渦街流量計(jì)是一種朝著高精度、低功耗以及數(shù)字化方向發(fā)展的廣泛應(yīng)用的流量?jī)x表。 但在低流速下，噪聲信號(hào)會(huì)淹沒渦街信號(hào)。 因此，如何提高低流速信噪比成為研究熱點(diǎn)。 隨著 DSP 處理技術(shù)的發(fā)展，借助于 DSP 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)行能力和數(shù)據(jù)處理能力，可將其成功實(shí)現(xiàn)。 設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用小波閾值去噪理論搭建的 DSP 平臺(tái)，主要設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路。 并通過在該 DSP 平臺(tái)對(duì)不同頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和分析，得出將該研究平臺(tái)作為渦街信號(hào)處理的研究工具是可行的。

目前的渦街流量計(jì)普遍采用單片機(jī)系統(tǒng)，隨著信號(hào)處理算法復(fù)雜程度的提高，單片機(jī)的運(yùn)行速度和性能已開始成為阻礙渦街流量計(jì)性能提升的瓶頸。由于 DSP 處理器具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和快速處理速度，同時(shí) DSP 有較強(qiáng)的硬件和軟件支持，使得其對(duì)渦街流量計(jì)智能設(shè)計(jì)有著強(qiáng)大的資源支持。 因此，智能儀表控制多采用 DSP 芯片處理器以滿足對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)處理的能力。 本文通過所開發(fā)的 DSP 研究平臺(tái)為研究各種復(fù)雜算法數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在渦街流量計(jì)中的應(yīng)用提供一種便利的研究工具。

1.渦街流量計(jì)信號(hào)特點(diǎn)與分析

一臺(tái)渦街流量計(jì)有三個(gè)組成部分：渦街產(chǎn)生、渦街信號(hào)檢測(cè)和渦街信號(hào)處理。 如圖 1。

2.DSP 研究平臺(tái)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的研究平臺(tái)包括信號(hào)調(diào)理電路，AD 轉(zhuǎn)換電路， 及其與上位機(jī)通信接口。

本文主要研究?jī)?nèi)容是實(shí)現(xiàn)應(yīng)力式渦街流量計(jì)信號(hào)采集，保存及處理等功能， 這里主要介紹實(shí)現(xiàn)將微弱的電荷量轉(zhuǎn)換成與AD 轉(zhuǎn)換器相符合的電壓信號(hào)的硬件組成電路 ， 即信號(hào)調(diào)理電路。 信號(hào)調(diào)理電路包括電荷放大器，低通濾波器，電壓放大器和電壓偏置電路四部分。

2．1 電荷放大器

應(yīng)力式傳感器采用壓電元件，在外力作用下，通過壓電元件表面產(chǎn)生電荷來測(cè)量非電量。 壓電晶體的輸出是十分微弱的電荷信號(hào)，需經(jīng)過電荷放大電路，將壓電傳感器的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓量，做為后續(xù)信號(hào)處理的輸入量。 本文在輸入級(jí)預(yù)置一個(gè)雙端差動(dòng)電荷放大電路以提高其共模抑制能力。 如圖 2。

2．2 低通濾波電路

模擬低通濾波電路可以依靠抑制低頻信號(hào)或者衰減高頻信號(hào)的電路來濾除所需頻帶以上的信號(hào)，從而提高信噪比，從圖 3可以看出，Butterworth 低通濾波電路具有增益較為平坦且線性相位特性良好，因此本文選擇 Butterworth 低通濾波電路。

因?yàn)楸疚膬H對(duì)低流速時(shí)渦街信號(hào)進(jìn)行測(cè)量， 其頻率范圍在5～30Hz 內(nèi)， 所以在設(shè)計(jì)該濾波器通帶衰減－3db， 截止頻率為100Hz 時(shí)可以滿足濾除部分高頻噪聲的要求。 其中運(yùn)放采用差動(dòng)輸 入 四 運(yùn) 算 放 大 器LM324 器件，±5V 電源供電，如圖 4 所示。

