涡街流量计智能技术的应用与原理 二十九

§5．1基于压电式涡街流量计涡街正弦信号的频谱分析研究

国内生产涡街流量计的厂家大多采用了单片机，但仅限于用来进行参数设置和补偿，表征流速的频率仍使用硬件电路，即由涡街传感器得到的信号，经过电路的放大、滤波、整形，输出脉冲频率信号。用这种方法虽然实时性较好，但流量计安装在管道中，与管道相联系的各种震动源所产生的干扰会叠加在压电晶体的输出信号上，可能导致电路的误触发，从而造成频率计数的误差，甚至不能正确测量流速。为此，一些研究人员提出发挥单片机的作用，采用谱分析等方法来进行信号处理，并计算出代表实际流速大小的频率值。

§5．1．1频谱分析法的提出

由于基于积分变换理论的频谱分析法着眼点是信号在无穷或有限时间区间上的整体性质和特征，对信号中具体的个别细节并不敏感，带有噪声的周期信号，其频率自始至终有确定的性质和规律，而随机干扰信号仅影响到信号的个别细节，所以频谱分析法频率测量对干扰信号有很强的抑制作用，另外由于在

频谱分析法频率测量中没有信号触发电平阀值的问题，从而消除了仪表灵敏度对测量精度的影响吲。

§5．1．2频谱分析法的发展及其性能比较

频谱分析是信号分析的重要内容，对确定性信号和周期信号通常采用傅立叶分析方法，而对随机信号由于不能直接利用傅立叶分析，只能在频域通过相关函数的傅立叶变换，即功率密度谱对它的统计特性进行描述和分析，因此功率谱估计是随机信号处理中的一个非常重要的研究和应用领域。所谓估计就是用观测到的量来表示未知的量。具体地说就是根据给定的观测数据和统计信息，按一定的准则和要求，对未知的参数或随机变量作出最佳的估计。功率谱估计基本上可分为非参数估计的经典方法和参数估计的近代方法。判断随机信号数

字特征的估计方法的好坏标准是其必须是一致估计，既满足无偏估计又使估计方差趋于零，即均方误差最小或趋于零。

经典谱估计是基于FFT算法的非参数估计，对足够长的记录数据效果较好，得到普遍应用的有改进周期图平均算法。但由于在估计过程中存在两个与实际不符的假设(即隐含确定在已知数据以外的全部数据均为零和假定数据是以N为周期的周期性延拓)和加窗处理使得估计方差大，功率泄漏大，频率分辨率低，不适用于短序列的谱分析对微弱信号的检测。

近代谱估计是建立自随机信号参数模型的基础上，把有限长时间序列看作是以自噪声序列激励一个线性滤波器输出的结果。若该线性滤波器是物理可实现的，可以用有限系数来描述则称为有限参数模型，相应的有MA模型、AR模型和AIiMA模型。每一种模型输入的白噪声都代表模型的随机分量，由于线性滤波器是确定系统，它的系数表示参量不是随机变量，所以看作是一个线性预测器(估计器)，它们之间有着密不可分的内在联系。所谓参数法就是通过信号模型参数或预测误差滤波器参数的估计，实现功率谱估计。

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