1 问题的提出
热分析仪在实时数据采集过程中,由于现场的各种复杂情况通常使采集到的数据为噪声所淹盖,在进行基于虚拟仪器的热分析仪的系统设计中,如何将虚拟仪器采集信号中噪声信号滤除,提高测试及图像分析的精度,是热分析仪器性能好坏的关键问题。为了解决采集信号中噪声引起的畸变数据影响,在前期的研究中,我们设计了一种横向对比法,用于现场采集信号中野值的剔除。根据“输入空间的有限变化只能引起输出空间的有限变化”[1]原理,由实际生产经验获得对应输入变量的变化所能引起的输出量的变化范围,确定合适的δxi与δy。若对应的xi都落在δxi内,则认为变量yi不会发生超过δy的变化,若超过了δy,即
大于某一阈值Δ,则认为该数据为野值,要进行剔除。
数据剔除后,如果不进行修补,则会产生对应点数据的缺失,出现显示图形的断裂,影响图形的光洁度,从而也造成分析上的非连续。所以对剔除点进行补点也是非常重要的。
2 数据横向对比法的不足
采用横向对比法进行野值剔除,并用修正值替代失真值的处理分为两个环节:一是用实测两点差值的绝对值作为判断依据,如果差值大于某一阈值,则认为是负荷毛刺,数据错误,剔除,循环查找,直至没有失真点,跳出循环;二是采用最小逼近法解决补点问题,发现失真点后,用剔点前一点所对应的数值作为修正值代替失真点,详见文献[2]。在图1中给出了消除噪声影响的流程图。
经过上述方法的应用,解决了瞬时干扰产生的负载毛刺,整条曲线不会因为漏值而产生曲线断裂,在分析热性能的整体趋势时,该方法有较好的应用效果。但当遇到非瞬时干扰或相邻两次以上瞬时干扰相隔很近的情况时,这种方法将可能引起局部波形的削波甚至波形丢失,产生数据的较大修正误差,图2为采用横向对比法造成波形缺失的示意图。
假设对应x的变化δx引起F(x)变化的阈值为Δ,对图2所示检测信号,当分别在xi,xi+1处叠加有瞬时噪声信号时,用横向比较法对图进行处理:
这样,在AB段曲线之间存在的波形变化被如上的剔除给削掉了,产生了波形的失真。严重时会产生连续几个波峰或波谷被削掉。
3方法改进及对比分析
在精细研究材料受热过程中存在的微幅变化性质时,采用简单的横向比较无法满足分析的要求。为此,我们设计了消除噪声影响的改进方法,图3为这种改进方法的程序框图。当出现一点的测量值超过确定的阈值范围时,先判断当前测点是否为测量末端点,如果是,将前一测点值赋给当前点,如果不是,则进一步,判断对应下一测点对当前点测量值的变化趋势,并在变化趋势方向增加一个确定的阈值后,赋给当前点。
以热分析仪采集信号的温度曲线为例。原始波形如图4所示:横轴代表时间,纵轴代表温度。使用改进前、后的程序对曲线进行野值剔除之后的图形如图5, 6所示。
对比图5与图6,图6改进程序后输出波形的质量较之改进前的波形有了显著的提高。完整保持了数据曲线的特征,曲线的光滑度明显改善,为以后做精细的研究提供了条件。
4结束语
本文主要对比了两种基于虚拟仪器技术对光机电一体化产品热分析仪采集信号中的野值进行处理的方法。经分析和对原始采集数据对比处理证明,经过改进后剔除野值方法,在有效去除干扰的同时,保留了测量曲线中的微幅波动,提高了测量曲线的精度。该方法简单快捷,运行稳定可靠,可以进行热分析中对采集信号的预处理。作为Labview的一个独立模块,用于接口连接,方便其它子程序调用,该方法具有普遍性,有一定的推广意义。
参考文献:
[1]安鸿志,陈敏.非线性时间序列分析[M].上海:上海科学技术出版社, 1994.
[2]张桂凤.热分析仪采集信号中野值的剔除与修正[J].北京机械工业学院学报, 2004, 19(3):37-40.
作者简介:王吉芳(1963- ),女,山东牟平人,北京机械工业学院机械工程系副教授,硕士,主要从事机电产品开发和应用技术研究,设备故障诊断与监测方面的研究。
