（计算机应用技术专业论文）水泥压电传感器信号分析处理系统的研究与开发.pdf

r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fs i g n a la n a l y z i n ga n d p r o c e s s i n gs y s t e mb a s e d o nc e m e n tp i e z o e l e c t r i cs e n s o r x u ey a n b o u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f y a n gb o at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y1 5 ，2 0 1 0 ii96 74，iii1洲y 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：导师签名： 期： 型铲n a l - 2 水泥基压电传感器的应用现状2 1 - 3 本文的主要工作：2 第二章水泥基压电传感器5 2 1 水泥压电传感器称重原理5 2 2 水泥压电传感器优良特性6 2 3 水泥压电传感器的信号变换电路7 2 3 1 变换电路的必要性7 2 3 2 电荷放大器7 第三章水泥基压电传感器的布设及数据信号预处理9 3 1 压电传感器位置参数设置9 3 2 水泥基压电传感器信号数据预处理1 0 3 2 1 数字滤波1 0 3 2 2 系统标度变换1 1 3 2 3 系统标定与非线性校正1 3 第四章数据采集及动态称重数据处理算法设计1 5 4 1 实时数据采集1 5 4 1 1 数据采集系统简介1 5 4 1 2 数据采集系统设计1 6 4 1 3 采样周期设定1 7 4 2 车辆运动模型1 8 4 3 动态轴重及车速检测方法2 0 4 3 1 判断车辆通过2 0 4 3 2 动态轴重检测中的几种算法2 0 4 3 3 车速和轴距测量2 6 第五章水泥基压电传感器信号分析处理系统总体设计2 9 水泥压电传感器信号分析处理系统的研究与开发 5 1 系统的总体结构j 2 9 5 2 上下位机通信3 0 5 2 1v c + + 实现串口通信编程3 0 5 2 2 网络通信的实现3 0 5 3 上位机软件功能介绍3 3 5 3 1 软件主要功能3 3 5 3 2 参数设置界面，3 3 5 3 3 试验环境搭建3 6 5 3 4 试验步骤3 7 5 3 5 实验结果分析3 9 第六章结束语4 1 6 1 全文总结4 l 6 2 研究展望4 1 参考文献4 3 致谢4 7 附录：作者攻读硕士期间完成的论文4 9 济南大学硕十学位论文 摘要 水泥基压电传感器与传统的压电传感器相比具有诸多优势。水泥基压电传感器与 混凝土材料具有较好的相容性的优点，具备较好的耐久性，较强的抗干扰能力，较高 的强度，较快的响应速度，辅助设备少，制作工艺简单，造价低廉等优点，为其在工 程实践中的广泛应用打下良好的基础，具有较好的应用前景。 本论文首先介绍了水泥基压电传感器的特点以及应用现状，分析了水泥基压电传 感器的优点、称重原理等，然后介绍了针对本工程设计的数据采集系统的软硬件组成。 着重分析了水泥基压电传感器在几种典型工程领域中的应用，讨论了水泥基压电传感 器信号的采集、预处理、传输的实现方法。并且对常用的几种数据处理方法进行了详 细的对比分析。在此基础上，以水泥基压电传感器的动态称重及车速测量为主要研究 内容，重点分析了动态称重数据处理的算法，进行了大量的试验验证，最后实现了一 个基于水泥基压电传感器的应用研究平台。 本信号分析处理系统主要由上位机和下位机两部分组成，上位机由计算机和数据 采集处理软件组成，下位机包括工业控制计算机及附件，采集数据分析软件采用了 o o p 设计理念实现了系统的软件框架，上位机软件提供了可视化人机交互界面，用 于实现传感器信号的预处理、存储、运算、分析等功能。本文详细讨论了采集数据的 预处理方法，重点阐述了神经网络法、峰面积法及峰值电压法的原理及其在动态轴重 测量中的应用，然后根据对比效果选择了其一进行了大量的试验验证。根据工程应用 实际需求设计传输数据的通信协议。下位机软件采用汇编语言进行编写，运用了优化 设计满足了高速的数据采集和传输需求。针对上、下位机之间的通信需求，实现了两 种通信模式： 1 采用了r s 2 3 2 c 串行通信协议，微软m s c o m m 串行通信控件，应用c 抖语言 编程实现了上、下位机之间实时可靠的通信。 2 通过w i n s o c k a p i 和p a c k e td r i v e r 编程接口调试完成了上下位机的网络通信。 本系统各功能模块已通过调试，并且在济南大学材料学院试验场地进行了系统标 定与仿真试验以验证测试数据的重复性及一致性。根据对不同质量的车辆测试数据进 行分析，本系统可以初步应用到汽车的动态称重、车速的检测等领域中，运行正常， 其数据重复性和一致性较好，具备较高的实用价值。 