电气检测技术5.7.ppt

1、1,5.7 数字滤波,电气检测技术,2,随机误差： 测量通道中，由各种随机干扰引入，使A/D送入 微机的数据中存在的误差称为随机误差。 随机误差的特点： 就一次测量而言，随机误差没有规律，不可预 测。但当测量次数足够多时，总体服从统计规律， 多数随机误差服从正态分布。,电气检测技术,3,随机误差的消除,1）采用硬件抗干扰的方法； 2）按统计规律采用软件抗干扰，采用数字滤波 方法来抑制有效信号中干扰成分，消除随机误差。,电气检测技术,4,数字滤波,通过一定的计算程序，对采集的数据进行某种 处理，从而消除或减弱干扰噪声的影响，提高测量 的可靠性和精度。,电气检测技术,5,数字滤波的优点,(1) 节

2、省硬件成本 数字滤波只是一个滤波程序，无需添加硬件， 且一个滤波程序可用于多处和许多通道，无需每个 通道专设一个滤波器，因此，节省硬件成本。 (2) 可靠稳定 软件滤波不像硬件滤波需要阻抗匹配而且容易 产生硬件故障。,电气检测技术,6,(3) 功能强 数字滤波对频率很高或很低的信号进行有效滤 波，模拟滤波器由于硬件的限制难以实现。 数字滤波的滤波方法有很多种；模拟滤波局限 于频率滤波，利用频率差异进行滤波 (4) 方便灵活 适当改变滤波程序参数，即可改变滤波功能。,电气检测技术,7,(5) 减小信号延时 有些高速采集电路中，会由于硬件滤波带来额 外的信号延时，因此，也不便采用硬件滤波； 软件滤

3、波也会占用一定的时间，由于CPU处于高 速运算，因此会减少信号的传输延时。,电气检测技术,8,(6) 不丢失原始数据 模拟滤波采用频率滤波，滤去频率与干扰相同 有用信号，这部分信号在原始数据记录上被丢失。 有些系统为更多保留系统信息，更多地采集有 用信号，尽可能不在A/D转换之前进行频率滤波； 这样在采集有用信号同时，把部分干扰信号也 采集进来，但可用数字滤波的方法把干扰消除； 数字滤波只把已采集存储到存储器中的数据读 出来进行数字滤波，不破坏采集得的原始数据。,电气检测技术,9,常用的数字滤波方法,1、限幅滤波和中位值滤波 2、平均值滤波 3、低通滤波 4、复合滤波,电气检测技术,10,一、

4、限幅滤波和中位值滤波,限幅滤波适用场合： 1）测控系统中存在的随机脉冲干扰； 2）传感器不可靠而将脉冲干扰引入输入端，从 而造成测量信号的严重失真；,电气检测技术,11,限幅滤波的基本方法,1）比较相邻(n和n-1时刻)两个采样值yn和yn-1； 2）若yn和yn-1的差值超过允许的最大偏差，发生 随机干扰； 3）记后一次采样值yn为非法值，剔除； 4）剔除yn后，用yn-1代替yn ； 5）若未超过允许的最大偏差范围，则认为本次 采样值有效。,电气检测技术,12,最大允许偏差的确定,限幅滤波时的关键：最大允许偏差的选择。 过程的动态特性决定其输出参数的变化速度。 因此，通常按照输出参数可能的

5、最大变化速度Vmax 及采样周期T来决定最大允许偏差的值，即： y = Vmax T,电气检测技术,13,2、中位值滤波,中位值滤波特点： 1）对某被测参数连续采样n次(n取奇数)，然后 把n次采样值按大小排列，取中间值为本次采样值； 2）测量n个数据才获得一个有效值。,电气检测技术,14,中位值滤波的适用场合： 1）有效地克服偶然因素引起的波动或采样器不 稳定引起的误码等脉冲干扰。 2）适用于慢变参数，如：温度、液位等； 3）不适宜快速测量场合，如流量、压力等；,电气检测技术,15,二、平均值滤波,常用的平均值滤波： 1、算术平均值滤波 2、去极值平均滤波 3、移动平均滤波(递推平均滤波)

