探究數字相關濾波法振動信號的處理技術

沈虹良 戈劍飛 劉 博

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探究數字相關濾波法振動信號的處理技術

沈虹良 戈劍飛 劉 博

（沈陽理工大學 遼寧沈陽 110158）

隨著科學技術的發展，機械工程中增加了很多新興的技術，這些技術為機械工程的安全、效率等等都起到關鍵的作用。在機械工程中，數字相關濾波法振動信號的處理技術應用，是為了得到振動測試分析結果。而目前的振動信號測試方法以及測試的設備多種多樣，很難得到統一并找到最為優秀的測量方法。文章，對濾波法振動信號的處理技術進行了分析，包括振動測試原理分析以及信號處理系統中硬件結構與軟件設計。

濾波法；信號處理技術；實際應用

1信號處理系統中硬件結構與軟件設計

1.1硬件結構

如前文所述，函數的運算已經分析過，也是整個系統中最為關鍵的核心技術。但是，再嚴密的精確計算也需要采樣時序的精確和一定的信噪比，這樣才能保證運算的正常進行。在信號的處理中，系統的硬件電路必須對需要采集的信號進行恰當的濾波、放大處理，并且采樣時序也必需由硬件電路確保其精度，硬件電路主要有基準信號鎖相環、自動跟蹤帶通濾波器、數控量程放大器、模數轉換器和基準周期計數器等電路構成。筆者使用下圖一的形式進行結構分析：

圖一：硬件電路結構

通過圖一不難看出，傳感器信號和基準信號是雙線進行的，并且兩者之間也是有著很大的聯系。傳感器信號先在自動跟蹤濾波的帶通下進入數控放大，在數控放大中經過處理進入模數轉換，最后進入總線接口。而基準信號通過急轉信號索相環，進入模數轉換，最終到達總線接口中。這其中也有部分基準信號進入基準周期計數器中，最后到達總線接口。

基準信號能否鎖相倍頻是整個系統可以正常工作的關鍵所在，這里我們設需要用到的信號周期為T，采樣的間隔時間為Ts，采樣的次數為K次。那么會有乳腺的表達式：T=KTs，對公式的理解相對最為簡單，就是在一個有用的周期內所采集了K次，這樣每個采集點都是有著確定的數值。其中，基準信號鎖相環也是基準信號K次倍頻，將這個數值給模數轉換器是時序控制信號。

另外，需要注意的是，實際工作中，傳感器的輸出信噪往往比較小，通常會導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。帶通濾波還有一個作用，就是節省了人工的操作，其可以做到自動跟蹤帶通的中心頻率，使得繁瑣的操作程序可以省略。數控放大電路可以根據信號的大小進行自由的變換，從而達到模數的轉換需求。總線口的作用最為重要，它是整個硬件電路與計算機“交流”的關鍵點，也是整個信號處理系統的重要部分。

1.2軟件設計

數據采集的處理程序是主程序的一個可調用程序，其中主要用到了兩個判斷，一個是鎖相環工作是否穩定，另一個是采樣是否結束。其中鎖相環工作是否穩定這個判定條件最為重要，它是確定鎖相環的工作狀態是否良好，如果不穩定會返回出錯信息，示意其工作狀態不正常，也就是硬件方面可能有故障。如果鎖相環工作沒有問題，那么將向下進行存儲數據之后再進行采樣結束與否的判斷，如果沒有問題向下運算函數返回計算的結果，如果有問題返回到最初的狀態控制位置。主程序可以根據這些值計算出被測信號的幅值大小和相對于基準信號的相位，主程序中還應該含有對硬件電路初始化的命令。由于篇幅有限，軟件設計部分筆者就做以上闡述。

1.3低通濾波器的設計

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，但是遇到振動時會產生變化，會因振動頻率的不同而產生不同的交流信號。因此低通濾波器的設計也要消除振動所產生的交流信號。參數設置：階數為3階、采樣的頻率是50Hz，設計工具采用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），其次還要設置Wpass為0.15/25，最后在Magnitude Specification選項下設置Apass=0.1，Astop=30。之后點擊design filter就能夠產生IIR的數值濾波器，這時可以發現特性窗口中的濾波器是最為穩定的。

2濾波器實現

濾波器設置已經完成，之后點擊Analysis下的filter coefficients，在現實面板上可以看出z域函數如下：

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，實際方法可以通過通用或者是專用的硬件實現或者是計算機軟件實現。但是在實際工作中因為操作較為簡單，所以建議使用計算機軟件來實現。在信號傳感器運算中，最好選擇有一定的數據點進行卷積運算，其運算的結果要前一部分的濾波后的輸出信號進行使用。為了避免顯示生活中運算速度也精度的矛盾，需要注意數據的選取。因為卷積運算中點數越多，精度越高，但是其速度很慢；反之卷積運算中點數越少，相對應的運算的速度就越快。在進行二者兼顧的過程中還要注意，保證運算的精度可用性，因此需要多次的實驗才能得到理想的結果。

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

[2]李富才,訾艷陽,何正嘉. 自適應濾波與相關濾波在沖擊響應信號特征提取中的應用[J]. 振動與沖擊,2004,03:26-30+136-137.

[3]舒紅宇,謝凌飛,張儀棟,吳碧華. 轉子動不平衡在線檢測的數字相關濾波方法[J]. 重慶大學學報(自然科學版),2005,09:27-30.

[4]鐘萍,丁曉利,鄭大偉,陳武. Vondrak濾波法用于結構振動與GPS多路徑信號的分離[J]. 中南大學學報(自然科學版),2006,06:1189-1195.

G322

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1007-6344（2017）03-0301-01

沈虹良，沈陽理工大學電子信息工程專業

戈劍飛，沈陽理工大學電子信息工程專業

劉博，沈陽理工大學計算機科學與技術專業