基于MTM算法的高精度静态测量仪开发.pdf

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1、技术交流基于MTM算法的高精度静态测量仪开发(中船重工集团公司第711研究所，上海20090)●高丹，许雪丹摘要：通过分析高精度应变检测的技术难点，设计了高性能手持式静态测量仪的电子电路，开发了基于MTM原理的滤波算法，实现了对静态应变的精确检测，检测精度达至U-?o．051．m，满足工程实践高精度检测需求，具有重要的实际应用意义。关键词：MTM滤波器，高精度检测，静态应变应力应变测量在机械、建筑和土木工程等领域有着广泛的应用。在检测过程中，敏感元件将应力、位移、扭矩等待测物理量转换成应变，然后通过静态应力应变测量仪实现对应变的准确测量。由于应变信号大都属于微弱信号，在测量过程中，

2、其又容易受环境因素干扰，所以往往难以实现对应变的准确测量，限制了仪器的测作者简介：高丹(1983-)，女，二∞机电设备2012／02量精度。目前市场上的静态应变仪一般测量精度为1“￡(微应变，相当于百万分之一)，大型高精度测量仪器最高可以达到0．1u￡(千万分之一)水平。应力应变难以准确测量主要有两个因素：一是检测电路元件的稳定性干扰，特别是电源输出随温度变化的波动性等。二是环境背景噪声干扰，主要包含零均值的高觏噫声殛脒滞泖擞噪意矿对季篡爿豢獭整性碧魏科，主要从事工业自动化项目管理、自动化硬件测试及检测工作。因素，可以通过高性能器件选型，以及设计反馈电路，抑制电子电路的稳定性干扰。

3、而对于第二类环境背景噪声，一般无法抑制，只能通过后期的滤波算法进行修正，在处理零均值的高斯噪声时，线性方法的均值滤波是非常有效的方法，但其无法滤除脉冲冲激噪声，而非线性的中值滤波算法可以有效地滤除脉冲冲激噪声”’3l，由于均值滤波算法与中值滤波算法在滤除高斯噪声与脉冲冲激噪声方面各有所长，因此Lee和Kassam将这两种方法结合起来．提出了一种改进的均值滤波算法(MTM)，实现同时滤除高斯噪声和冲激噪声。通过高性能电子电路设计，开发了基于MTM滤波算法的高精度静态应力应变测量仪，满足工程实践对应变测量精度的更高要求。1方案设计本文的设计目标是开发手持式高精度静态测量仪，测量精度可以

4、达No．05u￡以上。为实现该检测目标，仪器的电子电路设计非常重要，需要有高精度的AD检测芯片，以及高稳定性的稳压电源及供桥桥压等。在电源设计方案中，仪器采用常规4节5号电池供电，通过LDO极低压降稳压器SPX3819芯片提供5V的供电电压，SPX5205芯片提供精准的2V的供桥桥压，以MAXIM公司的MAX6033低温漂、低噪声、低功耗的稳压电源芯片提供AD采样芯片的精准基准电压。电源方案的设计电路图如图1所示。手持式高精度测量仪采用24位AD采样芯片CS5532实现高精度采样，并采用兀型硬件滤波电路滤除高频干扰信号，采样方案的设计电路图如图2所示。图2CS5532信号采样原理图

5、仪器具有数据存储功能，拥有一片4M的DataFlash芯片，存储数据共有8192个片存储空间(BLOCK)，每个片存储空间大小为528字节，每一片存储空间的前4个字节为时间信息，后524字节为数据存储区，可以存储131个采样数据。FLASH共可以存储100万条以上数据。FLASH数据采用循环更替原则，总是以最新的数据覆盖最老的数据，存储方式示意图如图3所示。仪器式的选择图4所示。⋯1j'^，HJ●，qw、莫块，可实现采样通道及采样模当前的采样值，仪器开发完成如2012／02机电设备671∞‰谁蚧嗡瓣技术交流羽4仪器开发完成实物图2滤波算法静态应变仪的采样频率需求较低，一般2Hz频率

6、实时显示与存储已能满足工程检测的需求，手持式高精度测量仪采用过采样频率7．5Hz对待测信号进行检测，以MTM中值均值滤波算法进行计算。在处理第i个像素点时，首先选取滤波窗口内的灰度中值mi。以mi为中心，选取一个灰度区间[mi-6，mi+61，将滤波窗口内所有落在选定灰度区间内的点做平均，并将结果作为最终的滤波输出。MTM的数学表示为：outi=average{(xi)Imi-6_

7、，对高斯噪声也有一定的抑制作用。MTM滤波器算法的关键，是如何选取w窗口大小，以及确定6的范围。如果W窗口越大，则滤波输出更为平滑，但噪声扩散范围更广，并且检测实时性越差。静态测量仪对实时性要求不高，一般可以静息2秒以后再读数，在本文中，由于AD芯片采样频率为7．5Hz，所以将W窗口设置为15个数据量；而由于缺乏6取值的依据，本文采用改进的数组中值滤波算法，取代[mi-6，mi+6】区间的选值，即在W窗口区域内，将过滤20％的最大值与21．1％阴最小但，剩朱明00％阴