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流量传感器信号建模、信号处理及系统研究

王肖芬  
【摘要】: 本论文由三部分组成:热膜式MAF传感器动态非线性建模、正弦激励下电磁流量传感器信号建模与信号处理以及涡街流量传感器信号处理方法研究与系统研制。 (1)针对热膜式MAF传感器存在的动态非线性问题,对传感器动态非线性模型及其辨识方法进行了研究。采用块联模型来描述传感器的动态非线性,研究了Vandermonde参数辨识方法,提出了两步辨识方法。仿真结果表明,这两种方法都是有效的,而两步辨识方法抑制噪声能力较强。 (2)在进行静动态实验的基础上,采用所提出的两步辨识方法,建立了一个统一的热膜式MAF传感器的Hammerstein模型,能全面描述传感器在大小流量和正负阶跃输入情况下的动态非线性特性,并给出传感器的性能指标。 (3)通过分析电磁流量传感器的工作原理,提出了正弦激励下电磁流量传感器的信号模型,充分反映“变压器效应”和“电涡流现象”;依据实验数据,提出了两步拟合方法,确定了信号模型的参数。该模型定量了描述传感器输出与流量、激励信号之间的关系。 (4)根据所提出的电磁流量传感器信号模型的相位信息,对正交解调使用的参考信号进行相位调整。有效地消除了正交干扰的影响,减小了传感器的零点输出。 (5)根据小波理想重构条件,运用IIR结构构造Butterworth型小波滤波器组,获得更好的幅频特性。解决IIR小波滤波器的实现的问题,将其应用于含有噪声的涡街传感器信号的基波提取和频率测量。在频率测量中,提出极值误点的判别方法,用最小二乘方法估计频率,减少低频噪声的影响。采用抛物线插值方法消除非整周期采样误差。 (6)采用数字滤波与频谱分析相结合方法处理涡街流量传感器信号,有效地消除强管道振动等噪声干扰。采用RFFT实现信号频谱估计,将计算量减少了近一半,以便算法的实时实现。采用频谱校正的方法,提高了频率估计的精度。 (7)采用片上外设丰富的DSP芯片TMS320LF2407A作为处理器,研制了涡街流量传感器数字信号处理系统。采用限幅滤波电路,解决传感器信号强度变化大,需要调整硬件电路参数的问题。通过设置合适的频率分辨率和频谱校正方法,温度和压力补偿,提高测量精度;利用DSP内部定时器,用软件方式输出脉冲,保证其输出的精度。利用数据循环缓冲区,边采样边计算,实现信号的实时处理。研制的系统体积小,制作成本低,功能齐全,能与不同口径的涡街流量计本体匹配,扩展仪表量程,提高仪表抗噪声能力。 (8)对研制的基于DSP的涡街流量计数字信号处理系统进行了实验调试、现场实验和标定实验,验证了系统的处理精度和工作的稳定可靠性。该系统已经在工业现场应用。


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