1 i i 水泥压电传感器信, q - 分析处理系统的研究与开发 关键词：水泥基压电传感器，动态称重，车速检测，r s 2 3 2 c 串行通信，神经网络 i v 济南人学硕f j 学位论文 曼! 曼m m m n mi i - - 曼曼皇曼皇曼皇皇曼 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp i e z o e l e c t r i cs e n s o r , c e m e n t - b a s e dp i e z o e l e c t r i c s e n s o rh a sal o to fa d v a n t a g e s ，s u c ha sg o o dc o m p a t i b i l i t yw i t hc o n c r e t em a t e r i a l ，b e r e r d u r a b i l i t y , s t r o n ga n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t y , h i g hs t r e n g t h ，f a s tr e s p o n s es p e e d ，f e w e r a u x i l i a r ye q u i p m e n t s ，s i m p l ef a b r i c a t i o np r o c e s sa n dl o wc o s t a l lt h a tl a yas o l i d f o u n d a t i o nf o ri t sa p p l i c a t i o ni ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e sa n di t sa p p l i c a t i o np r o s p e c ta l s oi s g o o d t h i sp a p e r f i r s t l y i n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o ns t a t u so ft h e c e m e n t - b a s e dp i e z o e l e c t r i cs e n s o r , a n a l y z e si t sa d v a n t a g e s ，w e i g h i n gp r i n c i p a la n de t c , a n dt h e n ，i n t r o d u c e st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o m p o s i t i o no ft h es p e c i f i cd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m i tl a y sas t r o n ge m p h a s i so nd i s c u s s i n gs e v e r a lt y p i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s u s i n gc e m e n t - b a s e dp i e z o e l e c t r i cs e n s o r t h er e a l i z a t i o nm e t h o d so fd a t aa c q u i s i t i o n ，d a t a p r e t r e a t m e n ta n dd a t at r a n s m i s s i o na r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r c o m p a r a t i v ea n a l y s i so f s e v e r a l d a t ap r o c e s s i n gm e t h o d sh a v eb e e nd o n ei nt h ep a p e rt o o t h i sp a p e rm a d ea d e t a i l e da n a l y s i so nt h ea l g o r i t h mo fw e i g h i n - m o t i o n ( w i m ) d a t ap r o c e s s i n ga c c o r d i n gt o t h ew i ma n dv e l o c i t y - m e a s u r e m e n t i n m o t i o n ( v