CN111650399A - 消除加速度传感器直流分量和趋势项的信号处理方法 - Google Patents

Abstract

一种消除加速度传感器直流分量和趋势项的信号处理方法，在加速度传感器的前端信号分发设备中嵌入信号处理算法，利用信号处理算法对待处理信号进行信号处理，利用信号处理算法得到去直流分量和趋势项的信号，实时消除加速度传感器中的直流分量和趋势项。本发明通过在加速度传感器的前端信号分发设备中嵌入信号处理算法，并通过对加速度传感器的信号进行处理，得到去直流分量和趋势项的信号，能够实时消除加速度传感器直流分量和趋势项，较传统解决方案在实时性、准确性和经济性上均具有明显优势。

Description

消除加速度传感器直流分量和趋势项的信号处理方法

技术领域

本发明涉及到一种传感器的信号处理方法，尤其是指一种消除加速度传感器直流分量和趋势项的信号处理方法，该种一种消除加速度传感器直流分量和趋势项的信号处理方法可有效地实时消除传感器的直流分量，并实时消除环境造成的信号趋势向；属于传感器信号处理技术领域。

背景技术

加速度传感器是一种测量物体振动过程中，作用在物体上的力的一类传感器。目前，加速度传感器广泛应用于汽车振动监测、轨道交通弓网关系监测、地震监测、游戏操控、军工等多种领域。

在加速度传感器的运用中，首先需要将加速度传感器测量数值进行标零处理，在实际使用中，由于人为或者其它复杂环境工况的影响，加速度传感器在被测物体静止时经常出现因为直流分量而没有完全标零的情况。此外，由于加速度传感器的应用范围极广，其工作的环境可能相当复杂，温度、气压等环境因素可能造成加速度传感器测量值的漂移，造成明显的信号趋势项。在要求比较高的测量环境中，有必要对加速度传感器的直流分量和趋势项进行消除。

传统的方法一般是隔断时间标定一次，确保间隔时间内是标零的；对于温度等环境因素造成的趋势项，一般在实验室对加速度传感器进行测试，对每个温度段进行一次传感器信号采集，然后拟合和插值出对应温度下的趋势补偿。传统方式主要存在三个问题。问题一是，隔断时间标定一次浪费人力和物力，经济效益差；问题二是，对于偶发的加速度传感器零值跳变不能及时修正；问题三是，实验室模拟的环境有限，给出的传感器的补偿表达式可能在实际运用中存在较大误差。

通过专利检索没发现有与本发明相同技术的专利文献报道，与本发明有一定关系的专利主要有以下几个：

1、专利号为CN201710273858.9，名称为“一种全差分力平衡模式MEMS加速度传感器信号处理电路”，申请人为：湘潭大学的发明专利，该专利公开了一种全差分力平衡模式MEMS加速度传感器信号处理电路，包括全差分开关电容电路、采样保持电路、仪表放大器、多相时钟电路、参考源电路，全差分开关电容电路对MEMS变化电容进行检测，输出差分信号经过采样保持电路，连接到仪表放大器，并通过仪表放大器把差分信号转换为单端输出信号。本发明的加速度传感器信号处理电路能实现高精度、低噪声的电压输出。

2、专利号为CN201310346010.6，名称为“一种惯性加速度传感器频控力反馈信号处理电路”，申请人为：福州大学的发明专利，该专利公开了一种惯性加速度传感器频控力反馈信号处理电路，包括微弱信号放大电路、滤波积分电路、电流模可控振荡器和数字微分电路。微弱信号放大电路的输入端和输出端分别与加速度传感器和滤波积分电路连接，以放大采集的微弱信号；滤波积分电路的输入端和输出端分别与微弱信号放大电路和电流模可控振荡器连接，以放大积分信号误差；电流模可控振荡器的输入端和输出端分别与滤波积分电路和数字微分电路连接，以相位积分系统输出信号；数字微分电路的输入端和输出端分别与电流模可控振荡器和加速度传感器连接，以输出包含反馈信息的量化噪声整形信号，反馈回加速度传感器的反馈输入端。

