如何有效地提高傳感器的測試精度

問題描述

如何有效地提高傳感器的測試精度是行業(yè)的發(fā)展趨勢；近來，對傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試過程中發(fā)現(xiàn)結(jié)果存在明顯的工頻干擾，信號中夾雜有明顯噪音，具體頻率為50hz，因此，近來以解決實(shí)際問題為出發(fā)點(diǎn)，對相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行歸納匯總；目前，消除噪音，提高傳感器采集精度主要包含兩種手段：1、硬件：通過電阻電容及電感構(gòu)成濾波電路，對外界干擾源進(jìn)行屏蔽；2、算法：通過數(shù)字信號處理，構(gòu)建IIR、FIR濾波器對噪聲信號進(jìn)行濾除；具體內(nèi)容如下所示~

圖a表述為信號采集系統(tǒng)實(shí)際測試結(jié)果，源信號中包含工頻干擾，即使傳感器未發(fā)生變形，輸出信號具有明顯的波動（幅度為0.6mv左右）；圖b表述為局部放大示意圖，從圖中可以看出干擾源的頻率為50hz。

附錄：補(bǔ)充材料

附1、硬件如何實(shí)現(xiàn)信號濾波？

本部分從硬件的角度對信號濾波整體方案進(jìn)行介紹，主要分為三方面內(nèi)容：1、濾波器的種類以及相關(guān)電路，推導(dǎo)了二階低通、高通濾波器的傳遞函數(shù)（實(shí)際中應(yīng)用最廣）；2、帶通以及帶阻濾波器具體結(jié)構(gòu)；3、帶通濾波器具體設(shè)計(jì)過程，分享了MATLAB程序；

圖a表述為無源一階低通濾波器基本結(jié)構(gòu)；圖b表述為無源一階高通濾波器基本結(jié)構(gòu)；圖c表述為壓控性二階有源低通濾波器基本結(jié)構(gòu)（現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用較廣），第一階電容C直接與運(yùn)算放大器輸出端連接，引入正反饋，能夠有效地減小信號干擾；圖d表述為有源二階高通濾波器基本結(jié)構(gòu)；

附1：無源濾波器具有的優(yōu)點(diǎn)為：電路簡單，可靠性高；相應(yīng)的弊端為：信號經(jīng)過濾波器后具有能量損失；具有明顯的負(fù)載效應(yīng)；信號無放大作用等；附2：同相放大器具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特性，廣泛應(yīng)用于前置放大級；附3：Rf電阻值不能大約2倍R1電阻值；

本部分對現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用最為廣泛的有源二階濾波器進(jìn)行分析，其中，低通濾波器的傳遞函數(shù)為：

通帶增益為：

高通濾波器的傳遞函數(shù)為：

通帶增益為：

另一方面，帶通、帶阻濾波器可以通過基本的低通、高通濾波器串并聯(lián)組成，其基本結(jié)構(gòu)為：

圖a表述為低通濾波和高通濾波器串并聯(lián)組成帶通、帶阻濾波器的基本過程；圖b表述為帶通濾波器基本結(jié)構(gòu)；圖c表述為帶阻濾波器基本結(jié)構(gòu)；

上圖表述基于MATLAB進(jìn)行帶通濾波器設(shè)計(jì)的具體過程，程序源代碼如下所示，圖中三條曲線分別代表低通濾波器、高通濾波器以及串聯(lián)組成帶通濾波器的幅頻曲線，相關(guān)結(jié)果通過bode圖進(jìn)行直觀展示，其中，縱坐標(biāo)的單位為dB（20lg|G(jw)|），橫坐標(biāo)采用對數(shù)坐標(biāo)系；附1：20dB表示信號衰減一個數(shù)量級；附2：硬件電路設(shè)計(jì)過程中，相關(guān)電阻的大小通過下述程序確定；

clear all;clc
%有源帶通濾波器
%LPF 傳遞函數(shù)計(jì)算 f0=35Hz C = 1uF，R = R=4.549kΩ 
c1 = 1e-6;
r1 = 4549;
%HPF 傳遞函數(shù)計(jì)算 f0=15Hz C = 1uF
c2 = 1e-6;
r2 = 10615;
%q品質(zhì)因子（品質(zhì)因子和通帶增益具有一定關(guān)系）
q=0.7
%LPF
Avp1 = 3-(1/q);
k1=(3-Avp1)/(c1*r1);
k2 = 1/(c1*c1*r1*r1);
k3 = Avp1/(c1*c1*r1*r1);
num1=[k3]; %傳遞函數(shù)分子
den1=[1 k1 k2]; %傳遞函數(shù)分母
G1=tf(num1,den1);
%HPF
Avp2 = 3-(1/q);
k4=(3-Avp2)/(c2*r2);
k5 = 1/(c2*c2*r2*r2);
k6 = Avp2;
num2=[k600];%傳遞函數(shù)分子
den2=[1k4k5];%傳遞函數(shù)分母
G2=tf(num2,den2);
p=bodeoptions;
p.FreqUnits='Hz';
p.Grid= 'on';
[num,den] = series(num1,den1,num2,den2); %計(jì)算串聯(lián)傳遞函數(shù)
printsys(num,den) %顯示串聯(lián)后的總傳遞函數(shù)
hold on;
bode(num,den,p); %繪制波特圖
% hold on;
% bode(G1,p);
% hold on;
% bode(G2,p);
title('有源二階模擬帶通濾波器相頻特性');%標(biāo)題

附2、程序如何實(shí)現(xiàn)濾波？

本部分從算法的角度論述信號濾波的具體工作流程，主要的內(nèi)容包含：1、濾波器具體的結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，采樣定理的含義；2、算法濾波后具體效果展示；具體內(nèi)容如下~

圖a表述FIR濾波器的幅頻特性曲線，其中，信號的采樣頻率為1000hz（采樣定理：采樣頻率大于信號最高頻率的2倍，即：現(xiàn)有測量系統(tǒng)在保證精度的情況下，待測信號的最大頻率為500hz）；現(xiàn)采用低通濾波器，截止頻率為50hz，當(dāng)信號頻率高于截止頻率時(shí)，信號幅值衰減10倍以上；圖b表述為采用濾波器對包含工頻干擾的信號進(jìn)行分析處理的結(jié)果，從圖中可以看出，采用濾波算法與直接屏蔽干擾源具有相同的采樣效果，還是挺不錯的~

clear all;clc
% 讀取傳感器輸出信號
node='信號采集結(jié)果.txt';
[x,y]...
    =textread(node,'%f%f','emptyvalue',0,'headerlines',10);


output=filter(lowpass,y);
caiji=1000length(y);
output=output(caiji,1);
plot(output)


function Hd = lowpass
%LOWPASS Returns a discrete-time filter object.


% All frequency values are in Hz.
Fs = 2000;  % Sampling Frequency
Fpass=40;%PassbandFrequency
Fstop = 50;              % Stopband Frequency
Dpass = 0.057501127785;  % Passband Ripple
Dstop = 0.1;             % Stopband Attenuation
dens  = 20;              % Density Factor


% Calculate the order from the parameters using FIRPMORD.
[N, Fo, Ao, W] = firpmord([Fpass, Fstop]/(Fs/2), [1 0], [Dpass, Dstop]);


%CalculatethecoefficientsusingtheFIRPMfunction.
b  = firpm(N, Fo, Ao, W, {dens});
Hd = dfilt.dffir(b);
% [EOF]