基于多传感器信息融合的涡街信号处理方法

针对压电式涡街流量计抗干扰性能差的缺点,提出基于多传感器信息融合的涡街信号检测方法.在该测量系统中,差压传感器测得钝体前、后的平均差压,压电传感器检测钝体下游涡街信号的频率,通过无迹卡尔曼滤波(UKF)算法将以上两种信息进行数据融合,有效提高了数字带通滤波器的锁定精度.在搭建的振动实验平台上验证了该方法的可行性,对比分析了本文方法和传统方法的测量结果.实验表明:采用该处理方法能够有效抑制外界的强振动噪声干扰对流速测量的影响,当最大振动噪声干扰的强度为涡街信号的4倍时,测量精度可以达到1%,增强了压电式涡街流量计的抗振能力,提高了流量测量精度.     

用计时-计频方式精确测量涡街流量计信号

涡街流量计是一种测量流量的传感器 ,其输出信号是与流量成正比的脉冲频率信号 ,在不同介质和管径中测量流量时所对应的输出信号频率范围不同 .采用常规定时采集信号脉冲数的方法容易在低频率产生误差 .为了能够精确获取涡街流量计在低、中频段的信号 ,采用了输出脉冲信号计时与计频方式相结合的测频方法 .重点介绍了交点频率的计算方法和误差分析 ,提供了用单片机实现这两种方法的测量原理和硬软件设计思路 .     

用计时-计频方式精确测量涡街流量计信号

涡街流量计是一种测量流量的传感器，其输出信号是与流量成正比的脉冲频率信号，在不同介质和管径中测量流量时所对应的输出信号频率范围不同．采用常规定时采集信号脉冲数的方法容易在低频率产生误差．为了能够精确获取涡街流量计在低、中频段的信号，采用了输出脉冲信号计时与计频方式相结合的测频方法，重点介绍了交点频率的计算方法和误差分析，提供了用单片机实现这两种方法的测量原理和硬软件设计思路．     

新DFT递推算法在涡街流量信号处理中的应用

采用压电传感器的涡街流量计在测量中容易受到工业测量现场管道振动和流体振动引起的噪声干扰，传统信号处理电路不能保证仪表在工业现场的测量精度。利用三角函数的和差公式，推导了一种新的DFT递推算法，用于计算涡街信号的功率谱，通过谱分析得到涡街频率。实验表明，这种方法用于处理涡街流量信号具有算法简单，计算量小，实时性好，实现方便等特点，能有效抵抗噪声，提高测量精度，是一种新的涡街流量信号处理方法，且有很好的实用价值。     

一种低流速气体流量传感器的研制

提出一种基于温差测量原理测量低流速气体流量的方法并进行了实验验证.传感器由一对集成温度传感器芯片与片状铂电阻热源构成,专门设计的片上恒流供电电路保证了热源加热功率的稳定.对该流量传感器样品进行测试,结果表明它能够提供与方根流速近似成线性关系的输出.在低于0.5 cm/s的低流速下,该传感器具有数十至数百毫伏的输出信号幅度,其测量下限可低至0.5 cm/s.这与理论分析结果基本相符.该流量传感器在低流速条件下具有高灵敏度和较高的稳定性.     

用自相关算法扩展超声涡街流量计的下限

为了提高超声涡街流量计在低流速下的测量性能，更好地提高信噪比，采用了自相关滤波算法，提出了在调幅式超声涡街流量计中加入自相关滤波算法的设计思路．给出了在高速单片机上应用的具体计算方法、重要参数的取值范围及标准风道上的实验结果．结果表明，该算法在低于0．3m／s流速时很好地抑制了噪声干扰，提高了信号幅值，较好地解决了低流速测量时数据不稳定的问题，扩展了超声涡街流量计的下限．     

光栅莫尔条纹信号非正弦性误差修正

为了提高光栅传感器的测量精度,提出了一种莫尔条纹信号非正弦性误差修正方法.通过三角函数变换建立修正模型,并依据泰勒级数迈克劳林展开式建立光栅传感器输出信号正弦性修正方程.以非线性模型中常用的最小二乘参数估计方法建立代价函数,采用粒子群算法对修正方程中的参数进行辨识,实现对光栅传感器输出信号的修正.针对修正前后采样数据的误差进行分析,光栅传感器输出信号误差峰峰值由110″降低至24″,其正弦性得到了改善.实验结果表明,该方法有效地解决了光栅传感器在复杂工作环境下输出信号非正弦性导致的精确性和稳定性问题,提高了光栅传感器的输出信号精度,增强了其对复杂工业现场的适应能力.     