3、专利号为CN201811109023.0，名称为“一种用于血栓弹力图仪的加速度传感器信号补偿方法”，申请人为：深圳沃德生命科技有限公司的发明专利，该专利公开了一种用于血栓弹力图仪的加速度传感器信号补偿方法，采用N点均值滤波消除采样噪声信号的干扰；同时采用压电传感器技术，分析振动信号数字模型，消除由于振动带来的振动噪声，保留有效的动力学信号；由于振动的频率和振幅都有周期性和随机性，和有效信号叠加在一起，完全通过数字信号处理技术在特殊情况下不能达到好的效果，因此在压电传感器反馈信号和振动噪声有强相关性的情况，通过压电传感器的反馈信号输入，来补偿动力学信号能达到更好的滤波效果。

通过对上述这些专利的仔细分析，这些专利虽然都涉及了加速度传感器，也提出了一些对加速度传感器改进的技术方案，其中有的还涉及加速度传感器的信号处理电路；但通过仔细分析，该些专利都不是对的加速度传感器的传感器的直流分量和信号趋势向进行处理，所以前面所述的问题仍然存在，仍有待进一步加以研究改进。

发明内容

本发明的目的在于针对现有加速度传感器处理方法所存在的三个问题，提出一种消除加速度传感器直流分量和趋势项的信号处理方法，该种加速度传感器直流分量和趋势项的信号处理方法无需对传感器进行标定，实时消除传感器的直流分量；无需对传感器进行实验室的环境补偿实验，实时消除环境造成的信号趋势向。

为了达到这一目的，本发明提供了一种消除加速度传感器直流分量和趋势项的信号处理方法，在加速度传感器的前端信号分发设备中嵌入信号处理算法，利用信号处理算法对待处理信号进行信号处理，利用信号处理算法得到去直流分量和趋势项的信号，实时消除加速度传感器中的直流分量和趋势项。

进一步地，所述的信号处理算法是先通过采样获取待处理信号，再对待处理信号利用傅里叶变换和傅里叶反变换去掉信号中的直流分量，再将去直流分量的信号通过运算去趋势项，得到去直流分量和趋势项的信号；再按顺序从处理后的信号y4中截取窗的大小的信号作为加速度传感器输出信号y。

进一步地，所述的通过采样获取待处理信号是根据采样频率fs、被测物体的振动特征确定滑窗信号y0，再将滑窗信号y0作为待处理信号的前半部分，将上一次输出的信号y作为本次待处理信号的后半部分,将两段信号拼接得到待处理信号y1。

进一步地，所述的被测物体的振动特征是指被测物体的振动频率和振动幅值；所述滑窗信号y0，一般取10-20倍fs的窗长度。

进一步地，所述的对待处理信号利用傅里叶变换和傅里叶反变换去掉信号中的直流分量是将待处理信号y1做快速傅里叶变换后进行高通滤波，并将滤波后的信号进行傅里叶反变换得到去直流后的信号y2。

进一步地，所述的将待处理信号y1做快速傅里叶变换后进行高通滤波是将待处理信号y1做快速傅里叶变换后进行高通滤波，其特征在于高通的滤波截止频率一般取0.1Hz，可以保证滤除直流分量的前提下，不影响原始信号的低频成分。

进一步地，所述的将去直流分量的信号通过运算去趋势项是将去直流信号y2进行最小二乘多项式拟合，得到拟合表达式y3；再取待处理信号y1减去最小二乘多项式y3，得到去直流分量和趋势项的信号y4。

进一步地，所述的取待处理信号y1减去最小二乘多项式y3是：

最小二乘多项式的拟合取二次多项式，拟合表达式y3的表达式为：

y3＝ax²+bx+c (1)

所述的直流分量和趋势项的信号y4的表达式为：

y4＝y1-y3 (2)

进一步地，所述的按顺序从处理后的信号y4中截取窗的大小的信号作为输出信号y，是截取的顺序与待处理信号y1的滑窗更新顺序一致。

进一步地，所述的前端信号分发设备能够实时接收传感器采集的信号，并集成了信号处理算法，具备存储功能和运算功能。传感器采集的信号，经过前端信号分发设备处理后，再将处理后的信号打包发送给接收端。