m i m ) b a s e do nc e m e n tp i e z o e l e c t r i c s e n s o r a tl a s t ，a na p p l i c a t i o nr e s e a r c hp l a t f o r mh a sb e e nf o u n du s i n gc e m e n tp i e z o e l e c t r i c s e n s o r t h es i g n a la n a l y z i n ga n dp r o c e s s i n gs y s t e mc o n s i s t so fh o s tc o m p u t e ra n dl o w e r c o m p u t e r , t h eh o s tc o m p u t e rc o m p o s e do fp ca n ds p e c i f i cs o f t w a r e , a n dt h el o w e r c o m p u t e rc o m p o s e do fi n d u s t r i a lc o m p u t e ra n di t sa c c e s s o r i e s f r a m e w o r ko ft h es o l - - a r e h a sb e e nr e a l i z e db yt h eo o pd e s i g ni d e a , av i s u a lh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c ei sp r o v i d e d b yt h es p e c i f i cs o f t w a r e , w h i c ha l s oh a st h ef u n c t i o no fd a t ap r e t r e a t m e n t , d a t as t o r a g e , d a t ac a l c u l a t i o na n da n a l y s i s t h ep r e t r e a t m e n tm e t h o di sd i s c u s s e di nd e t a i l ，a n dt h e p r i n c i p a la n da p p l i c a t i o ni nw l mo fn e u r a ln e t w o r km e t h o d ，s i g n a lp e a ka r e am e t h o da n d p e a kv o l t a g em e t h o d t h er e s u l ti sv e r i f i e db yag r e a td e a lo fe x p e r i m e n t t h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sd e s i g n e da c c o r d i n gt h ea c t u a lp r o j e c tr e q u i r e m e n t s o f t w a r eo f t h el o w e rc o m p u t e ri sp r o g r a m m e db ya s s e m b l yl a n g u a g e ，s oa st om e e tt h er e q u i r e m e n t s o ft h eh i 曲- s p e e da c q u i s i t i o na n dd a t at r a n s m i s s i o n t w ok i n d so fc o m m u n i c a t i o ns t y l e sa r e v 水泥压电传感器信号分析处理系统的研究与开发 弱f o l l o w s ： 1 r s - 2 3 2 cs e r i e sc o m m u n i c a t i o n sp r o t o c o li s d e s i g n e da n dr e a l i z e dt h r o u g h m i c r o s o f t sm s c o m mc o n t r o lw i t hc + + l a n g u a g e 2 n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eh o s tc o m p u t e ra n dl o w e rc o m p u t e ri s r e a l i z e dt h r o u g hw i n s o c ka p ia n dp a c k e td r i v e r a