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上海靜衡稱重設備有限公司
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閱讀：288發布時間：2016-2-16
地磅稱重傳感器幾種常用的數字濾波方法
地磅稱重傳感器信號容易受到外部噪聲干擾，因此其精度問題一直制約稱重行業的發展，本文選用了幾種常見數字濾波方法對地磅稱重傳感器信號進行濾波，并分別對其進行比較分析，zui終選擇一種*的濾波方式，并用實驗證明這種濾波方式大大提高了信號采集精度。
一、地磅稱重傳感器信號濾波的意義
目前，地磅稱重傳感器越來越被廣泛的應用到各行各業，比如，包裝、物流等現場稱重，水泥、注塑機等的下料配給以及汽車、機車的軸重計量等。然而復雜的工業環境經常 包含各種各樣的干擾，主要包括機械振動、過程通道干擾、空間干擾（電磁波干擾）等，他們對地磅稱重傳感器信號采集精度產生了巨大影響，對實際稱重系統產生了巨大誤差，對于工業精度要求較高的場所，這些影響顯得尤為重要。因此本文討論幾種數字濾波方式對現場數據進行濾波處理，提高信號精度，具有很強的現實意義。
二、原始信號分析
地磅稱重傳感器信號頻率一般為低頻信號，為避免傳感器信號失真，本文搭建實驗平臺并選定任務循環周期為10ms，即采樣頻率為100Hz，然后采集一組原始數據時域圖。
從圖1上可以看出，地磅稱重傳感器信號噪聲干擾較為明顯，并且呈現一定的周期性規律，數據標準差為9.32，為進一步分析，對原始數據進行FFT分析得出其頻譜圖。
從圖2上可以看出，原始數據信號在0.2Hz處有一個明顯的脈沖，因為地磅稱重傳感器信號頻率一般為低頻信號，因此可判斷本實驗地磅稱重傳感器的信號頻率為0.2Hz，同時可看到其他波段處波動較為均勻，是明顯的白噪聲干擾。因此，為了保證地磅稱重傳感器信號的真實不失真性同時兼顧系統精度要求，選定數字濾波器為低通濾波器，其截止頻率為2Hz。
三、一階慣性濾波
一階慣性濾波器因其程序設計簡單，濾波效果明顯，因而被廣大設計人員所采用，對于截止頻率為2Hz的一階慣性濾波器，其系統傳遞函數為：
因此我們可以設定程序對原始數據進行一階濾波，濾波之后數據圖如圖1所示。
對比圖1和圖3可以看出，經過一階慣性數字濾波之后，原始數據波動改善明顯，毛刺明顯變小，其濾波效果已經相當不錯，其標準差減小為2.26，數字信號精度提高75.75%。
四、FIR濾波
FIR(FiniteImpulseResponse)數字濾波器又稱為“有限沖激響應數字濾波器”。其頻域傳遞函數一般為：
因此設計FIR數字濾波器的關鍵就是計算出其濾波器系數。本項目采用窗口函數法設計FIR數字濾 波器，設定濾波器的截止頻率為2HZ,窗函數為海明窗(Hamming)。對于截止頻率只有幾赫茲的FIR濾波器來說，要想有較高的濾波效果，濾波器階數是幾十階甚至上百階，但在實際工程項目中，階數太高的FIR濾波器在程序編寫上不方便，為此我們選定濾波器的階數為10階。濾波后數據時域圖如圖4所示。
對比圖1和圖4可以看出，FIR濾波后數 據相對于原始數據其濾波效果也很明顯，經計算標準差減小為2.62，數字信號精度提高71.89%。
FIR濾波精度跟一階慣性濾波器對比可知，其濾波效果不如一階慣性濾波器，濾波后數據標準差FIR稍大，所以FIR濾波器不是我們所需要的理想濾波器。
五、IIR濾波
IIR(InfiniteImpulseResponse)數字濾波器又稱為“無限沖激響應數字濾波器”。其時域傳遞函數一般為：
IIR濾波器也有很 多形式，本文將選用在通帶內zui為平坦的巴特沃斯數字濾波器，其設計方法一般是：首先確定濾波器的設計指標，包括濾波器階數和歸一化的截止頻率，然后借助 Matlab中的FDATool工具箱觀察其幅頻曲線，看其通帶阻帶衰減是否合適，zui后利用庫函數 butter函數得出濾波器的系數。本文設定巴特沃斯濾波器截止頻率為 2Hz，階數為 6階。濾波后數據時域圖如圖5所示。
對比圖1和圖5可以看出，巴特沃斯數字濾波器濾波效果十分*，濾波后的數據曲線很平滑，基本上沒有毛刺，經計算濾波后的數據標準差僅為 1.51，將數字信號精度提高了83.80%。比一階慣性濾波標準差小很多。說明巴特沃斯濾波器對稱重傳感器信號高頻噪聲有很好的抑制作用，是我們所需要的數字濾波器。
六、總結
本文主要探討了幾種常用的數字濾波方法，并通過實驗分別對他們進行了分析對比，zui終我們決定采用巴特沃斯數字濾波器對稱重傳感器進行濾波處理，這種數字濾波方法大大提高了傳感器信號的采集精度，并且這種濾波技術不增加硬件電路設計，不增加額外成本，并且程序編寫簡單、靈活，因此可以大規模的推廣使用。
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