进一步地，所述的消除加速度传感器中的直流分量和趋势项具体实施步骤如下：

1)根据采样频率fs、被测物体的振动特征确定滑窗信号y0；

2)将滑窗信号y0作为待处理信号的前半部分，将上一次输出的信号y作为本次待处理信号的后半部分,将两段信号拼接得到待处理信号y1；

3)将待处理信号y1做快速傅里叶变换后进行高通滤波，并将滤波后的信号进行傅里叶反变换得到去直流后的信号y2；

4)将去直流信号y2进行最小二乘多项式拟合，得到拟合表达式y3；

5)取待处理信号y1减去最小二乘多项式y3，得到去直流分量和趋势项的信号y4；

6)按顺序从处理后的信号y4中截取窗的大小的信号作为输出信号y；

7)将1.1-1.6信号处理算法嵌入前端信号分发设备中，实时消除传感器直流分量和趋势项。

本发明的优点在于：

本发明通过在加速度传感器的前端信号分发设备中嵌入信号处理算法，并通过对加速度传感器的信号进行处理，得到去直流分量和趋势项的信号，能够实时消除加速度传感器直流分量和趋势项，较传统解决方案在实时性、准确性和经济性上均具有明显优势。

附图说明

图1是本发明的消除加速度传感器直流分量和趋势项的信号处理方法流程图；

图2为一个实施例的待处理信号图；

图3为实施例经过傅里叶去掉直流分量的信号图；

图4为实施例经过去趋势向后的信号和滑窗最小二乘拟合趋势曲线图；

图5为消除加速度传感器直流分量和趋势项的信号曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来进一步阐述本发明。

实施例一

一种消除加速度传感器直流分量和趋势项的信号处理方法，在加速度传感器的前端信号分发设备中嵌入信号处理算法，利用信号处理算法对待处理信号进行信号处理；先通过采样获取待处理信号，再对待处理信号利用傅里叶变换和傅里叶反变换去掉信号中的直流分量，再将去直流分量的信号通过运算去趋势项，得到去直流分量和趋势项的信号；再按顺序从处理后的信号y4中截取窗的大小的信号作为加速度传感器输出信号y；利用信号处理算法得到去直流分量和趋势项的信号，实时消除加速度传感器中的直流分量和趋势项。工作流程如附图1所示，具体实施步骤如下：

1.1根据采样频率fs、被测物体的振动特征确定滑窗信号y0；

1.2将滑窗信号y0作为待处理信号的前半部分，将上一次输出的信号y作为本次待处理信号的后半部分,将两段信号拼接得到待处理信号y1；

1.3将待处理信号y1做快速傅里叶变换后进行高通滤波，并将滤波后的信号进行傅里叶反变换得到去直流后的信号y2；

1.4将去直流信号y2进行最小二乘多项式拟合，得到拟合表达式y3；

1.5取待处理信号y1减去最小二乘多项式y3，得到去直流分量和趋势项的信号y4；

1.6按顺序从处理后的信号y4中截取窗的大小的信号作为输出信号y；

1.7将1.1-1.6信号处理算法嵌入前端信号分发设备中，实时消除传感器直流分量和趋势项。

图2，3，4，5所示为一种消除加速度传感器直流分量和趋势项的信号处理方法示例。其中横坐标表示信号的第多少个信号点，纵坐标表示信号的幅值。其中，图2为待处理的原始加速度信号，图3为采用本发明提出的对信号进行实时滑窗快速傅里叶变换后，经高通滤波和傅里叶反变换去除传感器采集信号的直流分量(直流分量大小为在1543附近波动的曲线)，得到的去直流分量后的数据。图4中深颜色1为原始信号去直流后的信号，浅颜色2为每个窗的最小二乘拟合曲线。图5采用去直流后的信号减去每个窗的最小二乘拟合曲线，得到去直流分量和趋势项的信号。由图2，3，4，5可知，采用本发明提出的一种消除加速度传感器直流分量和趋势项的信号处理能够实时滤除信号的直流分量和趋势项。

上述所列实施例，只是结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，而且本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。同时，说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的优点在于：

本发明通过在加速度传感器的前端信号分发设备中嵌入信号处理算法，并通过对加速度传感器的信号进行处理，得到去直流分量和趋势项的信号，能够实时消除加速度传感器直流分量和趋势项，较传统解决方案在实时性、准确性和经济性上均具有明显优势。

主要有以下优点：

1、适用于全部类型的加速度传感器；

2、能够对于对于环境、标定等问题导致的直流分量和趋势向进行实时消除；算法嵌入前端采集设备，满足工业应用的需求。

Claims (10)

