上浒充通大学 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 《材料制造数字化技术基础实验》 Foundation of Digital Technology for Material Processing 实验四 信号采集与处理 漏 00101010mm 0010019 10010101 010
实验四、 信号采集与处理
上游充通大学 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 实验内容 1.信号采集 ●用不同的控制电压加热，尝试得到控制电压与温度上 升速率之间的定量关系 ●请确定如果要温度上升速率为50℃min,控制电压多 少合适？ ●尝试手动调整控制电压，保持加热炉温度300℃不变 ,并总结如何才能有效的保持设定的温度值不变
实验内容 1. 信号采集 l 用不同的控制电压加热，尝试得到控制电压与温度上 升速率之间的定量关系 l 请确定如果要温度上升速率为50℃/min，控制电压多 少合适？ l 尝试手动调整控制电压，保持加热炉温度300℃不变 ，并总结如何才能有效的保持设定的温度值不变
上游充通大学 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 实验内容 2.信号处理 a)理解均值滤波、中值滤波、滑动平均滤波的基本原理 b) 实时采集炉温，比较均值滤波，中值滤波、滑动平均 滤波的滤波效果 1 注意：请保证在统一的控制电压和采集频率下， 比较那种滤波效果最好 2 改变窗口大小，确定最佳的滤波窗口 根据前面的实验，总结热处理温度信号变化频率的大 致范围，根据信号的特点，信号采集频率应该为多少 ,以及采用哪种滤波方法效果最好，窗口多少合适， 为什么？
实验内容 2. 信号处理 a) 理解均值滤波、中值滤波、滑动平均滤波的基本原理 b) 实时采集炉温，比较均值滤波，中值滤波、滑动平均 滤波的滤波效果 ① 注意：请保证在统一的控制电压和采集频率下， 比较那种滤波效果最好 ② 改变窗口大小，确定最佳的滤波窗口 c) 根据前面的实验，总结热处理温度信号变化频率的大 致范围，根据信号的特点，信号采集频率应该为多少 ，以及采用哪种滤波方法效果最好，窗口多少合适， 为什么？
上游充通大粤 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 常用的数字滤波算法 1.算术平均滤波 N个连续采样值（分别为X,至X)相加，然后取其算术平均值 作为本次测量的滤波器输出值。即 灭=- N Xi=Si+n i=1 S,为采样值中的信号，n,为随机误差。 X=之心+w)2+24-水25 滤波效果主要取决于采样次数W,W越大，滤波效果越好， 但系统的灵敏度要下降。因此这种方法只适用于慢变信号
N个连续采样值(分别为X1至XN )相加，然后取其算术平均值 作为本次测量的滤波器输出值。即 滤波效果主要取决于采样次数N，N越大，滤波效果越好， 但系统的灵敏度要下降。因此这种方法只适用于慢变信号。 1. 算术平均滤波 常用的数字滤波算法 1 1 N i i X X N Si为采样值中的信号, ni 为随机误差。 Xi Si ni 1 1 1 1 1 1 ( ) N N N i i i i i i i X s n s n N N N 1 1 N i i X S N
上浒充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 常用的数字滤波算法 2. 滑动平均滤波法 N-I n-i i=0 灭n 为第n次采样经滤波后的输出； X,,为未经滤波的第n-i次采样值； N为滑动平均项数。 平滑度高，灵敏度低；但对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用 差。实际应用时，通过观察不同值下滑动平均的输出响应来 选取N值以便少占用计算机时间，又能达到最好的滤波效果
平滑度高，灵敏度低；但对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用 差。实际应用时，通过观察不同N值下滑动平均的输出响应来 选取N值以便少占用计算机时间，又能达到最好的滤波效果。 1 0 1 N n n i i X X N 2. 滑动平均滤波法 常用的数字滤波算法 为第n次采样经滤波后的输出； 为未经滤波的第n－i次采样值； 为滑动平均项数。 X n X ni N
