基于Matlab的加速度传感器振动信号处理方法研究
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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) 、Band2 pass (带通) 、Bandstop ( 带阻) 和特殊的 FIR 滤波器 。De2 sign Met hod(设计方法) 选项 ,包括 IIR 滤波器的 Butter2 wort h (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) 法和 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 Order ( 最小阶数) 。在 Specify Order 中 填入所要设计的滤波器的阶数 ( N 阶滤波器 , Specify Or2 der = N - 1) ,如果选择 Minimum Order 则 Matlab 根据所 选择的滤波器类型自动使用最小阶数 。Frenquency Speci2 fications 选项 ,可以详细定义频带的各参数 ,包括采样频 率 f s 和频带的截止频率 。他的具体选项由 Filter Type 选 项和 Design Met hod 选项决定 ,例如 Bandpass ( 带通) 滤 波器需要定 Fstop1 (下阻带截止频率) 、Fpass1 (通带下限 截止频率) 、Fpass2 ( 通带上限截止频率) 、Fstop2 ( 上阻带 截止频率) ,而 Lowpass (低通) 滤波器只需要定义 Fstop1 , Fpass1 。例如采用 Elliptic 设计低通滤波器时 ,需要定义 通带截止频率和采 样频 率 。Magnit ude Specifications 选 项 ,可以定义幅值衰减的情况 。例如设计低通通滤波器 时 ,可以定义 Astop ( 频率 Fstop 处的幅值衰减) 和 Apass (通带范围内的幅值衰减) 。 3. 2 低通滤波器设计实例
C H EN Caizheng ,XIN G Do ngqiu
( Elect ronic Engineering College ,Xi′an Shiyou University ,Xi′an ,710065 ,China)
Abstract : This t hesis int roduces a digital filter designing met hod using signal p rocessing toolbo x in Matlab software. It gives detailedly using specifications of FDA Tool grap hical user interface ,when designing filter using FDA Tool ,you can co m2 pare filter designing demand wit h filter character so as to adjust t he parameter at any moment . For powerf ul operation f unctio n of t he comp uter ,when t he parameters are changed ,yo u only need point t he design butto n ,new filter will be p roduced. In t his way ,a mass of manual operation will be avoided. A good lowpass digital filter is designed using FDA Tool ,t he filter can filter p referably t he acceleration senso r vibratio n signal and resolve t he engineering p ro blem.
测控技术
陈财政等 :基于 Matlab 的加速度传感器振动信号处理方法研究
3. 3. 2 滤波器工程实现
ຫໍສະໝຸດ Baidu
得到式(3) 传递函数 ,在实际的工程应用中就可以用
2 种方法实现 : 计算机软件实现 , 通用或专用硬件实现 。
考虑到滤波器阶数较低 ,运算较为简单 ,占用的 CPU 运算
关键词 :Matlab ; FDA Tool ; IIR 数字滤波器 ;加速度传感器 中图分类号 : TN9111 7 文献标识码 :A 文章编号 :1004 373X(2007) 07 134 03
Research of Acceleration Sensor Signal Processing Based on Matlab
+ 01 002 064 5 z - 3 ) / (1 - 21 963 994 8 z - 1 +
21 928 893 4 z - 2 - 01 964 887 04 z - 3 )
(3)
135