1.一种消除加速度传感器直流分量和趋势项的信号处理方法，其特征在于：在加速度传感器的前端信号分发设备中嵌入信号处理算法，利用信号处理算法对待处理信号进行信号处理，利用信号处理算法得到去直流分量和趋势项的信号，实时消除加速度传感器中的直流分量和趋势项。

2.如权利要求1所述的消除加速度传感器直流分量和趋势项的信号处理方法，其特征在于：所述的信号处理算法是先通过采样获取待处理信号，再对待处理信号利用傅里叶变换和傅里叶反变换去掉信号中的直流分量，再将去直流分量的信号通过运算去趋势项，得到去直流分量和趋势项的信号；再按顺序从处理后的信号y4中截取窗的大小的信号作为加速度传感器输出信号y。

3.如权利要求2所述的消除加速度传感器直流分量和趋势项的信号处理方法，其特征在于：所述的通过采样获取待处理信号是根据采样频率fs、被测物体的振动特征确定滑窗信号y0，再将滑窗信号y0作为待处理信号的前半部分，将上一次输出的信号y作为本次待处理信号的后半部分,将两段信号拼接得到待处理信号y1。

4.如权利要求3所述的消除加速度传感器直流分量和趋势项的信号处理方法，其特征在于：所述的被测物体的振动特征是指被测物体的振动频率和振动幅值；所述滑窗信号y0，一般取10-20倍fs的窗长度。

5.如权利要求2所述的消除加速度传感器直流分量和趋势项的信号处理方法，其特征在于：所述的对待处理信号利用傅里叶变换和傅里叶反变换去掉信号中的直流分量是将待处理信号y1做快速傅里叶变换后进行高通滤波，并将滤波后的信号进行傅里叶反变换得到去直流后的信号y2。

6.如权利要求5所述的消除加速度传感器直流分量和趋势项的信号处理方法，其特征在于：所述的将待处理信号y1做快速傅里叶变换后进行高通滤波是将待处理信号y1做快速傅里叶变换后进行高通滤波，其特征在于高通的滤波截止频率一般取0.1Hz，可以保证滤除直流分量的前提下，不影响原始信号的低频成分。

7.如权利要求2所述的消除加速度传感器直流分量和趋势项的信号处理方法，其特征在于：所述的将去直流分量的信号通过运算去趋势项是将去直流信号y2进行最小二乘多项式拟合，得到拟合表达式y3；再取待处理信号y1减去最小二乘多项式y3，得到去直流分量和趋势项的信号y4。

8.如权利要求7所述的消除加速度传感器直流分量和趋势项的信号处理方法，其特征在于：所述的取待处理信号y1减去最小二乘多项式y3是：

最小二乘多项式的拟合取二次多项式，拟合表达式y3的表达式为：

y3＝ax²+bx+c (1)

所述的直流分量和趋势项的信号y4的表达式为：

y4＝y1-y3 (2)

9.如权利要求2所述的消除加速度传感器直流分量和趋势项的信号处理方法，其特征在于：所述的按顺序从处理后的信号y4中截取窗的大小的信号作为输出信号y，是截取的顺序与待处理信号y1的滑窗更新顺序一致；所述的前端信号分发设备能够实时接收传感器采集的信号，并集成了信号处理算法，具备存储功能和运算功能。传感器采集的信号，经过前端信号分发设备处理后，再将处理后的信号打包发送给接收端。

10.如权利要求1所述的消除加速度传感器直流分量和趋势项的信号处理方法，其特征在于：所述的消除加速度传感器中的直流分量和趋势项具体实施步骤如下：

1)根据采样频率fs、被测物体的振动特征确定滑窗信号y0；

2)将滑窗信号y0作为待处理信号的前半部分，将上一次输出的信号y作为本次待处理信号的后半部分,将两段信号拼接得到待处理信号y1；

3)将待处理信号y1做快速傅里叶变换后进行高通滤波，并将滤波后的信号进行傅里叶反变换得到去直流后的信号y2；

4)将去直流信号y2进行最小二乘多项式拟合，得到拟合表达式y3；

5)取待处理信号y1减去最小二乘多项式y3，得到去直流分量和趋势项的信号y4；

6)按顺序从处理后的信号y4中截取窗的大小的信号作为输出信号y；

7)将1.1-1.6信号处理算法嵌入前端信号分发设备中，实时消除传感器直流分量和趋势项。

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