渦街流量計是一種朝著高精度、低功耗以及數(shù)字化方向發(fā)展的廣泛應(yīng)用的流量儀表。 但在低流速下，噪聲信號會淹沒渦街信號。 因此，如何提高低流速信噪比成為研究熱點。 隨著 DSP 處理技術(shù)的發(fā)展，借助于 DSP 強大的數(shù)據(jù)運行能力和數(shù)據(jù)處理能力，可將其成功實現(xiàn)。 設(shè)計了一套應(yīng)用小波閾值去噪理論搭建的 DSP 平臺，主要設(shè)計了信號調(diào)理電路。 并通過在該 DSP 平臺對不同頻率數(shù)據(jù)進行采集、處理和分析，得出將該研究平臺作為渦街信號處理的研究工具是可行的。

目前的渦街流量計普遍采用單片機系統(tǒng)，隨著信號處理算法復(fù)雜程度的提高，單片機的運行速度和性能已開始成為阻礙渦街流量計性能提升的瓶頸。由于 DSP 處理器具有強大的數(shù)據(jù)處理能力和快速處理速度，同時 DSP 有較強的硬件和軟件支持，使得其對渦街流量計智能設(shè)計有著強大的資源支持。 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 研究平臺為研究各種復(fù)雜算法數(shù)字信號處理技術(shù)在渦街流量計中的應(yīng)用提供一種便利的研究工具。

1.渦街流量計信號特點與分析

一臺渦街流量計有三個組成部分：渦街產(chǎn)生、渦街信號檢測和渦街信號處理。 如圖 1。

2.DSP 研究平臺設(shè)計

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

本文主要研究內(nèi)容是實現(xiàn)應(yīng)力式渦街流量計信號采集，保存及處理等功能， 這里主要介紹實現(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的硬件組成電路 ， 即信號調(diào)理電路。 信號調(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)生電荷來測量非電量。 壓電晶體的輸出是十分微弱的電荷信號，需經(jīng)過電荷放大電路，將壓電傳感器的電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓量，做為后續(xù)信號處理的輸入量。 本文在輸入級預(yù)置一個雙端差動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或者衰減高頻信號的電路來濾除所需頻帶以上的信號，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。

因為本文僅對低流速時渦街信號進行測量， 其頻率范圍在5～30Hz 內(nèi)， 所以在設(shè)計該濾波器通帶衰減－3db， 截止頻率為100Hz 時可以滿足濾除部分高頻噪聲的要求。 其中運放采用差動輸 入 四 運 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

由于渦街信號經(jīng)過電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號后幅值較小，信號采集度太低。往往需要加入電壓放大電路對渦街信號提供足夠的增益， 以提高信號處理的精度。 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)計偏置電路， 在原有信號的基礎(chǔ)上加入偏置電壓， 使信號調(diào)理到適合 AD 采樣電路采樣的范圍，如圖 6 所示。

3. 實驗研究與結(jié)果分析

3．1 實驗數(shù)據(jù)采集

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

3．2 實驗數(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 中進行去噪處理，處理結(jié)果如圖8所示。

分別對去噪后信號進行 FFT 變換，橫坐標為頻率，縱坐標為幅值，如圖 9 所示。

3．3 實驗數(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)用場合會有不同的數(shù)值。 通過對不同流速進行多次采樣，計算出不同頻率下對應(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調(diào)理電路的放大倍數(shù)，得出從壓電傳感器輸出的實際信號幅值，經(jīng)過多組數(shù)據(jù)的計算，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 渦街信號對應(yīng)的 FFT 變換的結(jié)果，信號中有 6Hz左右的頻率信號。 根據(jù)幅頻關(guān)系可知 6Hz 頻率實際信號幅值應(yīng)在 0．22mV 左右， 但是觀察 6Hz 頻率現(xiàn)在對應(yīng)的信號幅值為0．3mV， 可以判斷此頻率為 6Hz 的信號為噪聲干擾。 利用此方法，依次排除其他噪聲干擾，確定實際信號頻率。

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

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