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
Keywords :Matlab ; FDA Tool ; IIR digital filter ;acceleratio n sensor
1 引 言
在钻井过程中 ,实时测量钻井工具的姿态是必不可少 的 ,测量的准确性是钻井成败的关键所在 ,因为司钻人员 是根据测得的当前姿态来决定下一步的钻进方向 。对钻 井工具的姿态测量使用的是加速度传感器 ,这种传感器不 只是敏感地球本身的重力加速度 ,而且敏感各种因素带来 的加速度 。钻井中 ,由于泥浆循环和钻柱的旋转 ,对钻井 工具产生巨大的冲击振动 ,这种冲击振动产生的加速度对 钻井工具姿态的测量来说就是干扰加速度 , 必须加以剔 除 。可行的方法就是设计低通数字滤波器将高频振动信 号滤除 ,传统的数字滤波器使用繁琐的公式计算 ,改变参 数后需要重新计算 ,在设计滤波器时工作量很大 ,利用 Matlab 信号处理工具箱可以快速有效的实现数字滤波器 的设计 。以下就以低通 IIR 数字滤波器的设计为例阐述 Matlab 在滤波器设计中的应用 。
2 IIR 数字滤波器
数字滤波器的功能就是把输入序列通过一定的运算
收稿日期 :2006 08 26
134
变换为输出序列 。一个数字滤波器可以用系数函数表示
为式 (1) :
M
H ( z)
∑bk z - k
=
k =0 N
∑ 1 -
ak z - k
=
Y ( Z) X ( Z)
(1)
k =1
直接由此式可得出表示输入输出关系的常系数线性
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
《现代电子技术》2007 年第 7 期总第 246 期
信号处理工具箱里专用的滤波器设计分析工具 , Matlab 61 0 以上的版本还专门增加了滤波器设计工具 ( Filter De2 sign Toolbox) 。FDA Tool 可以设计几乎所有的常规滤波 器 ,包括 FIR 和 IIR 的各种设计方法 。他操作简单 ,方便 灵活 。FDA Tool 界面总共分两大部分 , 一部分是 Design Filter ,在界面的下半部 ,用来设置滤波器的设计参数 ; 另 一部分则是特性区 ,在界面的上半部分 ,用来显示滤波器 的各种特性 。
测试 ·测量 ·自动化 响应和相频响应如图 1 所示 。
图 1 幅频和相频响应图
设计完成后保存滤波器为 IIR. f da 文件 。然后再命令 区键入 sptool 打开信号处理图形用户接口 ,把信号和滤波 器导入 ,进行滤波效果仿真 ,结果完全符合设计要求 。用 此滤波器对信号滤波效果如图 2 所示 。
图 2 加速度传感器信号低通滤波仿真效果图
从图中可以看到 ,滤波前 ,加速度传感器在振动情况 下的输出信号是围绕某个值上下变化 ,而滤波后的信号基 本呈现一条直线 ,即是说 ,通过滤波 ,交流信号基本滤除 , 已经可以反映真正的重力加速度的大小 。
3. 3 滤波器实现
3. 3. 1 在 FDA Tool 面板上求滤波器传递函数
加速度传感器在理想静止情况下输出的是恒定的直 流信号 ,而当产生不同频率的振动时会相应产生各种频率 的交流信号 。所以要求设计一个低通数字滤波器滤除振 动产生的交流信号 。参数要求 :阶数为 3 阶 、采样频率为 50 Hz ,用 Elliptic 设计 。
设计方 法 : 首 先 在 Filter Type 中 选 择 Lowpass ; 在 Design Met hod 选项中选择 IIR elliptic ,指定 Filter Order 项中的 Specify Order = 3 ; 由 于 采 用 Elliptic 法 设 计 , 在 Frequency Specifications 选项下的 unit s 中选择 Nomalized (0 to 1) ,设置 Wpass 为 01 15/ 25 ,在 Magnit ude Specifica2 tions 选项下设置 Apass = 01 1 ,Astop = 30 。设置完以后点 击 design filter 即可得到所设计的 IIR 数字滤波器 ,从特 性窗口中可以看到此滤波器是稳定的 。该滤波器的幅频
测控技术
陈财政等 :基于 Matlab 的加速度传感器振动信号处理方法研究
基于 Matlab 的加速度传感器振动信号处理方法研究
陈财政 ,邢动秋
(西安石油大学 电子工程学院 陕西 西安 710065)
摘 要 :介绍了一种用 Matlab 信号处理工具箱进行数字滤波器设计的方法 。给出了工具箱中的 FDA Tool 图形用户接 口的详细使用方法 ,用 FDA Tool 进行滤波器设计 ,可以随时对比设计要求和滤波器特性调整参数 ,直观简便 ,在每次改变参 数时 ,由于计算机的超强运算能力 ,只需点击设计按钮 ,新的滤波器立即产生 ,避免了传统滤波器设计的大量手工运算 。并 用他设计出了满足性能要求的低通数字滤波器 ,实现了对加速度传感器干扰振动信号的滤除 ,解决了工程实际问题 。
差分方程为 :
N
M
∑ ∑ y ( n) = ak y ( n - k) + bk x ( n - k)
(2)
k =1
