diǎn)數(shù)的減少導(dǎo)致控制難度加大，系統(tǒng)的幅值不確定度和諧波總失真度會(huì)迅速下降[1]。為了突破采樣率與精度的限制，傳統(tǒng)方法大都采用基于抽樣率變換的純數(shù)字方法或基于多通道采樣理論的多片ADC并行采集方法，如時(shí)間交織采樣、正交鏡像濾波器組、混合濾波器組等[2～4]。這些方法在實(shí)時(shí)性要求不高的場合能取得一定效果，但是在實(shí)時(shí)性要求很高的高精度系統(tǒng)中，這些方法存在精度低、時(shí)滯長、控制中心計(jì)算負(fù)荷大的缺點(diǎn)[5,6]。

為了解決當(dāng)振動(dòng)傳感器輸出頻率增大時(shí)的采樣率與精度制約，本文設(shè)計(jì)了一種對振動(dòng)傳感器輸出信號進(jìn)行雙通道異步采樣的測量方法。兩通道分別采用低速高精度的ADC和高速低精度的ADC進(jìn)行測量，最后利用自適應(yīng)Kal-man濾波器進(jìn)行異步數(shù)據(jù)融合。仿真結(jié)果表明:該方法能兼顧高采樣率和高精度的要求，從而降低振動(dòng)傳感器輸出頻率增大時(shí)的控制難度，此外，相比于傳統(tǒng)的抽樣率方法，該方法具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，更適用于實(shí)時(shí)性控制場合。

1雙通道異步測量電路設(shè)計(jì)

圖1為雙通道異步測量電路示意圖。振動(dòng)傳感器的輸出信號首先進(jìn)入取樣電路進(jìn)行取樣，取樣后的信號分成兩路，一路經(jīng)過調(diào)理電路1進(jìn)入ADC1，該通道的ADC采樣率低而精度很高；另一路經(jīng)過調(diào)理電路2進(jìn)入ADC2，該通道的ADC采樣率高而精度低。調(diào)理電路分開有利于滿足各通道ADC的最佳輸入范圍要求，為了使兩通道的信號相位嚴(yán)格匹配，這里的調(diào)理電路只進(jìn)行幅度調(diào)整，如果要對輸入信號進(jìn)行濾波，則可以在前端共用濾波電路。為了降低電路噪聲，提高測量精度，調(diào)理電路選用低噪聲、低溫漂的全差分放大器。

圖1　雙通道異步測量電路Fig 1　Dual channel asynchronous measurement circuit

2異步融合算法

振動(dòng)傳感器經(jīng)過雙通道采樣后，在信號處理環(huán)節(jié)進(jìn)行異步數(shù)據(jù)融合。本文的異步融合算法主要包括兩個(gè)過程：首先，利用低速通道的高精度數(shù)據(jù)對高速通道進(jìn)行實(shí)時(shí)精度補(bǔ)償；然后，對高速通道進(jìn)行自適應(yīng)Kalman濾波。

zk=WX=[w1,w2][z1,z2]T.

(1)

其中

(2)

圖2　采樣系統(tǒng)的異步融合算法流程圖Fig 2　Flow chart of asynchronous fusionalgorithm of sampling system

3仿真實(shí)驗(yàn)

3.1仿真模型

3.2仿真結(jié)果

圖3是對振動(dòng)傳感器的輸出信號進(jìn)行測量的結(jié)果，分別對比了本文測量方案和傳統(tǒng)方法在振動(dòng)傳感器輸出頻率為10,100,200Hz時(shí)的測量結(jié)果。其中傳統(tǒng)方法僅對高速通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行Kalman濾波處理，沒有低速通道的精度補(bǔ)償。從圖3可以看出：首先，兩種方法的采樣率都提高到與高速通道一致，這有利于降低反饋控制環(huán)節(jié)的難度，從而保證數(shù)字化系統(tǒng)的不確定度和諧波總失真指標(biāo)；其次，本文方法比傳統(tǒng)方法具有更高的精度，由此可見本文方法在提高采樣率的同時(shí)，很好地保證了傳感器信號的測量精度；最后，實(shí)時(shí)性方面，從圖中可知，當(dāng)振動(dòng)傳感器輸出頻率為200Hz時(shí)，本文方法對信號仍然具有很高的跟蹤性能，而傳統(tǒng)方法則表現(xiàn)出明顯的相位延遲，這不利于反饋控制的實(shí)時(shí)性，因而本文方法更能勝任實(shí)時(shí)性要求高的場合。

