渦街流量計智能技術的應用與原理 二十九

§5．1基于壓電式渦街流量計渦街正弦信號的頻譜分析研究

國內生產渦街流量計的廠家大多采用了單片機，但僅限于用來進行參數設置和補償，表征流速的頻率仍使用硬件電路，即由渦街傳感器得到的信號，經過電路的放大、濾波、整形，輸出脈沖頻率信號。用這種方法雖然實時性較好，但流量計安裝在管道中，與管道相聯系的各種震動源所產生的干擾會疊加在壓電晶體的輸出信號上，可能導致電路的誤觸發，從而造成頻率計數的誤差，甚至不能正確測量流速。為此，一些研究人員提出發揮單片機的作用，采用譜分析等方法來進行信號處理，并計算出代表實際流速大小的頻率值。

§5．1．1頻譜分析法的提出

由于基于積分變換理論的頻譜分析法著眼點是信號在無窮或有限時間區間上的整體性質和特征，對信號中具體的個別細節并不敏感，帶有噪聲的周期信號，其頻率自始至終有確定的性質和規律，而隨機干擾信號僅影響到信號的個別細節，所以頻譜分析法頻率測量對干擾信號有很強的抑制作用，另外由于在

頻譜分析法頻率測量中沒有信號觸發電平閥值的問題，從而消除了儀表靈敏度對測量精度的影響吲。

§5．1．2頻譜分析法的發展及其性能比較

頻譜分析是信號分析的重要內容，對確定性信號和周期信號通常采用傅立葉分析方法，而對隨機信號由于不能直接利用傅立葉分析，只能在頻域通過相關函數的傅立葉變換，即功率密度譜對它的統計特性進行描述和分析，因此功率譜估計是隨機信號處理中的一個非常重要的研究和應用領域。所謂估計就是用觀測到的量來表示未知的量。具體地說就是根據給定的觀測數據和統計信息，按一定的準則和要求，對未知的參數或隨機變量作出最佳的估計。功率譜估計基本上可分為非參數估計的經典方法和參數估計的近代方法。判斷隨機信號數

字特征的估計方法的好壞標準是其必須是一致估計，既滿足無偏估計又使估計方差趨于零，即均方誤差最小或趨于零。

經典譜估計是基于FFT算法的非參數估計，對足夠長的記錄數據效果較好，得到普遍應用的有改進周期圖平均算法。但由于在估計過程中存在兩個與實際不符的假設(即隱含確定在已知數據以外的全部數據均為零和假定數據是以N為周期的周期性延拓)和加窗處理使得估計方差大，功率泄漏大，頻率分辨率低，不適用于短序列的譜分析對微弱信號的檢測。

近代譜估計是建立自隨機信號參數模型的基礎上，把有限長時間序列看作是以自噪聲序列激勵一個線性濾波器輸出的結果。若該線性濾波器是物理可實現的，可以用有限系數來描述則稱為有限參數模型，相應的有MA模型、AR模型和AIiMA模型。每一種模型輸入的白噪聲都代表模型的隨機分量，由于線性濾波器是確定系統，它的系數表示參量不是隨機變量，所以看作是一個線性預測器(估計器)，它們之間有著密不可分的內在聯系。所謂參數法就是通過信號模型參數或預測誤差濾波器參數的估計，實現功率譜估計。

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