k =0
无限长单位冲激响应( IIR) 滤波器有以下几个特点 :
(1) 系统的单位冲激响应 h( n) 为无限长的 ;
(2) 系统函数 H ( z) 在有限 z 平面(0 < | z | < ∞) 上
设计好滤波器后 ,点击菜单栏 Analysis 下的 filter co2
efficient s ,滤波器系数就显示在面板上 ,可看出 z 域传递函
数如式 (3) 所示 :
H ( z) = (01 002 064 5 - 01 002 058 7 z - 1 - 01 002 058 7 z - 2
有极点存在 ;
(3) 结构上存在从输出到输入的反馈 ,也就是说结构
上是递归性的 。正是因为这个特点 , IIR 数字滤波器可用
较少的阶数满足性能要求 ,所用的存储单元少 ,运算次数
少 ,较为经济 。
3 用 Matlab 设计 IIR 数字滤波器
3. 1 FDA Tool 的介绍 FDA Tool ( Filter Design & Analysis Tool) 是 Matlab
C H EN Caizheng ,XIN G Do ngqiu
( Elect ronic Engineering College ,Xi′an Shiyou University ,Xi′an ,710065 ,China)
Abstract : This t hesis int roduces a digital filter designing met hod using signal p rocessing toolbo x in Matlab software. It gives detailedly using specifications of FDA Tool grap hical user interface ,when designing filter using FDA Tool ,you can co m2 pare filter designing demand wit h filter character so as to adjust t he parameter at any moment . For powerf ul operation f unctio n of t he comp uter ,when t he parameters are changed ,yo u only need point t he design butto n ,new filter will be p roduced. In t his way ,a mass of manual operation will be avoided. A good lowpass digital filter is designed using FDA Tool ,t he filter can filter p referably t he acceleration senso r vibratio n signal and resolve t he engineering p ro blem.
测控技术
陈财政等 :基于 Matlab 的加速度传感器振动信号处理方法研究
3. 3. 2 滤波器工程实现
ຫໍສະໝຸດ Baidu
得到式(3) 传递函数 ,在实际的工程应用中就可以用
2 种方法实现 : 计算机软件实现 , 通用或专用硬件实现 。
考虑到滤波器阶数较低 ,运算较为简单 ,占用的 CPU 运算
关键词 :Matlab ; FDA Tool ; IIR 数字滤波器 ;加速度传感器 中图分类号 : TN9111 7 文献标识码 :A 文章编号 :1004 373X(2007) 07 134 03
Research of Acceleration Sensor Signal Processing Based on Matlab
+ 01 002 064 5 z - 3 ) / (1 - 21 963 994 8 z - 1 +
21 928 893 4 z - 2 - 01 964 887 04 z - 3 )
(3)
135
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
Keywords :Matlab ; FDA Tool ; IIR digital filter ;acceleratio n sensor
1 引 言
在钻井过程中 ,实时测量钻井工具的姿态是必不可少 的 ,测量的准确性是钻井成败的关键所在 ,因为司钻人员 是根据测得的当前姿态来决定下一步的钻进方向 。对钻 井工具的姿态测量使用的是加速度传感器 ,这种传感器不 只是敏感地球本身的重力加速度 ,而且敏感各种因素带来 的加速度 。钻井中 ,由于泥浆循环和钻柱的旋转 ,对钻井 工具产生巨大的冲击振动 ,这种冲击振动产生的加速度对 钻井工具姿态的测量来说就是干扰加速度 , 必须加以剔 除 。可行的方法就是设计低通数字滤波器将高频振动信 号滤除 ,传统的数字滤波器使用繁琐的公式计算 ,改变参 数后需要重新计算 ,在设计滤波器时工作量很大 ,利用 Matlab 信号处理工具箱可以快速有效的实现数字滤波器 的设计 。以下就以低通 IIR 数字滤波器的设计为例阐述 Matlab 在滤波器设计中的应用 。