l lt h ef u n c t i o n so ft h i ss y s t e mh a v eb e e na c h i e v e d ；t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t t h es y s t e ma r ew e l lr e a l i z e sa l lt h ef u n c t i o n sa n dm e e tt h er e q u i r e m e n t so fm e a s u r i n go f a x l e l o a da n dt h es p e e do fc a r s k e yw o r d s ：c e m e n t - b a s e dp i e z o e l e c t r i cs e n s o r , w e i 曲- i n - m o t i o n , n e u r a ln e t w o r k ， v e l o c i t y - m e a s u r e m e n t i n - m o t i o n ，r s - 2 3 2 cs e r i e sc o m m u n i c a t i o n s ，p a r a m e t e re s t i m a t i o n v i 济南人学硕l j 学位论文 第一章绪论 1 1 本课题的研究目的与意义 随着我国国民经济的持续快速发展，公路运输量也呈现出快速上升的趋势，而据 有关资料显示，我国公路运输的车辆超限超载现象相当严重，超限超载车辆所占的比 例与日俱增，已经对交通安全和公路寿命造成了严重的危害，其主要表现在三个方面： 一是超限超载使得公路桥梁等基础设施遭到严重破坏；二是由于超限超载引发了大量 的交通安全事故，据调查，7 0 以上的道路交通事故与车辆超载有关；三是超限超载 严重扰乱了正常的道路运输秩序，严重影响了道路运输行业的健康有序发展。在这种 背景下，静态称重方式的称重效率低，使用不方便而且占地面积大的缺点就日益凸显 出来 1 】，道路运输的快速发展同传统称重方式的种种缺陷之间的矛盾日趋尖锐，于是 车辆动态称重技术( w e i g h i n - m o t i o n ，简称w i m ) 2 3 】作为一种智能动态称重技术应运 而生并在国内外迅速发展。 动态称重是指测量行驶车辆的动态轮胎受力并计算相应的静态车重的过程。其主 要优点是节省车辆的称重时间、称重效率比较高，可以保证正常的交通运行，对道路 运输建设和交通运输管理具有重要的意义，同时对与加快实现交通运输管理的现代化 也起到了巨大的推动作用。因此，动态称重技术己经引起许多国家和地区的高度重视， 对此展开了深入的研究，出现了一些实际应用。 动态称重的应用主要表现在两个方面：一是法令规定的强制结算；二是交通信息 数据的采集。由于不同车辆有不同的轴载质量限制，这就需要在获取车辆重量信息的 同时，还需计算出轴距、轮距等数据，才能对车辆进行有效地监督检查。动态称重系 统就是一个可实现上述功能的检测、计算、存储和显示相关信息的系统，它主要包括 称重传感器、数据采集系统和动态称重数据处理软件，用以测量动态轮胎力和车辆通 过时间并提供计算轴重、总重、车速、轴距等测试数据【l 】。由于动态称重系统具有测 量行驶车辆重量的特点，决定了它在交通轴载调查、治理超限超载运输和计重收费系 统中不可替代的作用。在公路动态称重系统中，动态轴重的称量精度、汽车的通过速 度是其重要的性能指标，在过去几十年的技术研究中，在保证一定的检测精度的前提 下如何提高车辆通过速度一直是研究学者所致力解决的问题 4 5 】。 称重传感器是动态称重系统中重要组成部件之一，其性能指标的高低直接影响整 个系统的测量精度，山东省水泥工程技术研究中心开发的水泥基压电传感器是最近研 水泥压电传感器信号分析处理系统的研究与开发 制的新型功能材料，本课题的研究目的就是在水泥基压电传感器这样一个平台下深入 研究了车辆动态称重及车速检测的相关内容。同时，水泥基压电传感器本身优良特性 为汽车动态轴重及车速检测提供了重要保障。围绕现代信息技术的三大支柱 6 】，充分 利用计算机技术和现代网络技术，深入挖掘水泥基压电传感器的技术优势，研究开发 了一个汽车动态轴重及车速检测系统，搭建了一个水泥基压电传感器的应用研究平 台，并且满足了当前车辆动态称重的现实需求，对于车辆动态称重系统的进一步研究 具有一定的理论指导和实践意义。 1 2 水泥基压电传感器的应用现状 水泥压电复合材料及传感器是刚刚发展起来的新型功能材料，我们主要从频率响 应和线性度两个方面对其进行了严格的性能测试，发现此传感器输出电压的幅值不随 输入载荷频率的变化而变化。同时，其输出电压幅值和输入载荷幅值之间存在良好的 线性关系。它可作为力值传感器或加速度传感器。与传统的压电传感器相比，它具有 耐久性好、相容性好、强度高、响应度快、精度高、抗干扰能力强等优点。