基于小波变换的超声波液压测量系统

　　0 引言

　　压力是液压系统监测和故障诊断的最重要的参数之一,由于缺少检测接口,目前广泛采用的介入式测量方法在实际应用中受到很大限制。超声波液压测量 系统是以超声波作为检测介质,依据压力变化引起油液声速变化的物理特性,通过测量超声波在油液中的传播时间来确定传播速度、进而测得压力的,具有不破坏流 体流场、动态响应快、安装方便等优点。所谓传播时间是指从超声波发出到回波到达这一段时间间隔,可见超声波回波到达时刻(即波至点)的准确定位对系统测量 精度是至关重要的。

　　在利用超声检测系统进行液压管道压力测量时,检测系统内部和外界环境存在很多干扰噪声,这些噪声会对超声波波形以及波至点的位置产生影响,加上传统的检测方法的局限性,使系统的检测精度受到影响。本文研究了通过小波变换的方法来消除噪声,提高系统的测量精度。

　　1 超声测压信号波至点检测

　　本系统测量超声波传播时间所用的方法为阈值法,即设置一个合适的电位(称为阈值),当接收到的超声波回波幅度超过该阈值时就认为回波到达,相应 的时间点就是回波到达的时刻,如图1中A点所示,此时所取阈值为4.4。从图中可以看出,利用阈值法得到的超声波波至点并非准确,存在一定的误差,超声波 的实际波至点为图1中的B点。为了提高测量精度,所选用的阈值常数应该尽量的小。而实际系统中超声波回波信号是从检测现场直接得到的,不可避免地受到噪声 的干扰,由噪声引起的回波信号幅值的变化有可能超过所设定的阈值常数,这样检测到的回波波至点的误差会变得很大,如图2a所示。在这种情况下,要高精度地 检测超声波波至点,必须对超声波信号进行消噪处理。

　　2 超声测压信号中的噪声处理

　　小波变换突破了Fourier变换在时域中没有任何分辨力的限制,具有多分辨率分析的特点,而且在时频两域都具有表征信号局部特征的能力,很适 合于探测正常信号中带有的瞬间反常现象。当利用阈值法检测超声波波至点时,为提高测量精度,可利用离散小波变换对其进行噪声处理。

　　为了得到小波变换的离散形式,需要将连续小波变换的尺度参数a和位移参数离散化。通常的做法是取。由此离散化后的小波函数为:

　　以上述小波函数为“基”作的小波变换就是离散小波变换:

　　一般地,一维信号的离散小波消噪过程可分为如下3个步骤:(1)一维信号的小波分解。选择一个小波并确定分解的层次,进行分解计算;(2)小波 分解高频系数的阈值量化。对各个分解尺度下的高频系数设定阈值,进行软阈值量化处理;(3)一维小波重构。根据小波分解的最底层低频系数和各层高频系数进 行一维小波重构。超声波信号经过离散小波变换,可以消掉噪声所产生的高频量,同时保留那些反映信号突变部分的高频量,如图2b所示。与原含噪信号相比,经 过小波变换,噪声的影响已经很小,由噪声引起的回波信号幅值变化被限制在0.5以下,此时再利用阈值法进行回波检测,系统的测量精度会大大提高。在这里, 信号小波分解的层数可以根据处理效果进行调整,如果分解层数太少,就不能很好地把噪声信号分离出去;如果分解层数过大,则有可能把过多的有用信号消除。