上游充通大粤 SHANGHAI JIAO 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 10010010 10010100m 10 1001010 0101 C.3 SHANG ERSITY
«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
上游充通大粤 SHANGHAI JIAO 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 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
上游充通大粤 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 实验内容 2.信号处理 )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？
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 JIAO 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 X= X i X:=S+n N i=1 S,为采样值中的信号，n为随机误差。 N i=1 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 ii S n 1 11 1 11 ( ) N NN ii i i i ii X sn s n N NN 1 1 N i i X S N
上游充通大粤 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 常用的数字滤波算法 2. 滑动平均滤波法 W-1 i=0 灭n 为第n次采样经滤波后的输出； X,m-: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
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 ni 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 Xn i N
上游充通大粤 SHANGHAI JIAO 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.-Ncx N-I i=0 C+C1+…+CN-1=1 C。>C1>…>CN-1>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 ni i X C X N 01 1 1 CC C N 01 1 0 CC C N 常用的数字滤波算法
上游充通大粤 SHANGHAI JIAO 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
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。 4. 中值滤波法 常用的数字滤波算法
上游充通大粤 SHANGHAI JIAO 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n=2k+1,离散时间信号x)的长度 为N,(=1,2,,N;>n),则当窗口在信号序列上滑动时， 一维中值滤波器的输出： med[x(i)]=x(k) 表示窗口2+1内排序的第个值，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 JIAO 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
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。 5 复合滤波法 常用的数字滤波算法
上游充通大粤 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 常用的数字滤波算法 采样第一个值1： 5 复合滤波法 MAX-MIN-SUI-X1,N-L 采样红 去极值平均滤波法 SUI-SUM+Xi Xi MAX? 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=0? 立 SUM-SUM-MAX SUM-SUM-MIN 王 =SL重It-2 支 返回 去极值平均滤波程序流程
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