由于其与 混凝土具有较好的相容性，所以特别适合用来监测混凝土变形、损伤、内部应力的分 布情况，并且已在许多工程领域得到实际应用【6 】。车辆动态称重及车速检测是水泥基 压电传感器在工程实践中的一项重要应用，我们以轴重及车速检测为基础，开发了水 泥基压电传感器在车辆检测领域的一个应用研究平台。 目前，水泥基压电传感器已经应用于烟台到威海高速公路的金山港大桥，在其桥 面和桥墩上铺设了1 6 个传感器来检测车流和车辆通过时对桥梁的冲击。另外，我们正 在与香港科技大学合作，准备把水泥压电传感器应用于香港的沙田大桥，用来长期监 测桥梁的使用安全性。 1 3 本文的主要工作 通过与普通压电传感器的比较，本论文讨论了水泥基压电传感器的优良特性及其 适用的工程领域，详细阐述了水泥基压电传感器的布设及其参数设置，然后分析了数 据信号的预处理方法，提出以车辆动态称重及车速检测为研究对象，对比了车辆动态 称重系统数据的三种处理算法，并着重研究t b p 神经网络在动态称重数据处理中的应 用。最后给出了一个基于水泥基压电传感器的信号分析处理系统的总体设计，并列举 了详细实现步骤。 论文主要内容： 第一章对本课题的研究目的与意义、水泥基压电传感器的应用现状以及论文的主 2 第三章重点分析了水泥基压电传感器的布设及其位置参数的设置，并且详细讨论 了水泥基压电传感器数据信号预处理方法。 第四章说明了本信号分析处理系统所采用的数据采集系统的设计思路，详细阐述 了汽车动态称重数据的处理算法的和车速测量的检测方法，重点讨论了神经网络在动 态称重数据处理中的应用。 第五章设计了动态称重系统的总体结构，分析了上位机处理软件的主要功能和 上、下位机的数据通信方式，根据系统需求设计了通信协议，实现了两种通信方式： r s 2 3 2 c 串行通信和网络通信，分别满足不同的应用场合。 第六章论文主要工作的简要总结和今后工作的展望。 3 水泥压电传感器信弓分析处理系统的研究与开发 4 传感器或加速度传感器。由于其与混凝土具有良好的相容性，所以特别适合用来监测 混凝土的变形、损伤、内部应力的分布情况，并在许多工程领域得到应用。如下图2 1 ： 图2 1 水泥基压电传感器 当对水泥压电传感器施加外力时，就会引起内部正负电荷中心相对位移，并产生 极化，从而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。在一定应力范围内，机械 力与电荷呈线性可逆关系，这种现象就是压电效应或正压电效应( p i e z o e l e c t r i ce f f e c t ) 。 水泥基压电传感器正是利用压电效应原理，当轮胎经过压电传感器时，传感器受冲击 产生电荷信号，经过电荷放大和电压放大之后，可获得所需电压信号，其幅值与所受 压力存在良好的线性关系 7 。随着车辆通过速度的增加，车辆通过传感器的时间缩短， 信号波形变窄( 如图2 2 ) 。 5 水泥压电传感器信口分析处理系统的研究与开发 塞 图2 2 传感器信号输出速度关系图 信号波形和横轴所夹的面积在减小，但面积和相应速度的乘积恒为一常数，将曲 线下的面积s 和车辆速度y 相乘，即得轴重计算公式： = 口幸s 木矿 式( 2 1 ) 其中，口为系统的标定系数。 2 2 水泥压电传感器优良特性 水泥基压电传感器是最近研制的新型功能材料，该传感器与传统传感器相比有以 下优良特性 8 】： 1 ) 耐久性好，并且强度高：水泥基压电传感器强度高，在非常恶劣的土木工程 施工条件下也不会被破坏。另外，这种水泥基压电传感器不存在金属腐蚀的问题，而 那些传统的由金属封装的传感器在混凝土中很容易受到腐蚀。此外，水泥基压电传感 器的水泥封装同混凝土材料具有相同的寿命，可以确保传感器在水泥封装的保护下正 常工作到土木工程结构寿命的结束。 2 ) 相容性好：水泥基压电传感器是由与混凝土相容性好的水泥基压电复合材料为 传感单元，经水泥块包裹而成。因此，这种传感器与土木工程中最常用的混凝土材料 具有良好的相容性，如相似的声阻抗、等同的收缩及相近的热胀系数等。它可以像一 个大骨料一样埋在混凝土中，与周围的混凝土之间不存在不连续的界面问题，即不会 改变结构的特性，也不会出现应力突变显现，而这一点是传统传感器应用中难以避免 的。 3 ) 传感器响应速度快，传感精度高，需要的辅助设备少，并且制备工艺简单， 成本低。 6 济南大学硕，l j 学位论文 4 ) 抗干扰能力比较强：采用特制的防渗水泥作为封装材料，可阻止水分的渗入。 与光纤传感器相比，光导纤维对环境温度和湿度很敏感，严重影响其对结构中应力和 损伤的监测精度。 2 3 水泥压电传感器的信号变换电路 2 3 1 变换电路的必要性 压电元件实际上可以等效为一个电容器，因此它也存在着与电容传感器相同的问 题，即具有高内阻和小功率的问题，对于这些问题可以使用转换电路来解决 6 】。 1 ) 由于存在小功率问题，压电传感器输出的能量就微弱，再加上电缆分布电容 和干扰等因素，将严重影响输出特性，为此在测量电路中需要加前置放大器。 