表1是本文方法與傳統(tǒng)方法的量化比較結(jié)果，從表1可知，采用本文方法后，靜態(tài)方差提高了76.9 %，振動(dòng)傳感器輸出信號在100Hz內(nèi)時(shí)，本文方法比傳統(tǒng)方法提高了6dB左右，在輸出信號達(dá)到200Hz時(shí)，本文方法比傳統(tǒng)方法提高約3dB，由此可見本文方法很好地提高了振動(dòng)傳感器信號的測量精度。

圖3　本文異步融合方法與傳統(tǒng)方法比較Fig 3　Comparison of method in this paper with traditional method

性能傳統(tǒng)方法本文方法性能提高靜態(tài)方差σ2(%)0.320.0776.910Hz輸出信噪比(dB)21.627.86.2100Hz輸出信噪比(dB)21.327.25.9200Hz輸出信噪比(dB)17.220.83.6

圖4為本文方法與精度相當(dāng)?shù)某闃勇首儞Q方法對比圖，其中，抽樣率變換由4倍插值和20階FIR去鏡像濾波器組成，振動(dòng)傳感器的輸出頻率為100 Hz。從圖4可知，雖然兩種方法精度相當(dāng)，但是，抽樣率變換具有明顯的相位延時(shí)(大約10個(gè)高速采樣間隔)，這對于要求實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋控制的控制環(huán)節(jié)是極其不利的。

圖4　采用傳統(tǒng)抽樣率變換方法與本文異步融合方法比較Fig 4　Comparison of traditional sampling rate conversionmethod with method in this paper

4結(jié)論

本文針對高精度振動(dòng)傳感器數(shù)字化過程中，測量環(huán)節(jié)中ADC的高精度與高采樣率相互制約的問題，提出了一種利用雙通道進(jìn)行整數(shù)倍異步采樣的測量方案。在數(shù)據(jù)融合時(shí)，對高速通道進(jìn)行自適應(yīng)Kalman濾波，同時(shí)利用低采樣率通道的高精度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)精度補(bǔ)償。這種方法的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下三點(diǎn)：1)該方法提高了采樣率，從而能有效降低控制環(huán)節(jié)的控制難度；2)該方法具有很高的精度，很好地滿足了高精度數(shù)字化過程中的低噪聲要求；3)該方法具有很好的跟蹤性，避免了傳統(tǒng)抽樣率變換方法相位延時(shí)大的缺點(diǎn)，因而更能適應(yīng)實(shí)時(shí)性要求高的場合。

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肖棟林(1988-)，男，湖南邵陽人，碩士研究生，主要從事信號處理、高精度電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究。

Vibration sensor measurement method based on two-channel asynchronous sampling

XIAO Dong-lin, WU Bin, XIANG Han

(School of Biomedical Engineering & Instrument Science,Zhejiang University, Hangzhou 310027,China)

Abstract:Digital closed-loop system of high precision vibration sensor demands for high sampling precision and real-time performance.In order to solve problem of constraints of sampling rate and precision in measurement,a two-channel asynchronous sampling method is proposed,adaptive Kalman filtering is carried out in high speed channel and low speed channel data is used for realtime precision compensation.Considering sampling rate,high precision and real-time requirements of digital closed-loop system,two-channel asynchronous measuring circuit and asynchronous data fusion algorithm are designed in detail.Simulation experiment show that precision of this method is enhanced than traditional method,and real-time performance is prior to the traditional sampling rate conversion method.

Key words:vibration sensor; two-channel asynchronous sampling; adaptive Kalman filtering; optimal weighting; measurement method

作者簡介:

中圖分類號：TP 274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1000—9787(2016)01—0146—03

收稿日期：2015—03—20

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0146—03