數(shù)字濾波技術在稱重傳感器信號上的應用

汪其銳,王桂華,王永軍（山東省建筑設計研究院,濟南　250001）

數(shù)字濾波技術在稱重傳感器信號上的應用

汪其銳,王桂華,王永軍
（山東省建筑設計研究院,濟南250001）

摘要：稱重傳感器信號容易受到外部噪聲干擾，因此其精度問題一直制約稱重行業(yè)的發(fā)展，本文選用了幾種常見數(shù)字濾波方法對稱重傳感器信號進行濾波，并分別對其進行比較分析，最終選擇一種最優(yōu)的濾波方式，并用實驗證明這種濾波方式大大提高了信號采集精度。

關鍵詞：一階濾波；FIR濾波；巴特沃斯濾波

1　稱重傳感器信號濾波的意義

目前，稱重傳感器越來越被廣泛的應用到各行各業(yè)，比如，包裝、物流等現(xiàn)場稱重，水泥、注塑機等的下料配給以及汽車、機車的軸重計量等。然而復雜的工業(yè)環(huán)境經(jīng)常包含各種各樣的干擾，主要包括機械振動、過程通道干擾、空間干擾（電磁波干擾）等，他們對稱重傳感器信號采集精度產(chǎn)生了巨大影響，對實際稱重系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大誤差，對于工業(yè)精度要求較高的場所，這些影響顯得尤為重要。因此本文討論幾種數(shù)字濾波方式對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行濾波處理，提高信號精度，具有很強的現(xiàn)實意義。

2　原始信號分析

稱重傳感器信號頻率一般為低頻信號，為避免傳感器信號失真，本文搭建實驗平臺并選定任務循環(huán)周期為10ms，即采樣頻率為100Hz，然后采集一組原始數(shù)據(jù)時域圖。

圖1　原始數(shù)據(jù)時域圖

從圖1上可以看出，稱重傳感器信號噪聲干擾較為明顯，并且呈現(xiàn)一定的周期性規(guī)律，數(shù)據(jù)標準差為9.32，為進一步分析，對原始數(shù)據(jù)進行FFT分析得出其頻譜圖。

圖2　原始數(shù)據(jù)頻譜圖

從圖2上可以看出，原始數(shù)據(jù)信號在0.2Hz處有一個明顯的脈沖，因為稱重傳感器信號頻率一般為低頻信號，因此可判斷本實驗稱重傳感器的信號頻率為0.2Hz，同時可看到其他波段處波動較為均勻，是明顯的白噪聲干擾。因此，為了保證稱重傳感器信號的真實不失真性同時兼顧系統(tǒng)精度要求，選定數(shù)字濾波器為低通濾波器，其截止頻率為2Hz。

3　一階慣性濾波

一階慣性濾波器因其程序設計簡單，濾波效果明顯，因而被廣大設計人員所采用，對于截止頻率為2Hz的一階慣性濾波器，其系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

其離散化式子為：y(n)=0.12x(n-1)+0.88y(n-1)

因此我們可以設定程序?qū)υ紨?shù)據(jù)進行一階濾波，濾波之后數(shù)據(jù)圖如圖1所示。

圖3　一階慣性濾波后時域圖

對比圖1和圖3可以看出，經(jīng)過一階慣性數(shù)字濾波之后，原始數(shù)據(jù)波動改善明顯，毛刺明顯變小，其濾波效果已經(jīng)相當不錯，其標準差減小為2.26，數(shù)字信號精度提高75.75%。

4　FIR濾波

FIR(FiniteImpulseResponse)數(shù)字濾波器又稱為“有限沖激響應數(shù)字濾波器”。其頻域傳遞函數(shù)一般為：

因此設計FIR數(shù)字濾波器的關鍵就是計算出其濾波器系數(shù)。本項目采用窗口函數(shù)法設計FIR數(shù)字濾波器，設定濾波器的截止頻率為2HZ,窗函數(shù)為海明窗(Hamming)。對于截止頻率只有幾赫茲的FIR濾波器來說，要想有較高的濾波效果，濾波器階數(shù)最好是幾十階甚至上百階，但在實際工程項目中，階數(shù)太高的FIR濾波器在程序編寫上不方便，為此我們選定濾波器的階數(shù)為10階。濾波后數(shù)據(jù)時域圖如圖4所示。

圖4　FIR濾波后時域圖

對比圖1和圖4可以看出，F(xiàn)IR濾波后數(shù)據(jù)相對于原始數(shù)據(jù)其濾波效果也很明顯，經(jīng)計算標準差減小為2.62，數(shù)字信號精度提高71.89%。

FIR濾波精度跟一階慣性濾波器對比可知，其濾波效果不如一階慣性濾波器，濾波后數(shù)據(jù)標準差FIR稍大，所以FIR濾波器不是我們所需要的理想濾波器。

5　IIR濾波

IIR(InfiniteImpulseResponse)數(shù)字濾波器又稱為“無限沖激響應數(shù)字濾波器”。其時域傳遞函數(shù)一般為：

圖5　巴特沃斯濾波后數(shù)據(jù)時域圖

IIR濾波器也有很多形式，本文將選用在通帶內(nèi)最為平坦的巴特沃斯數(shù)字濾波器，其設計方法一般是：首先確定濾波器的設計指標，包括濾波器階數(shù)和歸一化的截止頻率，然后借助Matlab中的FDA Tool工具箱觀察其幅頻曲線，看其通帶阻帶衰減是否合適，最后利用庫函數(shù)butter函數(shù)得出濾波器的系數(shù)。本文設定巴特沃斯濾波器截止頻率為2Hz，階數(shù)為6階。濾波后數(shù)據(jù)時域圖如圖5所示。

對比圖1和圖5可以看出，巴特沃斯數(shù)字濾波器濾波效果十分優(yōu)越，濾波后的數(shù)據(jù)曲線很平滑，基本上沒有毛刺，經(jīng)計算濾波后的數(shù)據(jù)標準差僅為1.51，將數(shù)字信號精度提高了83.80%。比一階慣性濾波標準差小很多。說明巴特沃斯濾波器對稱重傳感器信號高頻噪聲有很好的抑制作用，是我們所需要的數(shù)字濾波器。

6　總結

本文主要探討了幾種常用的數(shù)字濾波方法，并通過實驗分別對他們進行了分析對比，最終我們決定采用巴特沃斯數(shù)字濾波器對稱重傳感器進行濾波處理，這種數(shù)字濾波方法大大提高了傳感器信號的采集精度，并且這種濾波技術不增加硬件電路設計，不增加額外成本，并且程序編寫簡單、靈活，因此可以大規(guī)模的推廣使用。

參考文獻：

[1]吳忻生,唐萍,秦瀚.數(shù)字濾波技術在稱重系統(tǒng)信號采集中的應用[J].傳感器與微系統(tǒng),2010,29(09):131-134.

[2]張小虹.數(shù)字信號處理[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

作者簡介：汪其銳（1988-），男，山東濟南人，碩士，助理工程師，主要從事：電氣設計。