2 ) 由于存在高内阻问题，使得压电元件难以直接使用一般放大器，而必须使用 前置阻抗变换器。对应压电元件的电压源和电荷源等效原理，前置放大器也有电压放 大器和电荷放大器两种形式，而且必须具备有信号放大及阻抗匹配两种功能。 2 3 2 电荷放大器 水泥压电传感器属于电容式传感器，其阻抗非常高，呈现容性，输出电流很微弱； 它们工作时，将产生正比于被测物理量的电荷量，且具有较好的线性度。 积分运算电路可以将电荷量转换成电压量，电路如图2 3 所示。电容性传感器可 等效为因存储电荷而产生的电动势与一个输出电容串联。 图2 3 电荷放大器示意图 为了防止因c 张时间充电导致集成运放饱和，常在c 止并联电阻r f ，为了减少传 感器输出电缆的电容对放大电路的影响，常将电荷放大器装在传感器内；而为了防止 7 图2 4c f 上并联电阻r f 的电荷放大器 8 在实际工程应用中，要对水泥基压电传感器设置合适的布设参数。在车辆动态称 重及车速检测的应用中，我们通过设置压电传感器位置参数的方式为压电传感器编 号，如下图3 1 ，以三维坐标的形式设置水泥基压电传感器的位置参数 8 】。在动态称 重及车速检测中我们只需要用到x 和y 两个参数，可以设置z 坐标的默认值为o 。如果用 水泥基压电传感器来监测混凝土结构建筑物时，就要把位置参数设成三维坐标的形 式。 x 图3 1 水泥压电传感器参数设置 系统上位机数据处理软件的压电传感器位置参数设置界面 8 】，如下图3 2 ： 鞭! 蕉篓鏖巢婆黧警萱夔黧翼薯倍感嚣的变换系数l 溉燃孵：r 蛐 8 i 基道： 口遂道： o i 曼道 l i 基遘 2 遵谴 3 逐 邋 4 邂攻薹 5 i 煎i 酋 图3 2 压电传感器参数设置软件界面 9 水泥压电传感器信口分析处理系统的研究与开发 曼皇曼舞i 一一一； - 一一一一i 皇曼曼舅 1 ) 水泥基压电传感器的位置参数：这是个三维参数，是体现各个传感器安装位 置的相对坐标值。在混凝土结构桥梁和建筑物振动监测中会用到三维参数。车辆动态 称重及车速检测系统测量中，汽车轴重和车速，轴距，轮距等检测应用只用其中二维 参数( x ，y ，0 ) ，z 坐标默认值为0 。 2 ) 压电传感器( 通道) 编号：操作者可以为1 6 个水泥基压电传感器设置编号， 上位机根据所选择传感器的编号进行数据信号的读取和分析处理。 3 ) 传感器的变换系数：变换系数表征t a d 值与质量之间的比例系数。其单位是 k g 采样码值，以1 2 位a d 为例，汽车的载重各不相同，货运车辆有几十吨重，重量分 压在多个轴和车轮上，轴重信号会有多个传感器采集( 至少是2 个以上) ，根据力学知 识，多个传感器所检测的轴重峰值的加和即为所测轴重。以k g 1 采样码为单位表示的 范围是足够大的，把该值定义为浮点数，范围也比较灵活。比如：水泥压电传感器的 量程是5 0 吨，系统采用1 2 位a d 转换器，每个采样码代表1 2 2 1 k g ，即该参数值初始值 为1 2 2 l 。 4 ) 报警参数：在此动态称重及车速检测系统中，软件设置了两个报警参数：报 警重量和报警速度。 3 2 水泥基压电传感器信号数据预处理 不论采集的实时数据还是读取历史数据，所涉及的压电传感器输出的电压值为连 续值，由于计算机系统所能处理的是一些离散化的值，所以系统最终并不能产生理想 的结果，只能是近似值。故本系统首先需要对参数值进行量化，方法是用有限个离散 量代替无限连续量的多对一的映射操作，得到最佳近似值，然后再传输到计算机系统 处理。 动态称重系统在采集数据时存在着各种干扰使采集数据偏离真实值，尽管我们在 实验的平台建设中采取了各种手段来排除干扰的影响，但干扰还不可避免的存在，如 何进一步去除这些干扰信号，如何为后面的动态数据进行处理准备数据，这些都需要 对数据进行预处理，数据预处理主要包括数字滤波处理、非线性校正、标度变换。 3 2 1 数字滤波 数字滤波【9 】是通过对已经离散的采样信号进行处理，是由程序来实现的，不增加 硬件设备，可靠性高，稳定性好，使用方便灵活，易于维护。数字滤波法有很多种， 根据前面分析的轴重信号的特点，为了抑制和消除工频干扰对系统的影响，即使采用 l o 济南人学硕f j 学位论文 ! i i i 一一一i i i i 一_ 一_ l 鼍鼍曼曼舅 算术平均值滤波，但仍然存在与采样次数n 成倍数的谐波干扰信号。所以，还必须考 虑低通滤波的方法，以便对某一频率以上的信号进行抑制和衰减。为此，采取了低通 滤波加算术平均滤波两种算法的复合数字滤波 1 0 一1 2 】，其输入输出关系如图3 3 所 示。这种滤波方法无论对慢速变化的信号还是快速变化的信号，都能取得较好的滤波 效果。 图3 3 输入输出关系图 1 ) 低通滤波算法是根据惯性环节的特性建立起来的，它的传递函数为： g = 罴= 熹 栅) 式中，f 为时间常数，把上式转换为差分方程的形式，就可以得到数字低通滤波算法， c ( n ) = 口x ( 肛) + ( 1 一口) c ( 刀- 1 )式( 3 2 ) 式中口2 吾若为滤波系数，霉为采样周期，x ( ，z ) 为低通滤波输入值，c ( n - 1 ) 为上次 低通滤波输出值，c 仰) 为本次低通滤波输出值。