強(qiáng)干擾下基于多閾值小波傳感器性能在線(xiàn)測(cè)試裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于傳感器性能測(cè)試領(lǐng)域，尤其涉及一種強(qiáng)干擾環(huán)境下基于多閾值小波的 傳感器性能在線(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和電子設(shè)備的普及應(yīng)用，電子科學(xué)技術(shù)己經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng) 域。電子、電氣設(shè)備己廣泛應(yīng)用于人們的日常生活、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)、資源開(kāi)發(fā)、太空探 索、國(guó)防建設(shè)等等。電子電氣設(shè)備不僅數(shù)量和種類(lèi)在增加，而且還在向著數(shù)字化、高速化和 網(wǎng)絡(luò)化的方向快速發(fā)展。這些電子設(shè)備工作時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生一些有用或者無(wú)用的電磁能量， 這些能量可能會(huì)影響自身或者其他設(shè)備、系統(tǒng)和生物，我們稱(chēng)之為電磁干擾（EMI)。電磁干 擾以?xún)煞N方式存在：輻射型干擾和傳導(dǎo)型干擾。對(duì)于輻射型干擾主要靠屏蔽和接地解決， 對(duì)于傳導(dǎo)型干擾主要采用濾波器來(lái)解決。
[0003] 現(xiàn)在傳感器廣泛應(yīng)用在科學(xué)研究領(lǐng)域和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，只有對(duì)傳感器特性各項(xiàng) 測(cè)試達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，才能保證傳感器的可靠性和準(zhǔn)確性?，F(xiàn)有的大多數(shù)的傳感器指標(biāo)一般都按 照計(jì)量機(jī)構(gòu)出具的校準(zhǔn)書(shū)來(lái)對(duì)其檢定點(diǎn)進(jìn)行系數(shù)的修正。而在實(shí)際環(huán)境中，傳感器在不同 電磁干擾測(cè)試環(huán)境按照校準(zhǔn)書(shū)標(biāo)定有很大誤差。目前針對(duì)傳感器測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)有基于PCI 板卡和LabVIEW以及基于PXI總線(xiàn)和LabVIEW，系統(tǒng)的抗電磁干擾較弱。
[0004] 傳統(tǒng)消噪算法主要有通用閾值方法和Stein無(wú)偏風(fēng)險(xiǎn)閾值，在通用閾值方法中， 用^表示確定的第j層固定閾值，這種閾值的確定方法在個(gè)數(shù)增加時(shí)會(huì)損失更多細(xì)節(jié)小波 系數(shù)。當(dāng)小波分解層數(shù)N趨于m時(shí)，細(xì)節(jié)小波系數(shù)比#大的可能性趨于0。用<表示利用 Stein無(wú)偏風(fēng)險(xiǎn)閾值方法確定的第j層閾值，相對(duì)固定閾值^更有彈性，當(dāng)信號(hào)重構(gòu) 時(shí)，隨著噪聲的增大，這種閾值選取方法可以包括更多細(xì)節(jié)小波系數(shù)，但在信噪比的提高方 面不具優(yōu)勢(shì)。
[0005] 另外，現(xiàn)有的傳感器測(cè)試儀測(cè)試傳感器時(shí)，只能通過(guò)人工接線(xiàn)，一次測(cè)量一臺(tái)傳感 器，測(cè)試完畢之后，拆下接線(xiàn)，換下一臺(tái)傳感器接線(xiàn)測(cè)試，通常一批含有數(shù)個(gè)傳感器的測(cè)量 工作，需要操作人員的數(shù)次重復(fù)性勞動(dòng)，勞動(dòng)效率低下，測(cè)量的數(shù)據(jù)受到人工操作水平的干 擾，極不準(zhǔn)確，而且加大了生產(chǎn)成本。
[0006] 大批量的傳感器測(cè)量完畢后，需要將其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，組成一組做后續(xù)工業(yè) 應(yīng)用，現(xiàn)有技術(shù)中只能通過(guò)人工進(jìn)行，手工記錄的每支產(chǎn)品數(shù)據(jù)，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且人 工記錄的誤差大，記錄可能出現(xiàn)誤記、漏記等現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，提供一種測(cè)試準(zhǔn)確的強(qiáng)干擾環(huán)境 下基于多閾值小波的傳感器性能在線(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試裝置及方法。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0009] 首先對(duì)傳感器檢測(cè)到的測(cè)試點(diǎn)環(huán)境參數(shù)信號(hào)進(jìn)行濾波和采集；然后通過(guò)模糊多閾 值小波變換對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行降噪處理，先進(jìn)行小波分解求得小波系數(shù)，并求得每個(gè)小 波系數(shù)的隸屬度，舍去隸屬度超出預(yù)設(shè)門(mén)限的小波系數(shù)，并利用隸屬度在門(mén)限內(nèi)的小波系 數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)，得到降噪后的檢測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)降噪后的檢測(cè)數(shù)據(jù)和測(cè)試點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)值 計(jì)算得到傳感器特性指標(biāo)，完成傳感器性能在線(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試。
[0010] 進(jìn)一步地，所述的模糊多閾值小波變換具體處理步驟包括：
[0011] 101、信號(hào)的小波分解：選擇小波基并確定小波分解的層數(shù)N，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行N層 小波分解；
[0012] 102、小波分解后小波系數(shù)的閾值處理：
[0013] 1021、對(duì)第1到第N層的每一層小波系數(shù)，采用隸屬度函數(shù)進(jìn)行閾值量化處理：
[0014]