上浒充通大学 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 常用的数字滤波算法 3. 加权滑动平均滤波法 增加新的采样数据在滑动平均中的比重，以提高系统对 当前采样值的灵敏度，即对不同时刻的数据加以不同的权。 通常越接近现时刻的数据，权取得越大。 X.-NC X. W-1 i=0 C+C1+…+CN1=1 C0>C1>…>CN->0
增加新的采样数据在滑动平均中的比重，以提高系统对 当前采样值的灵敏度，即对不同时刻的数据加以不同的权。 通常越接近现时刻的数据，权取得越大。 3. 加权滑动平均滤波法 1 0 1 N n i n i i X C X N 0 1 1 1 C C C N 0 1 1 0 C C C N 常用的数字滤波算法
上游充通大学 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 常用的数字滤波算法 4. 中值滤波法 中值滤波是一种典型的非线性滤波器，它运算简单，在滤 除脉冲噪声的同时可以很好地保护信号的细节信息。 >对某一被测参数连续采样n次（一般n应为奇数），然后将 这些采样值进行排序，选取中间值为本次采样值。 >对温度、液位等缓慢变化（呈现单调变化）的被测参数， 采用中值滤波法一般能收到良好的滤波效果
Ø 中值滤波是一种典型的非线性滤波器，它运算简单，在滤 除脉冲噪声的同时可以很好地保护信号的细节信息。 Ø 对某一被测参数连续采样n次（一般n应为奇数），然后将 这些采样值进行排序，选取中间值为本次采样值。 Ø 对温度、液位等缓慢变化（呈现单调变化）的被测参数， 采用中值滤波法一般能收到良好的滤波效果。 4. 中值滤波法 常用的数字滤波算法
上浒充通大学 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 常用的数字滤波算法 4.中值滤波法 国 设滤波器窗口的宽度为=2k+1,离散时间信号x)的长度 为N,(i=1,2,.,N;>>),则当窗口在信号序列上滑动时， 维中值滤波器的输出： med[x(i)]x(k) 表示窗口2k+1内排序的第k个值，即排序后的中间值。 原始信号 中值滤波后的信号 对不同宽度脉冲滤波效果
原始信号 中值滤波后的信号 对不同宽度脉冲滤波效果 4．中值滤波法 常用的数字滤波算法
上游充通大粤 SHANGHAI JLAO TONG UNIVERSITY 常用的数字滤波算法 5复合滤波法 > 在实际应用中，有时既要消除大幅度的脉冲干扰，有 要做数据平滑。因此常把前面介绍的两种以上的方法 结合起来使用，形成复合滤波。 >去极值平均滤波算法：先用中值滤波算法滤除采样值 中的脉冲性干扰，然后把剩余的各采样值进行平均滤 波。连续采样N次，剔除其最大值和最小值，再求余 下N-2个采样的平均值。显然，这种方法既能抑制随 机干扰，又能滤除明显的脉冲干扰
Ø 在实际应用中，有时既要消除大幅度的脉冲干扰，有 要做数据平滑。因此常把前面介绍的两种以上的方法 结合起来使用，形成复合滤波。 Ø 去极值平均滤波算法：先用中值滤波算法滤除采样值 中的脉冲性干扰，然后把剩余的各采样值进行平均滤 波。连续采样N次，剔除其最大值和最小值，再求余 下N－2个采样的平均值。显然，这种方法既能抑制随 机干扰，又能滤除明显的脉冲干扰。 5 复合滤波法 常用的数字滤波算法
上浒充通大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 常用的数字滤波算法 采样第一个值X1； 5复合滤波法 MAX-MIN-SUMX1,N-L 采样红 去极值平均滤波法 SUIV-SUIXi XiMAX? N 为使计算更方便，N一2 Xi<MIN? MAX=Xi 应为2,4,8,16，… N MIN-Xi N=N-1 支 常取N为4,6,8,10，… N-n? 文 SUI-SUM-MAX SUM-SUM-MIIN 女 A-SUM/L--2 上 返回 去极值平均波程序流程
为使计算更方便, N－2 应为2, 4, 8, 16, …. 常取N为4, 6, 8, 10, …. 5 复合滤波法 去极值平均滤波法 常用的数字滤波算法