这种算法主要模拟了具有较大惯性 环节的低通滤波功能，时间常数取得较大，滤波系数口通常取( o ，1 ) 。 2 ) 算术平均值滤波算法 对低通滤波输出的n 个值相加，然后取其算术平均值作为本次复合滤波器输出， 】，( 后) 2 专善c ( 力 式( 3 3 ) 式中，y ( 后) 为第七次n 个采样值的算术平均值，n 为采样次数，c ) 为第i 次低通滤 波器的输出值。 3 2 2 系统标度变换 经a d 转换器输出的是水泥传感器的电压信号值，而系统要求最终测量的显示结 果是轴重，这就要采用标度变换 1 3 1 f 6 j 方法把电压值转换为所需要的重量值。根据两 点可以确定一条直线，设传感器量程零点和终点的坐标分别为( 而，乃) ，( 屯，y 2 ) ，得到 如下标度变换公式： 水泥压电传感器信号分析处理系统的研究了歼发 y = 羔丑( y 2 - - y 1 ) + y l 式( 3 4 ) 屯一x l 上式中： y 一汽车轴重的实测值。 x 一汽车轴重的实测值对应的a 1 1 ) 值。 x a 一传感器零点重量对应的a d 值。 m 一传感器零点的实测重量。 墨一传感器终点重量对应的a i d 值。 奶一传感器终点的实测重量。 系统标定步骤： 1 ) 水泥传感器不加任何重量时记录5 次a d 值作为系统的零点值。 2 ) 在水泥传感器上施加已知质量的标准砝码，然后记录5 次a d 值作为系统终 点值。实测数据见下表3 1 ： 表3 1 标定实测a d 值 标定 实测轴重值a d 值 3 3 5 3 0 2 系统零点 0k g3 2 3 2 9 6 3 5 9 7 3 3 3 7 0 1 7 2 4 6 5 6 4 系统终点 2 5 6 0 k g 7 2 8 9 4 1 2 7 1 5 1 6 8 3 7 4 8 3 7 1 9 3 ) 分别对5 次零点和终点a d 值取平均值，计算出系统的标定系数，得出系统 坐标变换公式为： y = 0 0 3 4 9 x - 1 1 6 9式( 3 5 ) 4 ) 以后每次施加在传感器上被测质量后，系统即可以算出质量。 1 2 改变加载载荷的幅值，从2 0 0 n 到1 6 0 0 n ，输入载荷的平衡位置为4 0 0 0 n 。在传感器 输出电压幅值和输入载荷幅值间存在明显的线性关系。 但是水泥压电传感器通常应用在室外，通常情况下外部环境较为复杂，加上放大 器等测量系统的非线性度，致使输入值与输出值之间不是严格的线性关系，以致影响 到称重系统的精度。为了保证系统的输入输出特性是一条直线，单单从传感器本身的 设计方面以及从电路环节精心设计非线性校正电路，需要更复杂的设计。因此，我们 采用软件方法来对系统进行非线性校j e 1 4 - 16 】 一般来说，校正系统的非线性有两种常用方法：一是查表法；二是曲线拟合法。 本文我们采用曲线拟合的方法。方法是：设定某一路传感器为基准，让装载有不同质 量祛码的皮卡车以相同的速度通过，进行了4 次测量，记录实验的实测值，而后计算 每一次实测值的均值。如表3 2 所示： 表3 2 标准砝码质量与实测质量的数据 标准砝码质量( k g ) 2 1 4 02 2 8 02 4 2 02 5 6 0 实测质量( k g ) 2 1 2 3 62 2 9 4 82 3 7 5 12 5 1 1 9 曲线拟合法 1 7 】是采用系数由最j x - - - 乘法确定。n 次多项式来逼近反非线性曲线。 该多项式方程的各个系数由最小二乘法确定。其实现步骤： 1 ) 列出逼近反非线性曲线的多项式方程对传感器及其调理电路进行静态实验标 定，得校准曲线。标定点的数据为： 输入x i ：x l ，x 2 ，x 3 ，】【4 ，x n ； 输出u i ：u 1 ，u 2 ，u 3 ，u 4 ，u n ，n 为标定点个数，非线性特性拟合方程为： x i ( u i ) = a o + 口l u f + a 2 u 2 + + 口。卵 式( 3 6 ) n 的数值按所要求的精度来定。若n = 3 ，则 薯( ) = a o + a l u i + 口2 u + 口3 z ，式( 3 7 ) 式中a o ，a 。，a 2 ，a 3 为待定系数。利用最小二乘法，通过以上实测数据计算待定系数 a o ，a l , a 2 , a 3 。 2 ) 把采样值u 代入式( 3 4 ) 进行运算即可。根据表3 2 的实验数据，用最小二乘曲 线拟和的方法求出拟合的曲线方程。 1 4 济南人掌硕l ：学位论文 曼i i i m 一i i i , i i ! 