[0015] 式中是第j層中第k個(gè)小波系數(shù)，m是隸屬度函數(shù)曲線(xiàn)與橫坐標(biāo)軸的交點(diǎn)到原 點(diǎn)的距離；n為隸屬度函數(shù)曲線(xiàn)與直線(xiàn)A(wjik) = 1的交點(diǎn)的橫坐標(biāo)值；
[0016] 1022、取0 <A(Wj,k) < 1作為門(mén)限，將A(Wj,k) = 0和A(Wj,k) = 1對(duì)應(yīng)的小波系數(shù) w.Lk舍去；
[0017] 103、小波重構(gòu)：利用0 <A(wjik) < 1對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)，進(jìn)行信號(hào)的小波重構(gòu)。
[0018] 進(jìn)一步地，當(dāng)小波系數(shù)等于Stein無(wú)偏風(fēng)險(xiǎn)閾值方法確定的第j層閾值時(shí)，將隸 屬度函數(shù)值設(shè)為接近〇，用〇來(lái)表示；當(dāng)小波系數(shù)等于通用閾值方法確定的第j層固定閾 值時(shí)，將隸屬度函數(shù)值設(shè)為接近1，用1-〇來(lái)表示；分別將<、七〇、1_〇代入上式 (A)得：
[0019]
[0020]
[0021]
[0022] 本發(fā)明裝置的技術(shù)方案是：包括依次相連的傳感器測(cè)試環(huán)境調(diào)試裝置、EMI濾波 電路、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示控制模塊，以及用于供電的電源模塊；其中，
[0023] 傳感器測(cè)試環(huán)境調(diào)試裝置用于安裝傳感器，并通過(guò)傳感器對(duì)測(cè)試點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)值 進(jìn)行檢測(cè)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；
[0024]EMI濾波電路用于對(duì)電信號(hào)進(jìn)行濾波，抑制高頻干擾；
[0025] 數(shù)據(jù)采集模塊用于對(duì)經(jīng)過(guò)濾波的電信號(hào)進(jìn)行采集，并傳送給數(shù)據(jù)處理模塊；
[0026] 數(shù)據(jù)處理模塊用于通過(guò)模糊多閾值小波變換對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行降噪處理，先進(jìn) 行小波分解求得小波系數(shù)，并求得每個(gè)小波系數(shù)的隸屬度，舍去隸屬度超出預(yù)設(shè)門(mén)限的小 波系數(shù)，并利用隸屬度在門(mén)限內(nèi)的小波系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)，得到降噪后的檢測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)降 噪后的檢測(cè)數(shù)據(jù)和測(cè)試點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)值計(jì)算得到傳感器特性指標(biāo)；
[0027] 顯示控制模塊用于根據(jù)傳感器特性指標(biāo)繪制其特性曲線(xiàn)并實(shí)現(xiàn)記錄和界面顯示。
[0028] 進(jìn)一步地，所述的傳感器測(cè)試環(huán)境調(diào)試裝置中設(shè)置了若干個(gè)傳感器的采集接口。
[0029] 進(jìn)一步地，所述的傳感器測(cè)試環(huán)境調(diào)試裝置還用于調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)。
[0030] 進(jìn)一步地，所述的數(shù)據(jù)采集模塊包括依次相連的運(yùn)算放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)器，其中，運(yùn)算放大電路與EMI濾波電路相連，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)處理模塊相連。
[0031] 進(jìn)一步地，所述的數(shù)據(jù)處理模塊包括MSP430微處理器，MSP430微處理器通過(guò)RS232接口與顯示控制模塊相交互。
[0032] 進(jìn)一步地，所述的顯示控制模塊包括上位機(jī)和顯示屏，其中上位機(jī)還用于向數(shù)據(jù) 處理模塊發(fā)出調(diào)節(jié)傳感器測(cè)試環(huán)境的指令，數(shù)據(jù)處理模塊通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換模塊與PLC相連， PLC與用于執(zhí)行指令的傳感器測(cè)試環(huán)境調(diào)試裝置相連。
[0033] 進(jìn)一步地，所述的電源模塊分別與數(shù)據(jù)處理模塊和電壓轉(zhuǎn)換模塊相連。
[0034] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：
[0035] 本發(fā)明測(cè)試方法中通過(guò)采集濾波后的信號(hào)，有效抑制交流電網(wǎng)中的高頻分量對(duì)傳 感器測(cè)試數(shù)據(jù)的影響；再通過(guò)模糊多閾值小波變換進(jìn)行降噪處理，其中，對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波 變換后，噪聲的影響表現(xiàn)在小波系數(shù)的各個(gè)尺度上，信號(hào)的主要特征分布在較大的有限個(gè) 小波系數(shù)上，相對(duì)來(lái)說(shuō)，信號(hào)的小波系數(shù)值必然大于能量分散的噪聲的小波系數(shù)值，因而通 過(guò)對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行閾值處理，舍去噪聲小波系數(shù)，可達(dá)到去噪的目的；與傳統(tǒng)消噪的算法相 比，本發(fā)明將濾波和模糊多閾值小波變換相結(jié)合進(jìn)行降噪處理，可以大幅提高信號(hào)的信噪 比，實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明降噪后的信號(hào)輪廓更明顯、清晰并且沒(méi)有損失細(xì)節(jié)信號(hào)，保持了與原 始信號(hào)的逼真度，信號(hào)的信噪比增加明顯，提高了 49. 2%~57. 2%，均方根誤差也有了顯 著下降，降低了 42. 8%~45. 9%，降噪效果明顯；本發(fā)明靈活判定系數(shù)中包含的主要是信 號(hào)成分還是噪聲成分，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)"消噪"和"保留信號(hào)"