变频信号的自适应相位测量系统设计

相位是传感器响应周期性物理量的重要参数,相位变化量的高精度测量可以提供更加详细的物理信息.针对现有相位测量方法不能自适应描述信号细节的问题,以及存在传感器输出变频信号时,高频信号的相位测量值比低频信号少的问题,设计了基于压控振荡器控制技术的自适应相位测量系统.通过分析传感器输出变频信号的调理技术,研究压控振荡器的控制技术,设计了随信号频率变化自动调整测相间隔的相位测量模型,建立了相位测量系统误差模型,解决了传感器输出周期信号时测相间隔固定的问题,实现了传感器输出周期信号的自适应等相位间隔测量.并通过磁传感器响应模拟旋转磁场的相位测量实验,验证了该系统的相位测量能力,能够满足实际测量相位的需求,并同时输出信号的周期.     

一种新型相位式磁栅转矩转速传感器

在现有的磁电型转矩转速传感器的基础上,提出了一种新型相位式磁栅转矩转速传感器。该传感器基于相应转矩测量原理,以磁栅为信号发生器。除了具有工作频率高,输出信号波形质量好的优点外,它的另一特点是：共有四路输出信号,其中两路为反映转矩信息的比相信号,另两路是用于提高比相精度和判别转矩方向的辅助测量信号。而现有的转矩转速传感器只有两路比相信号输出。     

振弦式传感器测频技术的研究

摘要：根据振弦式传感器的工作原理,提出了一种以LM3S6965为控制核心的振弦式传感器测频的新方法．利用LM3S6965内部16位定时计数功能完成激励信号的输出和频率信号的测量,并对所测结果进行温度补偿来降低传感器所处环境温度对频率测量的影响,同时采用等精度测量的方法提高了系统的整体测量精度．     

Application of Hilbert-Huang transform to denoising in vortex flowmeter

Due to piping vibration, fluid pulsation and other environmental disturbances, variations of amplitude and frequency to the raw signals of vortex flowmeter are imposed. It is difficult to extract vortex frequencies which indicate volumetric flowrate from noisy data, especially at low flowrates. Hilbert-Huang transform was adopted to estimate vortex frequency. The noisy raw signal was decomposed into different intrinsic modes by empirical mode decomposition, the time-frequency characteristics of each mode were analyzed, and the vortex frequency was obtained by calculating partial mode＇s instantaneous frequency. Experimental results show that the proposed method can estimate the vortex frequency with less than 2% relative error; and in the low flowrate range studied, the denoising ability of Hilbert-Huang transform is markedly better than Fourier based algorithms. These findings reveal that this method is accurate for vortex signal processing and at the same time has strong anti-disturbance ability.     

智能化旋涡流量积算显示系统的研究

以ＭＣＳ－８０９８单片机核心的旋涡流量积算显示系统，在抗干扰与频率信号自适应处理的基础上，配以压力传感器与温度传感器，对流体的密度因压力，温度变化而引起的测量误差进行自动补偿，从而有效地从强随机噪声干扰中正确检测出旋涡频率信号，得到标准容积流量。     

Application of empirical mode decomposition based energy ratio to vortex flowmeter state diagnosis

To improve the measurement performance, a method for diagnosing the state of vortex flowmeter under various flow conditions was presented. The raw sensor signal of the vortex flowmeter was adaptively decomposed into intrinsic mode functions using the empirical mode decomposition approach. Based on the empirical mode decomposition results, the energy of each intrinsic mode function was extracted, and the vortex energy ratio was proposed to analyze how the perturbation in the flow affected the measurement performance of the vortex flowmeter. The relationship between the vortex energy ratio of the signal and the flow condition was established. The results show that the vortex energy ratio is sensitive to the flow condition and ideal for the characterization of the vortex flowmeter signal. Moreover, the vortex energy ratio under normal flow condition is greater than 80%, which can be adopted as an indicator to diagnose the state of a vortex flowmeter. Foundation item: Project(200801346) supported by the China Postdoctoral Science Foundation; Project(2008RS4022) supported by the Hunan Postdoctoral Scientific Program; Project(2008) supported by the Postdoctoral Science Foundation of Central South University     

