Matlab的加速度传感器振动信号处理方法分析

陈雄鑫 孙 浩 孙旭钢



Matlab的加速度传感器振动信号处理方法分析

陈雄鑫 孙 浩 孙旭钢

（沈阳理工大学 辽宁沈阳 110159）

目前工程信号处理技术所应用的领域有很多，其中振动学、无线电电子学、地震学、声学、光学等等，可谓发展极为广泛。但是，放眼滤波技术在工程上的应用发展也不过半个世纪的时间，滤波技术的飞速发展由于在工程上的处理、测量信号的完美应用。新时期，现代数字技术发展更为迅速，滤波技术在软件、硬件方面都得到了提升，因此其起到的作用大。

振动分析；Matlab；原理；处理方法

1.振动测试原理分析

振动测试中，振动的各个要素输出方式最后都是电形式，这之中少不了传感器的转换作用。其中振动要素包括：速度、加速度、位移等等，这些要素通过转换最后成为系统的输入信号，也就是传感器转换来的电信号。为清楚表述，笔者以一部分运算的过程作为依据。首先，将传感器的输出信号设为：

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

在①式中，所涉及的变量较多，其中E0是传感器输出直流的分量；“Esin（ωt+Φ）”是基波分量，也就是等待测试的信号。在Esin（ωt+Φ）中，E是需要用到的信号的幅值，Φ是需要用到的信号的初始相角，ω是需要用到的信号的振动角频率；“ΣE1sin（iωt+Φ1）”这是传感器输出的各次谐波分量，而各种噪声和异频分量用n(t)来表示。整个测试系统的目的就是为了抑制直流分量、谐波分量、异频分量和各种噪声项，找出有用信号的基波幅值E和初始相角。

法器和低通滤波器是构成测试系统的主要设备，在具象的测试活动中，乘法器对目标信号进行识别并施以设定倍数的放大，而低通滤波器则对特定波形的噪声基波进行过滤超过设定强度的噪声基波在此处被过滤出去，从而形成检测波与噪声波的强弱对比，突出检测目标的检测波强度。这样做的结果不但大大简化了信号处理系统的硬件结构，而且测试结果更加准确而可靠，程序的处理也更加方便。

2.FDATool分析工具

FDATool是Matlab信号处理中最为专业的滤波器分析工具，而且在新版本中还有滤波器设计工具（Filter Design Toolbox），操作简单，十分便利。FDATool是一款“万能”的工具，它可以近乎处理所有常见的滤波器，其中FIR、IIR都是可以使用的。DesignFilter和特性区是组成FDATool的两大部分，前者在界面下半部分，作用是对滤波器设置参数，后者在上半部分，作用是显示滤波器的种种特性。

Design Filter 部分主要分为：Filter Type（滤波器类型）选项，包括Lowpass（低通）、Highpass（高通）、Band-pass（带通）、Bandstop（带阻）和特殊的FIR滤波器。De-sign Method（设计方法）选项，包括IIR滤波器的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（椭圆滤波器）发和FIR滤波Equiripple法、Least2Squares（最小乘方）法、Window（窗函数）法。Filter Order（滤波器阶数）选项，定义滤波器的阶数，包括Specify Order（指定阶数）和Minimum Oeder（最小阶数）。在Specify Oredr中填入所要设计的滤波器的阶数(N阶滤波器，Specify Or-der =N-1)，如果选择Minimum Oredr则Matlab根据所选择的滤波器类型自动使用小阶数。

3.Matlab的加速度传感器振动信号处理方法

Matlab信号处理是数字滤波器设计的一种较为流行的方法，用FDATool进行滤波的设计，有直观简便的特性。在需要对参数进行改变时，只需点击设计按钮，一个新的滤波器就产生了，使得传统的滤波设计大量计算得以省略。在工程的实际应用中，以钻井为例，进行数据的实时监测是必须的，而且需要极为准确的数据。因为这些有用的数据是工作人员对钻进方向的重要依据。但是在实际的钻井工作中，钻井设备对地面产生的强烈冲击力会产生很大的冲击振动，这些针对影响着钻井的加速度，这个干扰因素会影响到整体的效果，所以必须排除这个影响。这就需要数字滤波器进行高频率的振动信号进行剔除，因为巨大的工作量，而且还需要处理工具的效率保证，所以Matlab信号处理的高效率也得到了认可。下面是以IIR数字滤波器进行设计，在Matlab滤波器中的设计应用。

4.结论：

在工程应用中数字相关的滤波技术有着很大的应用，其最大的特点就是在噪声的“恶劣”环境下提取出有用的信息。在信息发达的当下，滤波技术智能化、数字化都有着明显的提高，这对于在工程应用的作用愈发增加。我们国家应该注意该项技术的研发，对比找出最适合工程使用的滤波技术，一方面使技术得到统一，另一方面也可以使该项技术得到更大的发展。争取早日将我国的滤波技术水平与国外相媲美，在工程发展中起到更大的作用，为我国的综合国力的提升做出贡献。

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G322

B

1007-6344（2017）03-0327-01

陈雄鑫，专业：电子信息科学与技术，学校：沈阳理工大学

孙浩，专业：通信工程，学校：沈阳理工大学

孙旭钢，专业：通信工程，学校：沈阳理工大学