6、4、加权平均值滤波,电气检测技术,16,1、算术平均值滤波,方法特点： 按输入的N个采样数据序列xi(il-N)，寻找 这样一个y，使y与各采样值之间的偏差的平方和最 小，即满足： 由一元函数求极值的原理，可得 上式即为算术平均值滤波的基本算式。,电气检测技术,17,算术平均滤波对信噪比的影响,设第i次测量值包含信号成分Si和噪音成分ni， 则进行N次测量的信号成分之和为： 噪音的强度用均方根来衡量，噪音为随机信号 时，进行N次测量的噪音强度和为： S、n表示N次测量后信号和噪音的平均幅度。 N次测量算术平均后的信噪比可提高 倍：,电气检测技术,18,算术平均滤波法适用范围：,1）对具有随机干

7、扰的信号进行滤波； 这种信号的特点是有一个平均值，信号在某一 数值范围附近做上下波动，在这种情况下仅取一个 采样值做依据显然是不准确的。 2）每采样时刻进行n次采样，取算术平均值作 为该时刻的采样值。因此进行n次测量才可得到一个 有效数据；,电气检测技术,19,3）信号的平滑程度完全取决于N； 当N较大时，平滑度高，但灵敏度低；当N较小 时，平滑度低，但灵敏度高。 视具体情况选取N，少占用计算时间，获的最好 的效果。对于一般流量测量，常取N12；若为压 力，则取N4。,电气检测技术,20,2、去极值平均滤波,去极值平均滤波特点： 1）算术平均滤波对抑制随机干扰效果较好，但 对脉冲干扰的抑制能力

8、弱，明显的脉冲干扰会使平 均值远离实际值。 2）中值滤波对脉冲干扰的抑制却非常有效； 3）两者结合形成去极值平均滤波。,电气检测技术,21,去极值平均滤波的算法： 连续采样N次，去掉一个最大值，去掉一个最小 值，再求余下N-2个采样值的平均值。,电气检测技术,22,3、移动平均滤波(递推平均滤波),算法特点： 1）针对算术平均滤波速度较慢，进行改进(连 续采样若干次后，才能进行运算而获得一个有效的 数据)； 2）先建立一个数据缓冲区，依顺序存放N次采 样数据，然后每采进一个新数据，就将最早采集的 数据去掉，最后再求出当前缓冲区中的N个数据的算 术平均值；,电气检测技术,23,3）每进行一次采样

9、，就可得一个新的平均值， 测量一次便计算一次平均值，大大加快了数据处理 的能力； 4）数据存放方式可采用环形队列结构来实现。,电气检测技术,24,算法实现,yn为第n次采样值经滤波后的输出； xn-i为未经滤波的第n-i次采样值； N为递推平均项数。 第n次采样的N项递推平均值是n，n-1，n- N+1次采样值的算术平均，与算术平均法相似。,电气检测技术,25,移动平均滤波的特点,1）对周期性干扰有良好抑制作用，平滑度高， 灵敏度低； 2）对脉冲性干扰的抑制作用差，不易消除由于 脉冲干扰所引起的采样值偏差，不适用于脉冲干扰 比较严重的场合；,电气检测技术,26,3）适用于高频振荡的系统； 4）通过观察不同N值下递推平均的输出响应来选 取N值，以便既少占用计算机时间，又能达到最好的 滤波效果。 工程经验值如下： 流量 压力 液面 温度 N： 12 4 4-12 1-4,电气检测技术,27,四、复合滤波,在实际应用中，所面临的随机扰动往往不是单 一的，既要消除脉冲干扰，又要作数据平滑。因 此，常把前面所介绍的两种以上的方法结合起来使 用，形成复合滤波。,电气检测技术,28,例：防脉冲扰动平均值滤波算法,算法特点： 1）先用中位值滤波算法滤掉采样值中的脉冲 性干扰， 2）把剩