本發(fā)明涉及直流電壓信號處理，具體為一種全橋應(yīng)變測量的直流電壓信號處理方法及相關(guān)設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、對于機械設(shè)備而言，零件強度滿足要求是機械設(shè)備安全、正常運行的必要保障，因此，為確保機械設(shè)備的關(guān)鍵零件在設(shè)計、制造等流程的可靠性，通常會對零件進行應(yīng)變測試和強度校驗。傳統(tǒng)的應(yīng)變測量方法的數(shù)據(jù)采樣頻率較低，通常為離散的應(yīng)變輸出信號，難以精確表示應(yīng)變輸出信號隨負載或時間的連續(xù)的變化情況。此外，受到外部干擾等多種因素的影響，從應(yīng)變傳感器采集到的輸出數(shù)據(jù)往往不可避免地帶有噪聲成分，這會導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析結(jié)果產(chǎn)生偏差，嚴重時甚至會帶來重大安全風險。因此在分析之前需采用合適的方法對信號進行降噪處理。

2、現(xiàn)有的對應(yīng)變信號的處理和分析方法：最常用的降噪方法是基于傅里葉變換的低通濾波方法。該方法利用傅里葉變換將原始信號從時域轉(zhuǎn)換到頻域進行分析，然后通過設(shè)置截止頻率使超過該頻率的高頻信號被阻隔、減弱，低頻信號被保留從而達到濾波作用。此外，還有一些基于信號分解與重構(gòu)的降噪方法：如小波降噪、emd降噪等。李萌等人針對采集到的路面層間應(yīng)變信號進行濾波處理，首先利用基于傅里葉變換的低通濾波方法進行處理，然后選用小波濾波方法對路面層間應(yīng)變信號進行分解，保留信號中低頻有效成分、削弱高頻噪聲成分后將信號重構(gòu)，有效提高信號的信噪比。(李萌,紀少波,王豪,等.路面層間應(yīng)變信號的預(yù)處理方法[j].山東大學學報(工學版),2019,49(3):73-79.)；楊敏等人提出了一種基于改進eemd的鋼結(jié)構(gòu)動態(tài)應(yīng)變信號處理方法，該方法首先向原始信號中多次加入隨機生成的高斯白噪聲得到噪聲協(xié)助信號；將每次得到的噪聲協(xié)助信號進行emd分解；將每次分解得到的各階imf分量和殘余量分別取平均；將得到的各階imf分量的平均值以及殘余量的平均值進行信號重構(gòu)，最終得到去噪后的鋼結(jié)構(gòu)動態(tài)應(yīng)變信號。(南京大學.基于改進eemd的鋼結(jié)構(gòu)動態(tài)應(yīng)變信號處理方法:cn201810351509.9[p].2018-09-21.)。

3、盡管上述方法能夠?qū)?yīng)變信號進行降噪處理，但是由于應(yīng)變輸出電壓信號屬于直流電壓信號，從頻域上看，其頻譜組成應(yīng)當主要為零頻率成分，即理想的應(yīng)變輸出信號的頻譜圖通常表現(xiàn)為一個位于零頻率位置的尖峰，而其他頻率處的幅度會隨著頻率增加而迅速衰減。因此，由于濾波器構(gòu)造原理與自身性能的限制，基于傅里葉變換的低通濾波方法只能濾除一定程度的噪聲，不能達到理想的降噪效果，難以獲得精確的輸出電壓信號。而基于信號分解與重構(gòu)的降噪方法會將采集到的原始信號進行了多次分解，分解后的分量僅能代表信號的部分信息，不能保證重構(gòu)信號中的信息完整性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種全橋應(yīng)變測量的直流電壓信號處理方法及相關(guān)設(shè)備，以解決現(xiàn)有技術(shù)中全橋應(yīng)變測量的輸出電壓信號處理的技術(shù)問題。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種全橋應(yīng)變測量的直流電壓信號處理方法，包括

4、采集全橋應(yīng)變測量系統(tǒng)輸出的電壓信號數(shù)據(jù)；

5、對所采集的電壓信號數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；

6、對預(yù)處理后的電壓信號數(shù)據(jù)進行自適應(yīng)波動趨勢壓縮；

7、對自適應(yīng)波動趨勢壓縮后的電壓信號數(shù)據(jù)進行自適應(yīng)平滑樣條擬合，獲得準確的連續(xù)的直流電壓輸出信號。

8、優(yōu)選的，對所采集的電壓信號數(shù)據(jù)進行預(yù)處理中包括如下過程：

9、對電壓信號數(shù)據(jù)進行低通濾波，去除信號中的高頻噪聲，然后對電壓信號數(shù)據(jù)進行截取，去掉電壓信號數(shù)據(jù)開始階段的異常部分，得到預(yù)處理后的電壓信號數(shù)據(jù)。

10、優(yōu)選的，自適應(yīng)波動趨勢壓縮的具體過程如下：

11、根據(jù)預(yù)處理后的信號點數(shù)以及采樣頻率fs設(shè)置最小滑窗寬度wmin，最小滑窗寬度wmin通常與信號點數(shù)和采樣頻率呈整數(shù)倍關(guān)系，然后根據(jù)最小滑窗寬度wmin將預(yù)處理后的電壓信號數(shù)據(jù)進行劃分；

12、計算每個最小滑窗內(nèi)的數(shù)據(jù)特征量，對最小滑窗特征數(shù)據(jù)進行加權(quán)融合；

13、計算得到每個最小滑窗的融合特征值后，通過計算相鄰最小滑窗的融合特征值變化率η；當相鄰滑窗的融合特征值變化率η小于判別閾值系數(shù)λ時，將滑窗合并，反之不合并；

