北航传感器技术与测试系统实验三信号调理及信号处理实验.docx

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北航传感器技术与测试系统实验三信号调理及信号处理实验

北京航空航天大学宇航学院

传感器技术与测试技术实验报告

实验名称：

信号调理及信号处理实验

班级：

姓名：

实验三信号调理及信号处理实验

一．实验目的

1.了解电子称的称重原理；

2.掌握测试系统的标定方法；

3.掌握测试系统静态特性的分析方法；

4.掌握模拟滤波器的设计方法和实现过程；

5.掌握数字滤波器的设计方法和实现过程；

6.了解测量系统的设计和实现过程。

二．实验原理：

1.电子秤称重原理

实验中使用的电子秤，传感器为高精度高阻值电阻应变传感器。

电子称原理框图及电子称结构分别为下面两图所示。

电阻应变传感器安装在悬臂梁上。

悬臂梁与秤盘相连，当秤盘上放上重物后，悬臂梁产生形变，电阻应变传感器产生应变，将感受到的力或力矩的变化转变成变化的模拟信号。

该模拟信号经放大调理电路，再经采样转变成便于计算机处理的数字信号，由CPU运算后，根据键盘指令及程序将结果输出到显示器上。

2.实验滤波器设计

常用的低通滤波器为巴特沃思低通滤波器，其归一化传递函数为：

二阶巴特沃思滤波器的传递函数可表示为：

其中，归一化系数B=1.414214，C=1.0000000；ωc为截止频率，K=1为增益。

一个二阶巴特沃思低通滤波器电路原理图如图3.3所示。

图3.3二阶巴特沃斯低通滤波器电路图

通过推导可得其传递函数为：

则有：

根据ωc值即可选求各个器件的值。

3.系统标定

在一定的标准条件下，采用一定等级的标定设备对测试系统进行多次往复测试的过程称为标定。

通过对系统的静态标定，得到输出量与输入量的函数关系。

三．实验内容：

1.从电子秤中提取代表质量信号的引线，连接实验线路，并为质量信号添加噪声。

2.设计模拟滤波器并连接线路。

3.应用数据采集卡，编写Labview程序实现质量测量系统。

4.对系统进行标定，并验证指标。

四．实验仪器：

示波器、电子称、万用表、采集卡、面包板、计算机、信号发生器、模拟机、运算放大器、电阻和电容等。

五．实验步骤：

1.将电子秤的质量信号引出并加入噪声。

如图3.4所示。

图3.4信号引出及噪声的叠加

2.编写Labview程序，采集含噪声的质量信号，对信号进行分析以确定截止频率。

3.设计滤波器。

滤波器设计实现之后，需将图3.4的输出U0连接至所设计滤波器的输入V1。

4.连接模拟滤波器后，信号的极性会发生变化，为了使信号的输出能够与数据采集卡匹配，可能会需要一个反相器。

将反相器的输入端接滤波后信号的输出端，反相器输出端接到数据采集卡。

5.对系统进行标定，得到质量同电压的关系。

编写Labview程序，在计算机屏幕上显示所测质量。

6.测试验证设计的准确性。

六．实验结果

1.画出整个信号处理系统的原理图，并简述各个部分的作用

原理图如下图所示，其中电子秤将与质量有关电压作为输入信号，信号发生器产生噪声，op1为反相器，op2为加法器，这两个运放将电压信号与噪声信号叠加并保证输出同相，op3为低通滤波器，将高频噪声信号滤去，op4为反相器，保证输出与输入同相；通过数据采集卡将质量相关电压采集到电脑，并用labview程序分析其频谱，并显示电压与质量。

2.给出滤波器设计依据、方法和实现情况，判断滤波效果

滤波器设计原理详见实验原理2。

参数设计过程如下：

由未加滤波器时的输出频谱图可以看出，与重量相关电压的频率最高为1Hz，则截止频率应略大于1Hz。

由

K=1

可得

。

根据滤波前后的输出电压频谱，可以看出所设计滤波器有着较好的效果，能够有效地滤除高频噪声。

3.分析不同干扰时滤波器的滤波效果和滤波参数调整后的效果

由于与重量相关电压的频率最高为1Hz，所以当干扰信号不存在小于1Hz的成分或者该成分相对于电压值非常小时，可以设计一个低通滤波器来得到较为理想的输出，但若干扰信号存在较大的小于或接近1Hz的成分，低通滤波器无法实现滤波，此时可以考虑使用高通滤波器，但由于频率很低，也很难得到较好的结果。

