利用數據處理算法提高測量儀器精度的探究

【摘 要】目前國內的測量儀器同國外相比，在測量精度與可靠性方面還是有很大的差距，如何提高測量儀器的測量精度，是我們需要考慮的問題。在生產研發時，電路的整體設計、元器件的選擇、模擬電路濾波、數據的采集、數據干擾處理等都會影響到儀器測量精度，如何利用軟件編程進行有效的數據處理，找到合適的算法模型，是提高儀器測量精度的重要手段。

【關鍵詞】測量精度；數據干擾；數據處理

1 精密測量儀器的重要性

在精密和超精密加工技術迅猛發展的今天，測量技術水平、測量精度的不斷提高已顯得尤為重要，在高質量產品的制造和高效率生產環境的構建中，測量技術起到了很大的作用，其重要性與日俱增。尤其在生產國際化、全球經濟一體化迅速發展的時期，要求不同地區生產的高精度零部件，必須具有良好的互換性，因此，急需建立一種基于國際標準的擁有極佳測量精度及可靠性的測量體制。為了滿足上述要求，精密測量儀器必須具有更高的精度、質量和可靠性。各個儀器生產廠商也都在積極開發功能更強、服務性能更好的新產品，而從中我們可以看到測量儀器的最新動向。國內的超精密加工現狀與國外相比，還是有很大的差距，其主要原因與精密的測量技術有著直接關系，如何提高測量技術水平和降低測量技術成本，使之在工程實際中得到更為廣泛的應用，并降低對環境和操作水平的要求是目前迫切需要解決的問題。

2 影響測量儀器精度的因素

2.1 機械結構的影響

測量儀器機械結構的定型設計至關重要，機械結構的剛性不夠強硬，一旦受到外界一些微小的影響都會使測量儀器工作的不穩定。另外許多測量設備都采用可變可調結構，可調可變的結構越多，相對測量儀器的穩定性能就會越差。

2.2 電氣方面的影響

電路的整體設計應充分考慮到可能會引起影響穩定性及精度的問題，以電感傳感器為例，輸入電橋、振蕩電流、整流電路、相敏檢波電流、正弦波發生電路等，都會影響到儀器的穩定性及測量精度。傳感器的選擇與控制電箱的匹配非常重要，因為不同傳感器材料的阻抗和靈敏度都不同，對應的電路設計也應該不同。在電路的整體設計中，電路的元件選定會受到外界因素的影響，例如溫度的升高或降低，也會影響儀器的測量精度。

2.3 工作環境的影響

在測量儀器的工作過程中，工作環境對測量精度會有較大的影響。工作環境可能會帶來不可避免的干擾，例如：高低頻噪聲干擾，電網諧波干擾，人體靜電干擾，空間的電磁干擾等許多干擾源，致使測量儀器在工作時的穩定性下降，因為傳感器是通過改變電感量來實現信號的輸入，而外界的干擾將直接影響到電感量的變化，直接影響儀器的測量精度。另外儀器應避免安放在風口位置，測量室都是恒溫的，在測量時，溫度撥動較大就會使整個測量儀器的工作不穩定。測量儀器的工作溫度、濕度等多方面因素的變化都或大或小的影響到儀器測量精度及其穩定性。在我們使用測量儀器時，應該注意以上幾個方面，來最大限度的提高測量精度。

3 常見提高測量精度的數據處理算法

在采集控制系統的模擬量輸入信號中，或多或少的含有各種干擾，這些干擾來自被檢測信號源本身、傳感器、外界干擾等幾個方面。提高測量的準確度，必須消除信號中的干擾，需要有效的對采集的數據進行算法處理，從而保證測量的準確性。在計算機應用普及率之高的今天，人們在實際應用中的數據處理方法很多，也不斷的有更適用不同測量儀的邏輯算法的出現。

3.1 中值數據處理算法

中值處理算法是基于排序統計理論的一種有效抑制噪聲的非線性信號處理技術，它的基本原理是將采集的數據按大小排列，形成有序列數列，序列中一點的值用該點的一個領域中各點值的中值代替，讓周圍的數據值接近真實值，從而消除孤立的噪聲點。

3.2 限幅數據處理算法

限幅數據處理算法是把兩次相鄰的采集值進行相減，取差值的絕對值△T作為比較依據，如果小于或等于△T，則取此次采樣值，如果大于△T，那么則取前次采樣值，如下式所示：

3.3 加權均值數據處理算法

加權均值即將各數值乘以相應的權重值，然后加總求和得到總體值，再除以總的單位數。數據處理算法是對采樣序列{Ti}|i=0-n中的數據通過{Ci}|i=0-n序列加權求和后，再取其平均值作為結果。

3.4 一階濾波數據處理算法

一階濾波算法又稱一階慣性濾波，可以實現普通硬件RC低通濾波的功能。

一階低通濾波算法公式為：Y（n）=aX（n）（1-a）Y（n-1）

式中：a=濾波系數；X（n）=本次采樣值；Y（n-1）=上次濾波輸出值； Y（n）=本次濾波輸出值。當濾波系數較小時，一階濾波算法可以消除一些偶然的干擾，濾波結果非常平穩。但是靈敏度較低，當輸入數據發生真實的變化時，濾波結果要經過多次濾波后才能逐漸跟上該變化。當濾波系數取中間值時，濾波結果平穩度和靈敏度都比較一般，濾波結果比采樣數據更平滑一些，但不能消除干擾值的影響。當濾波系數較大時，濾波效果已經不明顯了。通過比較可知：濾波系數越小，濾波結果越平穩，但是靈敏度較低；濾波系數越大，靈敏度越高，但濾波結果不穩定。

3.5 傅里葉級數處理算法

在數據采集和處理的過程中，當遇到確定周期T三角函數信號時，有一種非常快速有效的方法可以迅速的求出三角函數的振幅，相角。并且能有效的抑制信號中的干攏。這種方法就是傅里葉級數處理算法。

3.6 符合數據處理算法

有時為了提高濾波的效果，盡量減少干擾對測量精度的影響，常常將兩種或者兩種以上的數據處理算法結合起來，也可有效濾除干擾信號從而提高儀器的測量精度。

4 結語

精密加工和超精密加工已從單一的技術方法發展為制造系統工程。測量技術是實現超精密加工的前提和基礎。精密加工和超精密加工過程中不僅要對工件的表面和質量進行檢驗，而且要檢驗加工設備和基礎元部件的精度，如果沒有權威性的測量技術和測量儀器，就不能證實所達到的加工質量。在生產開發測量儀器時，應通過各類實驗，結合測量儀器的自身特點，找出合適的數據處理算法，彌補機械、電氣帶來的測量誤差，解決噪聲和干擾問題，有效提高測量儀器的測量精度。

【參考文獻】

[1]龔國盛.影響高精度測量儀器穩定性的幾種因素[J].精密制造與自動化，2001（3）.

[2]王慶河，王慶山.數據處理中的幾種常用數字濾波算法[J].計量技術，2003（4）.

[責任編輯：丁艷]