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(hào)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(hào)的處理技術(shù)應(yīng)用，是為了得到振動(dòng)測(cè)試分析結(jié)果。而目前的振動(dòng)信號(hào)測(cè)試方法以及測(cè)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(cè)量方法。文章，對(duì)濾波法振動(dòng)信號(hào)的處理技術(shù)進(jìn)行了分析，包括振動(dòng)測(cè)試原理分析以及信號(hào)處理系統(tǒng)中硬件結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)。

濾波法；信號(hào)處理技術(shù)；實(shí)際應(yīng)用

1信號(hào)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(hào)的處理中，系統(tǒng)的硬件電路必須對(duì)需要采集的信號(hào)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(hào)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(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)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(hào)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(hào)通過急轉(zhuǎn)信號(hào)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(hào)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(hào)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?cè)O(shè)需要用到的信號(hào)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(duì)公式的理解相對(duì)最為簡(jiǎn)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(hào)鎖相環(huán)也是基準(zhǔn)信號(hào)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(hào)。

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(hào)放大使造成信號(hào)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(hào)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(hào)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(cè)信號(hào)的幅值大小和相對(duì)于基準(zhǔn)信號(hào)的相位，主程序中還應(yīng)該含有對(duì)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(hào)，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(hào)。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(hào)。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(jiǎn)單，所以建議使用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)。在信號(hào)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(hào)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(duì)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。

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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)