[發(fā)明專利]基于卡爾曼濾波的渦街流量計抗瞬態(tài)沖擊干擾的信號處理方法和系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610099983.8
• 申請日: 2016-02-23
• 公開（公告）號: CN105737909B
• 公開（公告）日: 2018-07-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐科軍;邵春莉;舒張平
• 申請（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01F1/32
• 分類號: G01F1/32
• 代理公司: 合肥金安專利事務(wù)所 34114
• 代理人: 金惠貞

1.基于卡爾曼濾波的渦街流量計抗瞬態(tài)沖擊干擾的信號處理方法，包括前向輸入調(diào)理電路模塊、數(shù)字信號處理模塊、系統(tǒng)輸出模塊、電源轉(zhuǎn)換電路模塊和基于卡爾曼濾波的渦街流量計抗瞬態(tài)沖擊干擾的信號處理方法軟件；壓電式傳感器將渦街流量信號轉(zhuǎn)換成電荷信號輸出，輸出信號先后經(jīng)過電荷放大器、電壓放大器、低通濾波器和電壓跟隨器，然后進(jìn)入MSP430F5418單片機(jī)的內(nèi)部的ADC單元，經(jīng)過ADC采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；MSP430F5418單片機(jī)采用基于卡爾曼濾波的渦街流量計抗瞬態(tài)沖擊干擾的信號處理方法對該數(shù)字信號進(jìn)行處理，得到渦街流量信號的頻率，進(jìn)而得到流體的流量；然后，通過輸出模塊將渦街信號的頻率和流量值在LCD上實(shí)時顯示；其特征在于：基于卡爾曼濾波的渦街流量計抗瞬態(tài)沖擊干擾的信號處理方法包括查找包含瞬態(tài)沖擊振動干擾的數(shù)據(jù)段，配置卡爾曼濾波器，分段進(jìn)行卡爾曼濾波，頻域幅值譜分析；采用卡爾曼濾波器預(yù)測估計渦街流量信號，達(dá)到降低強(qiáng)瞬態(tài)沖擊振動干擾能量和比重的目的。

2.如權(quán)利要求1所述的基于卡爾曼濾波的渦街流量計抗瞬態(tài)沖擊干擾的信號處理方法，其特征在于：對渦街流量傳感器輸出信號進(jìn)行處理以降低強(qiáng)瞬態(tài)沖擊振動干擾的能量和比重；首先，監(jiān)測渦街流量傳感器輸出信號，分段比較后設(shè)置突變閾值，根據(jù)瞬態(tài)沖擊振動干擾的幅值突變后振蕩衰減的特性，查找包含瞬態(tài)沖擊振動干擾的數(shù)據(jù)段；然后，配置用于預(yù)測和估計渦街流量信號的卡爾曼濾波器的變量和參數(shù)；并用此類卡爾曼濾波器對包含瞬態(tài)沖擊振動干擾的數(shù)據(jù)段分段進(jìn)行濾波，降低該數(shù)據(jù)段中強(qiáng)瞬態(tài)沖擊振動干擾的能量和比重，使渦街流量信號在整體上能量占優(yōu)；最后，通過頻域幅值譜分析，提取渦街流量信號頻率；基于卡爾曼濾波的渦街流量計抗瞬態(tài)沖擊干擾的信號處理方法的具體處理步驟如下：

(1)查找包含瞬態(tài)沖擊振動干擾的數(shù)據(jù)段

首先，采集渦街流量傳感器輸出信號，將2060點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)平均分段，根據(jù)每段數(shù)據(jù)的最大峰峰值計算突變閾值Vth；將信號的幅值與閾值進(jìn)行比較，查找包含瞬態(tài)沖擊振動干擾的起始數(shù)據(jù)段，并計數(shù)每次沖擊數(shù)據(jù)段持續(xù)的段數(shù)N；查找瞬態(tài)沖擊的起始點(diǎn)，并保存包含瞬態(tài)沖擊振動干擾的數(shù)據(jù)段；

(2)配置卡爾曼濾波器

采用卡爾曼濾波器來預(yù)測和估計渦街流量信號；將渦街流量信號定義為狀態(tài)變量X_k，將包含瞬態(tài)沖擊的數(shù)據(jù)段定義為觀測變量Y_k，將瞬態(tài)沖擊振動干擾信號定義為測量噪聲v_k；

該過程無控制參數(shù)，所以，控制輸入變量U_k＝0，系數(shù)B＝0；

正常工況下渦街流量信號屬于平穩(wěn)正弦信號，可用上一時刻的渦街流量信號加上干擾噪聲來預(yù)測估計當(dāng)前狀態(tài)的渦街流量信號，并用過程噪聲來表示干擾噪聲，則設(shè)置系數(shù)A＝1，系數(shù)G＝1，過程噪聲w_k的均值并可由渦街流量信號段數(shù)據(jù)的方差近似地計算過程噪聲的方差Q；

待濾波數(shù)據(jù)段是由瞬態(tài)沖擊振動干擾疊加渦街流量信號所組成，則設(shè)置系數(shù)H＝1；因?yàn)閺?qiáng)瞬態(tài)沖擊振動干擾的能量一般大于流量信號的能量，為了降低振動干擾的比重，根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，設(shè)置D的計算公式為：

式中，max(PPV)為20個峰峰值中的最大值，min(PPV)為20個峰峰值中的最小值；同時，測量噪聲v_k的均值并用包含瞬態(tài)沖擊振動干擾數(shù)據(jù)段的方差近似地計算測量噪聲方差R，其計算公式為：

式中，S²為方差，T為每段卡爾曼濾波包含的待濾波數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)，Y_i為當(dāng)前的觀測變量值，為T個觀測變量的均值；

(3)分段進(jìn)行卡爾曼濾波

將每個包含瞬態(tài)沖擊振動干擾的數(shù)據(jù)段均分成兩段，分別計算每段測量噪聲的方差，并進(jìn)行卡爾曼濾波；包含瞬態(tài)沖擊振動干擾數(shù)據(jù)段之外的數(shù)據(jù)保持不變；

(4)頻域幅值譜分析

分段濾波有效地降低了強(qiáng)瞬態(tài)沖擊振動干擾的能量和比重，使渦街流量信號在整體上能量占優(yōu)；針對濾波后的采樣數(shù)據(jù)，可直接通過頻域幅值譜分析，查找幅值譜中最大峰值對應(yīng)的頻率，把它作為渦街流量信號的頻率。