仿海豹胡须阵列检测水中运动目标尾流特征

为检测水中运动目标的尾流特征,获取运动目标运动轨迹方向、几何尺寸等参数信息,通过模仿海豹使用胡须探测猎物的机理,提出了一种仿海豹胡须的尾流探测方法。首先,用3D打印技术制作了与海豹胡须形态相似的胡须模型,并结合压阻元件等材料制作了可感知水中运动目标尾流的传感器阵列。其次,设计尾流检测实验方案,并对0.5、1.0、1.5 m/s的均匀来流及具有微小波动的非均匀流场情况进行仿真分析,获取不同流场情况下的尾流速度场分布,分析S₁₁的升力系数及频谱分布,并与理论计算得到的尾流漩涡脱落频率进行对比,验证实验方案的有效性。最后,在实验室条件下,采用该传感器阵列实现了对被测目标尾流特征的测量,并分析了仿海豹胡须夹角对尾流检测的影响。结果表明：在不同来流情况下,胡须模型升力系数波动较明显,经快速傅里叶变换获得的主频与尾流漩涡脱落频率理论值一致性较好;在尾流区内传感器探测尾流信号的平均电压值是非尾流区的3倍以上,由此可准确识别出尾流区和非尾流区。在此基础上,对平均电压值衰减的梯度方向进行分析,实现了对被测目标运动轨迹方向的估算。该传感器阵列测得尾流信号的最大响应频率接近数值仿真的主...     

用神经网络分析两相流横掠三角形柱体的信号

对气液两相横掠柱体旋涡脱落信号数据进行了三层小波分解,并提取第三层小波分解的8个重构信号的能量作为人工神经网络的输入特征向量,训练了人工BP神经网络,并应用该网络实现了气液两相绕流中含气率大小的定位.解决了用传统的傅里叶变换进行信号分析时所不能解决的问题,即当含气率过大时,无法从功率谱图上确定含气率的大小.试验范围内最大可确定的截面含气率可达35.9%.研究表明,小波分解的特征提取技术和人工神经网络的模式识别技术联合应用可以作为测量两相流组分的一种新方法,也可作为对大含气率气液两相流横掠柱体旋涡脱落的分析方法.     

水力机械叶片尾流机理研究

建立了基于弱可压缩流体基础之上的非恒定、粘性流数学模型,采用大涡模拟计算方法,固壁边界条件采用＂部分滑移条件＂,成功地对水力机械叶片尾流现象进行了模拟计算.计算结果表明,水力机械在非设计工况下,叶片绕流流态十分复杂,在负压面存在回流、脱流旋涡,以及叶片尾流.叶片正压面流速与叶片负压面流速差较大,加上负压面上的脱流旋涡,是形成叶片尾流的原因.尾流内存在周期性很好的类似卡门涡列的流动现象,其频率与叶片绕流状况有关,随着叶片入流角增加而增大,且属于低频范畴,因此,不能简单地采用圆柱绕流卡门涡街的频率公式进行计算.     

二维流场激光成像测量方法

介绍了利用激光、CCD图像传感器、计算机图像处理技术实现二维流场成像测量的方法与测量系统.运用相关估计和粒子运动轨迹跟踪的理论,提出对流场信号分析、处理和重建的方法.实验结果表明,激光CCD二维流场测量方法具有与流场无接触、无扰动、直观准确、方便快捷的优点,不失为一种十分有效的流场测量手段.     

基于矢量传感器的高分辨频率估计算法研究

基于子空间分解的ESPRIT算法常用在阵列处理中对目标进行DOA估计．如果将空间的位移变成时间的延迟，单个矢量传感器可以实现高分辨率的频率估计．将ESPRIT与矢量传感器相结合，研究了高分辨率频率估计算法，建立了矢量传感器的数据模型，推导了矢量传感器的空时阵列流形，通过对协方差矩阵进行子空间分解，求得目标信号的频率估计值．仿真计算研究了不同信噪比、采样频率和数据长度条件下该算法的性能．结果表明基于矢量传感器的算法比基于声压传感器的算法具有更高的频率估计精确度．     

基于静电传感器空间滤波法测量固相速度

以点电荷为例,计算静电感应电极上感应电荷的表达式,点电荷在测量区内运动,根据电极的幅频响应,并将感应电荷表达式看作门函数,得到空间滤波法测速原理,并且在整个频率范围内对测速原理进行推广。利用信号频谱分析中的特征频率建立空间滤波测量速度,其可以用于静电传感器测量气/固两相流的流动速度表达式。采用自谱密度的转换矩阵,对静电传感器输出电压信号作自谱密度分析,得到其频谱特性,找到特征频率(峰幅频率)完成速度测量。通过实验验证其方法是可行的,并通过实验来校正比例因数和校正因子。