2 IIR 数字滤波器
数字滤波器的功能就是把输入序列通过一定的运算
收稿日期 :2006 08 26
134
变换为输出序列 。一个数字滤波器可以用系数函数表示
为式 (1) :
M
H ( z)
∑bk z - k
=
k =0 N
∑ 1 -
ak z - k
=
Y ( Z) X ( Z)
(1)
k =1
直接由此式可得出表示输入输出关系的常系数线性
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
《现代电子技术》2007 年第 7 期总第 246 期
信号处理工具箱里专用的滤波器设计分析工具 , Matlab 61 0 以上的版本还专门增加了滤波器设计工具 ( Filter De2 sign Toolbox) 。FDA Tool 可以设计几乎所有的常规滤波 器 ,包括 FIR 和 IIR 的各种设计方法 。他操作简单 ,方便 灵活 。FDA Tool 界面总共分两大部分 , 一部分是 Design Filter ,在界面的下半部 ,用来设置滤波器的设计参数 ; 另 一部分则是特性区 ,在界面的上半部分 ,用来显示滤波器 的各种特性 。
测试 ·测量 ·自动化 响应和相频响应如图 1 所示 。
图 1 幅频和相频响应图
设计完成后保存滤波器为 IIR. f da 文件 。然后再命令 区键入 sptool 打开信号处理图形用户接口 ,把信号和滤波 器导入 ,进行滤波效果仿真 ,结果完全符合设计要求 。用 此滤波器对信号滤波效果如图 2 所示 。
图 2 加速度传感器信号低通滤波仿真效果图
从图中可以看到 ,滤波前 ,加速度传感器在振动情况 下的输出信号是围绕某个值上下变化 ,而滤波后的信号基 本呈现一条直线 ,即是说 ,通过滤波 ,交流信号基本滤除 , 已经可以反映真正的重力加速度的大小 。
3. 3 滤波器实现
3. 3. 1 在 FDA Tool 面板上求滤波器传递函数
加速度传感器在理想静止情况下输出的是恒定的直 流信号 ,而当产生不同频率的振动时会相应产生各种频率 的交流信号 。所以要求设计一个低通数字滤波器滤除振 动产生的交流信号 。参数要求 :阶数为 3 阶 、采样频率为 50 Hz ,用 Elliptic 设计 。
设计方 法 : 首 先 在 Filter Type 中 选 择 Lowpass ; 在 Design Met hod 选项中选择 IIR elliptic ,指定 Filter Order 项中的 Specify Order = 3 ; 由 于 采 用 Elliptic 法 设 计 , 在 Frequency Specifications 选项下的 unit s 中选择 Nomalized (0 to 1) ,设置 Wpass 为 01 15/ 25 ,在 Magnit ude Specifica2 tions 选项下设置 Apass = 01 1 ,Astop = 30 。设置完以后点 击 design filter 即可得到所设计的 IIR 数字滤波器 ,从特 性窗口中可以看到此滤波器是稳定的 。该滤波器的幅频
测控技术
陈财政等 :基于 Matlab 的加速度传感器振动信号处理方法研究
基于 Matlab 的加速度传感器振动信号处理方法研究
陈财政 ,邢动秋
(西安石油大学 电子工程学院 陕西 西安 710065)
摘 要 :介绍了一种用 Matlab 信号处理工具箱进行数字滤波器设计的方法 。给出了工具箱中的 FDA Tool 图形用户接 口的详细使用方法 ,用 FDA Tool 进行滤波器设计 ,可以随时对比设计要求和滤波器特性调整参数 ,直观简便 ,在每次改变参 数时 ,由于计算机的超强运算能力 ,只需点击设计按钮 ,新的滤波器立即产生 ,避免了传统滤波器设计的大量手工运算 。并 用他设计出了满足性能要求的低通数字滤波器 ,实现了对加速度传感器干扰振动信号的滤除 ,解决了工程实际问题 。
差分方程为 :
N
M
∑ ∑ y ( n) = ak y ( n - k) + bk x ( n - k)
(2)
k =1
k =0
无限长单位冲激响应( IIR) 滤波器有以下几个特点 :
(1) 系统的单位冲激响应 h( n) 为无限长的 ;
(2) 系统函数 H ( z) 在有限 z 平面(0 < | z | < ∞) 上
设计好滤波器后 ,点击菜单栏 Analysis 下的 filter co2
efficient s ,滤波器系数就显示在面板上 ,可看出 z 域传递函
数如式 (3) 所示 :
H ( z) = (01 002 064 5 - 01 002 058 7 z - 1 - 01 002 058 7 z - 2
有极点存在 ;
(3) 结构上存在从输出到输入的反馈 ,也就是说结构
上是递归性的 。正是因为这个特点 , IIR 数字滤波器可用
较少的阶数满足性能要求 ,所用的存储单元少 ,运算次数
少 ,较为经济 。
3 用 Matlab 设计 IIR 数字滤波器
3. 1 FDA Tool 的介绍 FDA Tool ( Filter Design & Analysis Tool) 是 Matlab