發(fā)布時(shí)間：2020-12-10 15:50

　　采用光聲光譜法對(duì)變壓器油中溶解氣體的濃度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)時(shí),低濃度氣體激發(fā)的弱光聲信號(hào)中夾雜有強(qiáng)噪聲,傳統(tǒng)的單一數(shù)字鎖相放大器難以將其高效濾出,導(dǎo)致該方法對(duì)低濃度氣體的檢測(cè)精度低、穩(wěn)定性差。為了進(jìn)一步的降低噪聲干擾、提高對(duì)低濃度氣體的監(jiān)測(cè)精度,提出卡爾曼濾波結(jié)合數(shù)字鎖相放大器的光聲信號(hào)降噪方法,在鎖相放大環(huán)節(jié)中加入卡爾曼濾波器,利用卡爾曼濾波的降噪作用,使疊加在鎖定頻率信號(hào)中的噪聲進(jìn)一步減小,從而提高對(duì)低濃度氣體的監(jiān)測(cè)精度。在Matlab/Simulink中進(jìn)行仿真,結(jié)果表明在信噪比相同情況下所提方法輸出信號(hào)波形的波動(dòng)率比傳統(tǒng)方法減小了53.51%;通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明在測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)濃度為5 ppm的C₂H₂氣體時(shí),所提方法的測(cè)量精度較傳統(tǒng)方法提高了11.6%;仿真和實(shí)驗(yàn)皆驗(yàn)證了所提方法的合理性與有效性。 

【文章來源】：儀表技術(shù)與傳感器. 2020年10期 第98-102頁 北大核心

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

鎖相放大器結(jié)構(gòu)圖

為了減小所采集電壓有效值的波動(dòng),在低通濾波器后加入卡爾曼濾波器進(jìn)行二級(jí)降噪,卡爾曼濾波與鎖相放大器結(jié)合降噪結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。當(dāng)信噪比低于可識(shí)別的下限時(shí),由式(3)得相敏檢測(cè)器輸出值為 1 2 [X+W(t)] cos φ,W(t) 為提取信號(hào)頻率后疊加在幅值中的噪聲,W(t)=n(t)且W(t)>X,經(jīng)低通濾波器輸出的有效值為 1 2 2 [X+ W ′ (t)], W ′ (t)< W(t) 。將該輸出值送入卡爾曼濾波器進(jìn)一步處理,其狀態(tài)方程和觀測(cè)方程如式(11)、式(12)所示:

仿真后的實(shí)際輸出信號(hào)與原始光聲信號(hào)對(duì)比如圖3所示,可以看出在該條件下,光聲信號(hào)完全湮沒在噪聲中,其噪聲強(qiáng)度達(dá)到光聲信號(hào)強(qiáng)度的10倍,若不能高效提取真實(shí)信號(hào)將導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果嚴(yán)重失真。傳統(tǒng)鎖相放大器進(jìn)行信號(hào)提取時(shí)其仿真結(jié)果如圖4所示,經(jīng)過2 s后其頻率與相位鎖定,且與實(shí)際信號(hào)頻率一致,但是其信號(hào)幅值的波動(dòng)很大,其峰值為真實(shí)信號(hào)峰值的2.41倍,谷值信號(hào)僅為真實(shí)信號(hào)的0.56倍,這是由于該信號(hào)的信噪比已經(jīng)低于鎖相放大器可以識(shí)別的下限,單一鎖相放大器提取的信號(hào)中仍疊加有較強(qiáng)的噪聲而導(dǎo)致波形失真,若用該輸出信號(hào)計(jì)算氣體濃度會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重誤差。

【參考文獻(xiàn)】：
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