4.数据处理

（1）根据实验结果，画出加、卸载过程的标定曲线，计算标定系数和标定误差。

实验数据列表如下：

第一次循环：

正行程：

质量m/kg

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

电压V/V

2.392

2.467

2.543

2.618

2.691

2.767

2.840

质量m/kg

3.500

4.000

4.500

5.000

5.500

6.000

电压V/V

2.912

2.988

3.061

3.135

3.213

3.285

反行程：

质量m/kg

6.000

5.500

5.000

4.500

4.000

3.500

3.000

电压V/V

3.285

3.214

3.138

3.064

2.990

2.915

2.840

质量m/kg

2.500

2.000

1.500

1.000

0.500

0.000

电压V/V

2.767

2.693

2.619

2.545

2.469

2.393

第二次循环：

正行程：

质量m/kg

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

电压V/V

2.392

2.467

2.541

2.616

2.691

2.768

2.842

质量m/kg

3.500

4.000

4.500

5.000

5.500

6.000

电压V/V

2.915

2.988

3.062

3.137

3.211

3.285

反行程：

质量m/kg

6.000

5.500

5.000

4.500

4.000

3.500

3.000

电压V/V

3.285

3.212

3.137

3.061

2.990

2.915

2.840

质量m/kg

2.500

2.000

1.500

1.000

0.500

0.000

电压V/V

2.766

2.691

2.616

2.544

2.469

2.394

第三次循环：

正行程：

质量m/kg

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

电压V/V

2.394

2.469

2.542

2.616

2.691

2.765

2.840

质量m/kg

3.500

4.000

4.500

5.000

5.500

6.000

电压V/V

2.914

2.989

3.063

3.137

3.212

3.286

反行程：

质量m/kg

6.000

5.500

5.000

4.500

4.000

3.500

3.000

电压V/V

3.287

3.212

3.138

3.062

2.989

2.915

2.842

质量m/kg

2.500

2.000

1.500

1.000

0.500

0.000

电压V/V

2.767

2.693

2.619

2.544

2.469

2.395

对以上数据进行初步处理，得到下表：

正行程平均输出：

质量m/kg

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

电压V/V

2.3927

2.4677

2.5420

2.6167

2.6910

2.7667

2.8407

质量m/kg

3.500

4.000

4.500

5.000

5.500

6.000

电压V/V

2.9137

2.9883

3.0620

3.1363

3.2120

3.2853

反行程平均输出：

质量m/kg

6.000

5.500

5.000

4.500

4.000

3.500

3.000

电压V/V

3.2857

3.2127

3.1377

3.0623

2.9897

2.9150

2.8407

质量m/kg

2.500

2.000

1.500

1.000

0.500

0.000

电压V/V

2.7667

2.6923

2.6180

2.5443

2.4690

2.3940

其加载、卸载过程曲线如下图所示：

下面计算其标定系数和标定误差：

通过计算得到输出电压平均值与质量的表格：

质量m/kg

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

电压V/V

2.3933

2.4683

2.5432

2.6173

2.6917

2.7667

2.8407

质量m/kg

3.500

4.000

4.500

5.000

5.500

6.000

电压V/V

2.9143

2.989

3.0622

3.137

3.2123

3.2855

故标定系数中静态传递函数为0.1486，零位输出为2.3942.

（2）计算测量系统中存在的最小二乘非线性误差、迟滞误差和综合误差。

a）最小二乘非线性误差

质量m/kg

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

电压V/V

2.3933

2.4683

2.5432

2.6173

2.6917

2.7667

2.8407

质量m/kg

3.500

4.000

4.500

5.000

5.500

6.000

电压V/V

2.9143

2.989

3.0622

3.137

3.2123

3.2855

根据以上数据，计算最小二乘非线性误差：

=39，

=36.9215，

=162.5，

=117.5271。

则可计算得：

a=

=

=

=

=2.39423，

b=

=

=

=0.14863。

所以最小二乘直线为：

y=0.14863x+2.39423

则对应每个点处的误差值为：

质量m/kg

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

误差/V

0.0009

0.00021

0.000307

0.000158

0.000177

0.000862

0.000547

质量m/kg

3.500

4.000

4.500

5.000

5.500

6.000

误差/V

0.0001

0.00025

0.0009

0.00038

0.000638

0.00051

由上表可知：

（ΔyL）max=0.0009，

=0.89178，

所以最小二乘非线性误差为：

ξLS=

×100%=0.101%。

b）迟滞误差

根据正反行程平均值表，可知正反行程的偏差为：

质量m/kg

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

偏差/V

0.00133

0.00133

0.00233

0.00133

0.00133

0.00000

0.00000

质量m/kg

3.500

4.000

4.500

5.000

5.500

6.000

偏差/V

0.00133

0.00133

0.00033

0.00133

0.00067

0.00033

则（ΔyH）max=0.00233，

选择最小二乘直线为参考直线，则

=0.89178。

故迟滞误差为：

ξH=

×100%=0.131%。

c）综合误差

首先计算重复性：

利用极差法：

m=3,则dm=1.91

可得下表：

i

0

1

2

3

4

5

6

sui

0.0010

0.0010

0.0010

0.0010

0.0000

0.0016

0.0010

i

7

8

9

10

11

12

sui

0.0016

0.0005

0.0010

0.0010

0.0010

0.0005

i

12

11

10

9

8

7

6

sui

0.0010

0.0010

0.0005

0.0016

0.0005

0.0000

0.0010

i

5

4

3

2

1

0

sui

0.0005

0.0010

0.0016

0.0005

0.0000

0.0010

s=

=0.0009755

选择最小二乘直线为参考直线，则

=0.89178。

故重复性为：

ξR=

×100%=0.328%。

下面计算综合误差：

i.直接代数和：

ξa=ξLS+ξH+ξR=0.101%+0.131%+0.328%=0.56%。

ii.方和根：

ξa=

=0.367%。

iii.综合考虑迟滞和重复性：

ξa=ξH+ξR=0.131%+0.328%=0.459%。