Matlab的加速度傳感器振動信號處理方法分析

陳雄鑫 孫 浩 孫旭鋼

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Matlab的加速度傳感器振動信號處理方法分析

陳雄鑫 孫 浩 孫旭鋼

（沈陽理工大學 遼寧沈陽 110159）

目前工程信號處理技術所應用的領域有很多，其中振動學、無線電電子學、地震學、聲學、光學等等，可謂發展極為廣泛。但是，放眼濾波技術在工程上的應用發展也不過半個世紀的時間，濾波技術的飛速發展由于在工程上的處理、測量信號的完美應用。新時期，現代數字技術發展更為迅速，濾波技術在軟件、硬件方面都得到了提升，因此其起到的作用大。

振動分析；Matlab；原理；處理方法

1.振動測試原理分析

振動測試中，振動的各個要素輸出方式最后都是電形式，這之中少不了傳感器的轉換作用。其中振動要素包括：速度、加速度、位移等等，這些要素通過轉換最后成為系統的輸入信號，也就是傳感器轉換來的電信號。為清楚表述，筆者以一部分運算的過程作為依據。首先，將傳感器的輸出信號設為：

e(t)= E0+ E sin（ωt+Φ）+ΣE1sin（iωt+Φ1）+n(t) ①

在①式中，所涉及的變量較多，其中E0是傳感器輸出直流的分量；“Esin（ωt+Φ）”是基波分量，也就是等待測試的信號。在Esin（ωt+Φ）中，E是需要用到的信號的幅值，Φ是需要用到的信號的初始相角，ω是需要用到的信號的振動角頻率；“ΣE1sin（iωt+Φ1）”這是傳感器輸出的各次諧波分量，而各種噪聲和異頻分量用n(t)來表示。整個測試系統的目的就是為了抑制直流分量、諧波分量、異頻分量和各種噪聲項，找出有用信號的基波幅值E和初始相角。

法器和低通濾波器是構成測試系統的主要設備，在具象的測試活動中，乘法器對目標信號進行識別并施以設定倍數的放大，而低通濾波器則對特定波形的噪聲基波進行過濾超過設定強度的噪聲基波在此處被過濾出去，從而形成檢測波與噪聲波的強弱對比，突出檢測目標的檢測波強度。這樣做的結果不但大大簡化了信號處理系統的硬件結構，而且測試結果更加準確而可靠，程序的處理也更加方便。

2.FDATool分析工具

FDATool是Matlab信號處理中最為專業的濾波器分析工具，而且在新版本中還有濾波器設計工具（Filter Design Toolbox），操作簡單，十分便利。FDATool是一款“萬能”的工具，它可以近乎處理所有常見的濾波器，其中FIR、IIR都是可以使用的。DesignFilter和特性區是組成FDATool的兩大部分，前者在界面下半部分，作用是對濾波器設置參數，后者在上半部分，作用是顯示濾波器的種種特性。

Design Filter 部分主要分為：Filter Type（濾波器類型）選項，包括Lowpass（低通）、Highpass（高通）、Band-pass（帶通）、Bandstop（帶阻）和特殊的FIR濾波器。De-sign Method（設計方法）選項，包括IIR濾波器的Butter-worth（巴特沃思）法、Chebyshev Type I（切比雪夫I型）法、Chebyshev Type Ⅱ（切比雪夫Ⅱ型）法、Elliptic（橢圓濾波器）發和FIR濾波Equiripple法、Least2Squares（最小乘方）法、Window（窗函數）法。Filter Order（濾波器階數）選項，定義濾波器的階數，包括Specify Order（指定階數）和Minimum Oeder（最小階數）。在Specify Oredr中填入所要設計的濾波器的階數(N階濾波器，Specify Or-der =N-1)，如果選擇Minimum Oredr則Matlab根據所選擇的濾波器類型自動使用小階數。

3.Matlab的加速度傳感器振動信號處理方法

Matlab信號處理是數字濾波器設計的一種較為流行的方法，用FDATool進行濾波的設計，有直觀簡便的特性。在需要對參數進行改變時，只需點擊設計按鈕，一個新的濾波器就產生了，使得傳統的濾波設計大量計算得以省略。在工程的實際應用中，以鉆井為例，進行數據的實時監測是必須的，而且需要極為準確的數據。因為這些有用的數據是工作人員對鉆進方向的重要依據。但是在實際的鉆井工作中，鉆井設備對地面產生的強烈沖擊力會產生很大的沖擊振動，這些針對影響著鉆井的加速度，這個干擾因素會影響到整體的效果，所以必須排除這個影響。這就需要數字濾波器進行高頻率的振動信號進行剔除，因為巨大的工作量，而且還需要處理工具的效率保證，所以Matlab信號處理的高效率也得到了認可。下面是以IIR數字濾波器進行設計，在Matlab濾波器中的設計應用。

4.結論：

在工程應用中數字相關的濾波技術有著很大的應用，其最大的特點就是在噪聲的“惡劣”環境下提取出有用的信息。在信息發達的當下，濾波技術智能化、數字化都有著明顯的提高，這對于在工程應用的作用愈發增加。我們國家應該注意該項技術的研發，對比找出最適合工程使用的濾波技術，一方面使技術得到統一，另一方面也可以使該項技術得到更大的發展。爭取早日將我國的濾波技術水平與國外相媲美，在工程發展中起到更大的作用，為我國的綜合國力的提升做出貢獻。

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G322

B

1007-6344（2017）03-0327-01

陳雄鑫，專業：電子信息科學與技術，學校：沈陽理工大學

孫浩，專業：通信工程，學校：沈陽理工大學

孫旭鋼，專業：通信工程，學校：沈陽理工大學