14、完成所有信號的滑窗自適應(yīng)合并連接后，針對不同滑窗分別進行波動趨勢壓縮，對數(shù)據(jù)進行波動較大的離群點進行修正處理去波動趨勢。

15、進一步的，進行波動趨勢壓縮時，利用滑窗內(nèi)數(shù)據(jù)的平均值和標準差進行判別，當數(shù)據(jù)與平均值的距離大于一個標準差時，認為該數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)，并將其重新賦值為平均值，否則保持原數(shù)值。

16、優(yōu)選的，在進行自適應(yīng)平滑樣條擬合時，利用最小二乘求解擬合函數(shù)，對擬合的估計函數(shù)添加一個懲罰因子λ，并通過求解懲罰因子的極小值來確定估計函數(shù)。

17、進一步的，自適應(yīng)平滑樣條擬合計算公式如下：

18、

19、其中，f為擬合模型函數(shù)，λ為平滑參數(shù)。

20、第二方面，本發(fā)明還提供了一種全橋應(yīng)變測量的直流電壓信號處理系統(tǒng)，包括

21、數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集全橋應(yīng)變測量系統(tǒng)輸出的電壓信號數(shù)據(jù)；

22、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊，用于對所采集的電壓信號數(shù)據(jù)進行預(yù)處理；

23、波動趨勢壓縮模塊，用于對預(yù)處理后的電壓信號數(shù)據(jù)進行自適應(yīng)波動趨勢壓縮；

24、平滑樣條擬合模塊，用于對自適應(yīng)波動趨勢壓縮后的電壓信號數(shù)據(jù)進行自適應(yīng)平滑樣條擬合，獲得準確的連續(xù)的直流電壓輸出信號。

25、第三方面，本發(fā)明還提供了一種移動終端，包括存儲器、處理器以及存儲在所述存儲器中并可在所述處理器上運行的計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機程序時實現(xiàn)如上述所述全橋應(yīng)變測量的直流電壓信號處理方法的步驟。

26、第四方面，本發(fā)明還提供了一種計算機可讀存儲介質(zhì)，所述計算機可讀存儲介質(zhì)存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如上述所述全橋應(yīng)變測量的直流電壓信號處理方法的步驟。

27、第五方面，本發(fā)明還提供了一種計算機程序產(chǎn)品，包括計算機指令，所述計算機指令指示計算設(shè)備執(zhí)行如上述所述的全橋應(yīng)變測量的直流電壓信號處理方法對應(yīng)的操作。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

29、本發(fā)明提供了一種全橋應(yīng)變測量的直流電壓信號處理方法及相關(guān)設(shè)備，用于對應(yīng)變測量的直流電壓信號進行降噪以及數(shù)據(jù)擬合處理。首先，在全橋測量系統(tǒng)輸出端布置數(shù)據(jù)采集器和計算機，采集全橋應(yīng)變測量系統(tǒng)中的輸出信號；其次，對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括對數(shù)據(jù)進行低通濾波，去除信號中的高頻噪聲，然后對數(shù)據(jù)進行適當截??；接著，對電壓信號進行自適應(yīng)波動趨勢壓縮，進一步去除信號中的交流成分，強化信號中的直流分量的變化趨勢；最后，對輸出電壓信號進行自適應(yīng)平滑樣條擬合，獲得準確的連續(xù)的直流電壓輸出信號，提高了直流電壓輸出信號的準確性。

30、進一步的，本發(fā)明針對零件進行的應(yīng)變測試和強度校驗，可以明確地計算出零件的強度和承載極限，保證零件在設(shè)計和加工過程的合格性和可靠性，這對于保證零件設(shè)計和制造符合質(zhì)量要求是不可缺少的測試流程，尤其是在載荷較大、工況復(fù)雜的機械設(shè)備生產(chǎn)制造中；通過對零件的應(yīng)變測試和強度校驗，可以防止因加工材料質(zhì)量不合格、結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理或工藝流程不規(guī)范等原因?qū)е碌牧慵|(zhì)量不合格，確保零件的設(shè)計、生產(chǎn)質(zhì)量，從而保證機械設(shè)備運行過程的安全性，此外，準確的應(yīng)變測量系統(tǒng)能夠在零件承載達到極限前提前預(yù)警，進而避免嚴重事故的發(fā)生，這對于零件的健康狀況監(jiān)測和安全維護具有重要意義。

31、進一步的，本發(fā)明中，通過使用收集到的電橋應(yīng)變測量過程的輸出電壓信號，依據(jù)直流電壓信號的頻率特性進行低通濾波，去除噪聲干擾，然后利用幅值特性壓縮信號波動趨勢，最后借助平滑樣條擬合實現(xiàn)準確的電橋應(yīng)變測量系統(tǒng)的直流電壓輸出，并通過實際測量中的數(shù)據(jù)驗證了本發(fā)明的可行性。

32、進一步的，本技術(shù)通過對電壓信號數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、自適應(yīng)波動趨勢壓縮以及自適應(yīng)平滑樣條擬合獲得更加豐富準確的數(shù)據(jù)，并且在數(shù)據(jù)處理過程中未損失有效信號，并獲得了連續(xù)的隨時間或負載變化的應(yīng)變輸出電壓信號，而非傳統(tǒng)的離散輸出信號；并通過自適應(yīng)波動趨勢壓縮算法，可在低通濾波器的基礎(chǔ)上，從信號幅值上進行波動壓縮處理，進一步壓縮信號中交流成分的幅值，降低噪聲干擾，強化直流分量，并獲得更準確的輸出電壓擬合信號。