涡街流量计的数字信号处理方法的研究

论文摘要

目前，涡街流量计的应用相当广泛，但是，低流速时易受噪声干扰，现场测量精度不高，量程比受限。涡街流量计的主要研究方向之一是采用谱分析法处理流量信号，理论上只要信噪比大于1就可以实现正确测量。然而实践中因无法保证对涡街流量信号的整倍率采样，受栅栏效应和频谱泄露的影响FFT计算的功率谱存在偏差。为实现可靠测量应用中一般要求信噪比远大于1，因而限制了仪表的测量下限。频谱校正理论近年来广泛应用于机械振动信号分析及故障诊断等领域，但在涡街系统的应用比较少。因此，进一步开展频谱校正理论在涡街流量测量领域中的应用研究，补充和发展涡街流量检测的理论和方法，具有重要的理论意义和实用价值。本文从提高涡街信号检测精度的角度出发，首先回顾了涡街流量检测方式的发展历程，介绍了常见涡街流量检测方法的特点以及提高FFT算法分析精度的多种改进方法，阐明了本文的研究背景；其次对傅立叶变换的基本理论、基本形式以及实际应用中应注意的问题进行了详细的阐述，对传统的基于加窗FFT的涡街流量检测方法产生误差的原因进行了深入分析，提出了频谱泄漏误差的解析表达式及校正方法的数学模型。进而对多种离散频谱校正方法的基本原理进行了数学推导，给出了实现具体算法的详细步骤，对各种方法的特点及其在涡街流量检测技术中的适用条件作了探讨和比较；进而针对涡街流量信号的特点，首先采用重心法对FFT运算结果进行校正，提高了非整周期采样下的频谱检测精度，扩展了仪表的测量范围。在此基础上，本文还提出一种基于涡街信号频率与幅值关系的相关滤波方法。并且进行了Matlab仿真，在DSP上编制了C程序，进行了实验测试。实验结果表明该方法可以在某些信噪比小于1的情况下正确提取流量信号。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 处理涡街信号的方法
• 1.2.1 目前国内外使用的谱分析方法及存在的问题
• 1.2.2 频谱校正方法
• 1.2.3 相关滤波的方法
• 1.3 本文的主要研究工作
• 2 频谱分析基本理论
• 2.1 信号的模拟处理和分析的概述
• 2.1.1 信号的模拟处理和数字处理
• 2.1.2 时域信号和频域信号分析
• 2.2 模拟信号数字处理方法
• 2.2.1 连续模拟信号的采样
• 2.2.2 时域采样定理
• 2.3 傅立叶变换介绍
• 2.3.1 傅立叶变换的几种可能形式
• 2.3.2 快速傅立叶变换 FFT
• 2.3.3 频率分辨率及 FFT参数的选择
• 2.4 频谱分析中存在的误差
• 2.5 窗函数
• 2.6 FFT仿真分析
• 2.6.1 FFT算法
• 2.6.2 FFT算法中存在误差
• 2.6.3 FFT算法中的难点
• 2.7 小结
• 3 频谱校正理论
• 3.1 频谱校正理论的状况
• 3.2 频谱泄露误差的理论分析
• 3.2.1 单频信号的频谱分析误差产生原因
• 3.2.2 频谱误差校正的基本原理
• 3.3 离散频谱校正方法
• 3.3.1 FFT+FT细化分析法
• 3.3.2 多点卷积幅值校正法
• 3.3.3 能量重心校正法
• 3.4 频谱校正仿真分析
• 3.4.1 单频信号校正分析
• 3.4.2 多频信号校正分析
• 3.4.3 不同相位信号校正分析
• 3.5 小结
• 4 相关滤波的方法
• 4.1 相关滤波方法应用前提
• 4.2 相关滤波原理
• 4.2.1 流量信号特征
• 4.2.2 实际信号中存在干扰
• 4.2.3 仿真分析
• 4.3 小结
• 5 硬件实现
• 5.1 dsPIC6014
• 5.1.1 CPU
• 5.1.2 特色技术介绍
• 5.2 软件和硬件开发环境
• 5.3 系统概述
• 5.3.1 开发板介绍
• 5.3.2 系统软件设计
• 5.3.3 硬件实现结果
• 5.4 小结
• 6 总结
• 致谢
• 参考文献