曼曼曼曼曼鼍 第四章数据采集及动态称重数据处理算法设计 4 1 实时数据采集 4 1 1 数据采集系统简介 数据采集 1 4 】( d a t aa c q u i s i t i o n ) 指的是把水泥压电传感器产生的模拟信号工( f ) 经 过采样转换为采样信号x ( n r ，1 ，然后再进行量化和编码处理得到离散的数字信号 x ( n 1 ，最后把数字信号传输到计算机进行后期处理。数据采集系统通过采集水泥压 电传感器产生的原始电压信号，经过电荷放大器和调理电路后，被转换成数字信号后 存储起来，最后传入计算机中进行运算、显示、再分析等处理。 数据采集系统数据流如图4 1 所示： i 压电传感器 上 l 电荷放大器 上 l 信号调理电路 0 i 多路模拟开关 图4 1 数据采集系统数据流 1 ) 传感器是数据采集系统中的一个必不可少元件，其主要功能是获取原始物理 数据信息，比如加速度、力值、温度、湿度等，本论文中使用的水泥基压电传感器可 以视为力值传感器，这种传感器的线性较好，受到外部压力后输出电压信号，其精度、 灵敏度、可靠性等已经过山东省水泥工程技术研究中心的实验验证。 2 ) 电荷放大器可以把水泥基压电传感器产生的电压信号放大到a d 转换器所需 1 5 水泥压电传感器信号分析处理系统的研究与开发 i i m 曼曼皂曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼! 曼曼皇曼! 曼! 曼皇皇曼曼皇曼皇曼曼! 曼! 曼曼曼! 兰曼曼曼 要的输入电平，并在模拟输入信号和a d 转换器间进行阻抗匹配和隔离。 3 ) a d 转换器的作用是把在时间轴上离散的、幅值上连续的模拟电压信号转换成 在时间轴和幅值上都离散的数字信号，并通过r s 2 3 2 c 通信电缆传输到上位机p c 中等 待上位机软件的运算、分析、保存等操作。 4 1 2 数据采集系统设计 对于一个采集系统，硬件是采集系统全部功能的基础，也是系统最基本的框架。 系统硬件的选择及其性能的好坏直接影响到系统功能的实现和系的精度。 水泥基压电传感器的输出为电压值，高阻抗，且输出电压值很微弱，为了达到a ，d 转换所需电压值要求，在a d 和压电传感器之间要有电荷放大器。电荷放大器是一种 输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器，而压电传感器的电压输出是正比于力输 出的。通常以电荷放大器作为前置放大器，用程控放大器或集成运算放大器 1 8 2 0 作为第二级电压放大器。本系统采用的电荷放大器如下图4 2 ： 图4 2 电荷放大器 8 路压电传感器模拟信号经电荷放大器后，再经信号调理电路达到a d 转换所需 的电平，同时加在8 路采样保持器( l f 3 9 8 ) 的输入端( 见下图4 3 ) 。每当定时采样 时间到后，启动同步采样程序。 1 6 济南大学硕lj 学位论文 图4 3 采样保持器连接7 5 0 1 各路信号通过8 选1 模拟开关7 5 0 1 接到a d 信号输入端。( 见下图4 4 ) 图4 47 0 5 1 连接a d 5 7 4 模拟信号经a d 5 7 4 转换为数字信号，送到单片机进行数据处理，再通过r s 2 3 2 c 串行数据通信电缆上传到计算机。 4 1 3 采样周期设定 一般情况下，水泥基压电传感器的形状类似变长为5 厘米左右的正方体( 见图 2 1 ) ，由于压电传感器的体积较小，所以当轮胎经过压电传感器时，轮胎与压电传感 器的接触面会很小，这就要求采样时间间隔z 的设定必须要考虑到车速。本文的系统 的后期测试中限定车辆通过检测区域的速度在3 6 千米d , 时，即1 0 米秒以内，轮胎与 压电传感器接触位置只要在0 1 米范围附近，压电传感器就可以感知到信息数据。这 1 7 水泥压电传感器信号分析处理系统的研究与开发 样在轮胎压过0 1 米的时间内要设定合适的采样周期，在保证精度的前提下采集尽可 能多的样本，最后通过上位机软件的数据处理算法来预测车重 8 】。 霉作为采样周期可以决定采样信号的质量和数量：如果z 太小，则会使采样信号 置伽i ) 的数量剧增，并且占用大量的内存单元；反之，互过大，会使模拟信号的某 些有用的信息丢失，这样一来就会出现失真现象，影响了数据处理精度。因此依据采 样定理选择l 来确保以0 互) 不失真 1 4 】。 由采样定理可知，对截止频率为z ，的连续信号x ( t ) 进行采样，其采样周期乃必 须满足z 当时，连续信号 j j 2 3c s i n 善- ( t 一刀z ) 】 f ) = 正) j l 一 式( 4 1 ) ”1 手。一刀互) z 、 ” 可以唯一确定不会出现失真。依据相关文献可知汽车的垂直振动在5 0 赫兹时已不明 显，_ ，c 取5 0 赫兹，s 1 ( 2 x 5 0 ) 秒= 0 0 1 秒- 1 0 毫秒。综合分析以上两点，确定了本 系统的采样周期为2 毫秒 8 】。由于硬件系统的数据采集是连续的，因此车轮通过检测 区域的开始时刻和结束时刻都要由软件来判断。这就要在软件中设置一个门槛电压 值，排除外界干扰的情况下，如果a d 转换数据超过这个门槛值，则认为车轮开始通