2．3 電壓放大電路

由于渦街信號(hào)經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后幅值較小，信號(hào)采集度太低。往往需要加入電壓放大電路對(duì)渦街信號(hào)提供足夠的增益， 以提高信號(hào)處理的精度。 電路如圖 5 所示。

2．4 電壓偏置電路

采用的 AD 芯片的采樣輸入范圍為 0～5V，通過設(shè)計(jì)偏置電路， 在原有信號(hào)的基礎(chǔ)上加入偏置電壓， 使信號(hào)調(diào)理到適合 AD 采樣電路采樣的范圍，如圖 6 所示。

3. 實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析

3．1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

本文通過所設(shè)計(jì)的 DSP 平臺(tái)采集頻率為 8Hz、15Hz和 30Hz的渦街信號(hào)并保存其中，得到三組渦街信號(hào)數(shù)據(jù)，如圖 7 所示。

3．2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)小波閾值去噪原理，將三組數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入 Matlab 中進(jìn)行去噪處理，處理結(jié)果如圖8所示。

分別對(duì)去噪后信號(hào)進(jìn)行 FFT 變換，橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為幅值，如圖 9 所示。

3．3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在 A＝中，由于鄣的值與儀表系數(shù)，管道口徑，流體性質(zhì)等因素有關(guān)，不同的應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)有不同的數(shù)值。 通過對(duì)不同流速進(jìn)行多次采樣，計(jì)算出不同頻率下對(duì)應(yīng)的幅值，繪制出幅頻特性曲線，如圖 10。 查出不同頻率下信號(hào)調(diào)理電路的放大倍數(shù)，得出從壓電傳感器輸出的實(shí)際信號(hào)幅值，經(jīng)過多組數(shù)據(jù)的計(jì)算，得出鄣的平均值，為 6．2×10－6。 從而得出幅值 A 與頻率 f 曲線，如圖 11。

觀察 8Hz 渦街信號(hào)對(duì)應(yīng)的 FFT 變換的結(jié)果，信號(hào)中有 6Hz左右的頻率信號(hào)。 根據(jù)幅頻關(guān)系可知 6Hz 頻率實(shí)際信號(hào)幅值應(yīng)在 0．22mV 左右， 但是觀察 6Hz 頻率現(xiàn)在對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅值為0．3mV， 可以判斷此頻率為 6Hz 的信號(hào)為噪聲干擾。 利用此方法，依次排除其他噪聲干擾，確定實(shí)際信號(hào)頻率。

根據(jù)信號(hào)調(diào)理電路幅頻曲線可知 8Hz、15Hz 和 30Hz 信號(hào)在濾波器的通帶，此時(shí)的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路放大 225 倍。根據(jù) FFT 變換后的結(jié)果可知實(shí)際信號(hào)頻率 8Hz、15Hz 和 30Hz 去噪后信號(hào)幅值分別為 0．1V、0．35V 和 1．2V， 從而得出壓電傳感器輸出信號(hào)幅值為 0．44mV、1．56mV 和 5．33mV。 為了得到的實(shí)際信號(hào)頻率，取校驗(yàn)頻率為 8Hz 的數(shù)據(jù)為例，其信號(hào)幅值為 0．44mV，代入 A＝鄣·f2，得到此時(shí)信號(hào)頻率為 8．452Hz。 同理分析校驗(yàn)信號(hào)為 15Hz 和 30Hz 的處理后信號(hào)，如表 1 所示。

由表 1 的結(jié)果可知該分析方法測(cè)量誤差在可接受范圍內(nèi)，并且隨著流速的增加， 信號(hào)頻率變大， 去噪算法的測(cè)量誤差變小。 由此可知該 DSP 平臺(tái)可以應(yīng)用于渦街流量計(jì)的低流速測(cè)量信號(hào)的去噪分析中。