基于全相位基于全相位FFT的振弦式传感器频率测量系统设计的振弦式传感器频率测量系统设计
针对采用FFT频域法进行频率测量时存在频谱泄漏及栅栏效应,造成测量精度下降的问题,提出一种基于全相位
FFT-Rife双谱线校正算法的高精度频率测量方法,并将该算法移植到以STM32处理器为核心的振弦式传感器频
率测量系统中。实验结果表明,本系统的频率测量绝对误差小于0.2 Hz,与其他测频方法相比较,具有更高的频
率测量精准度。
0 引言引言
建筑物内部的结构变化会引起工程安全上的事故,通过采集和分析建筑物结构的动力学特征参数,可以有效地判断建筑结
构的安全情况。
[1]
。
目前,基于振弦式传感器测频系统的
[2-3]
。基于快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation,FFT)的频域法具有数据处理
灵活、测频精度高、系统稳定等优点,并得到越来越广泛的应用。FFT 变换存在两个缺陷:(1)信号时域上的截断会引起频谱
泄漏,影响频率估计的精度;(2)信号频率不是FFT频率分辨率的整数倍时存在栅栏效应,会导致频率估计产生较大的误差。
学者们提出了多种频率校正算法用于提高频率估计的精度
[4-5]
。其中,全相位FFT算法具有抑制频谱泄露的能力,在频率估计
精度和抗噪声上的性能优异
[6]
,可应用于振弦式传感器测频系统中。
本文介绍了全相位FFT的实现方法,并采用全相位FFT和Rife频率校正算法,设计了一款基于
1 系统组成系统组成
1.1 系统结构框图系统结构框图
系统的结构框图如图1所示,主要包含STM32处理器模块、振弦式传感器及其激振电路、信号放大电路、滤波电路、存储器
模块等。
振弦式传感器在激振电路的作用下输出一个微弱信号,经过放大电路、滤波电路后由STM32处理器内部ADC进行采样。采
集的数据由软件处理后,可以通过WiFi模块上传到上位机。
1.2 放大电路设计放大电路设计
振弦式传感器的输出信号微弱,一般为毫伏级别,需要经过高增益放大电路才能进行后续处理。具体电路如图2所示。
由于传感器安放位置的需要,信号采集电路到测频系统之间的连接导线长度会有不同。传感器输出的微弱信号在几米长和
几百米长的导线中传输时,信号衰减程度不一样。为了保证传感器信号满足ADC采样的要求,系统采用仪表放大器PGA206设
计了可编程增益放大电路。
前级放大器PGA206通过A0、A1选择不同的放大倍数:1、2、4、8;后两级LF412运算放大器构成增益为400的放大器。
因此,整个系统可以选择4种放大倍数:400、800、1 600和3 200。
1.3 滤波电路设计滤波电路设计
传感器信号不可避免地存在噪声和干扰,为了提高测量精度,必须要对其进行滤波。传感器输出信号的频率在400 Hz~5
000 Hz 之间,可以采用四阶低通滤波器和四阶高通滤波器构成带通滤波器。系统设计的低通滤波器截止频率为6 000 Hz,高
通滤波器截止频率为400 Hz,具体电路如图3所示。
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