十二五期间一体化涡街流量计产业将充满机遇、挑战和活力。我国一体化涡街流量计生产企业，部分骨干企业采用了压力机，并相应配以操作机械手和多工位热成形压力机外，使产业，寿命，锻件质量稳定性均受影响。因而一体化涡街流量计产业也面临一个国内由于仪器产业的发展，国际上采购的良好发展机遇。一体化涡街流量计产业存在行业概念不清，学术概念与行业概念相混淆的现象。随着仪器仪表相关产业的发展，仪器仪表的产业内行业概念越来越清晰，这是一体化涡街流量计产业发展的一个重要标志。一体化涡街流量计生产企业加大企业的技改，大力采用打击能量逐步向手工操作向自动化操作过渡。不断地加以改造。使我国的一体化涡街流量计产业在已具备相当产能规模的基础上，提升整体竞争能力。十二五期间中我国仪器仪表行业必须注重企业家、技术人员和工人队伍的建设，倡导学习和改造；注重一体化涡街流量计设备的自制能力建设；注重阻止低档次重复建设；注重基础理论技术和实际应用技术的研究和开发。

涡街流量计是目前使用较广的流量计,但采用的却是传统的放大、滤波、整形和计数信号处理方法,较难准确提取含有噪声的流量信号,仪表规定的无法保证,因此,人们提出了用数字信号处理方法来处理涡街流量计。　　近年来,国外提出了基于DSP(数字信号处理器)的流量计二次仪表,重庆大学采用均方自适应谱分析方法建立流量信号的5阶自回归(AR)模型,计算其功率谱[1],从而确定主信号频率。合肥工业大学从20世纪90年代起,分别采用基于FFT (快速傅里叶变换)的周期图法及基于Burg(伯格)算法的熵谱法,处理涡街流量传感器的输出信号[2,3],计算其信号频率,但是没有深入考虑实用中拟解决的关键问题。本课题组采用周期图功率谱分析方法处理涡街传感器信号[4],计算出信号的真实频率,从而得到准确的体积流量。　　理想情况下,涡街流量计的输出信号为正弦信号,实际中会混入噪声,为了准确测得流量,就要从含有噪声的现场信号中准确捕捉代表流量信息的信号频率。小波变换是一种新的信号处理方法,它是在傅里叶变换的基础上发展起来的,既保留傅里叶变换的优点又弥补其不足,对高频信号具有高的时间分辨率,对低频信号具有高的频率分辨率,符合人们对数字信号处理的要求。 　　小波变换实质上是一组带通滤波器,因而可以用于涡街流量计,文章利用离散小波变换和连续小波功率谱方法进行探索和研究。　　1　基于离散小波变换的信号处理方法　　1.1　小波变换　　基本小波函数[5～7]为　　(1)　　其中,s和x是可以变化的参数,变化s和x可以衍生出不同的小波函数,变化s可使函数的波形沿时间轴方向伸展或压缩,变化x可使函数的波形沿时间轴移位。如果W(t)对应的频谱为ψ(ω),则W(t/s)对应的频谱将为ψ(sω)。　　因为　　 (2)　　所以,变化s也同时改变了分析信号的频段。对于这种形式的函数W(t),如果其时窗宽度为Δt,经过变换后其频窗宽度为Δω,那么对于函数W(t/s),如果其时窗宽度为sΔt,经过变换后其谱的频窗宽度将为Δω/s。因此,小波变换对低频信号(此时s相对较大)在频域里有较好的分辨率,而对于高频信号(此时s相对较小)在时域里也有较好的分辨率。　　在信号分析中,有时需要把频率轴划分为邻接的频带(或倍频带),为了计算方便,只考虑“二进划分”,对于常用的数字信号分析,主要用小波离散变换。二进离散的好处是易于提出快速算法及生成函数族,适合于数字信号和计算机运算。　　1.2　Mallat算法　　Mallat算法是基于多分辨率分析框架的一种算法,利用从小波正交性导出的各系数矩阵的正交关系,从到低级逐级地滤出信号函数f(x)中的各级小波,从而形成一种简练的快速算法。Mallat算法具有方法简便、数据存储量少及计算速度快等优点,是小波分析的主要方法。设离散信号{fk},k=1,2,3,…,在有限尺度上作小波变换为　　(3)　　其中,hn、gn是由小波函数决定的离散滤波器的有限脉冲响应。在小波变换的快速算法中,常采用紧支集的正交小波函数,因此滤波器序列n的取值范围是有限的。　　对基本滤波器函数进行移位和伸缩,可以衍生出一组滤波器,其中每一组滤波器都由一个低通滤波器和一个高通滤波器组成,也就相当于一个带通滤波器。　　在实际变换中,将等时间间隔采集的信号{fk}作为原始序列c0k,根据已知的hn、gn,由(3)式求得c1k,c2k,…,cmk及d1k,d2k,…,dmk。cjk称为变换的逼近信号,相当于一个低通滤波器对f(k)作用的结果。尺度越小,变换包含信号的高频成分越多,尺度越大,变换包含信号的高频成分越少。djk称为变换的细节成分,相当于一组带宽可变的带通滤波器对f(k)的作用结果。利用小波变换的低通和带通滤波特性,可以把原始信号中不同频率的信号成分分离出来,这些带通滤波器的中心频率及带宽与尺度成反比,一个尺度对应一个带通和一个中心频率,而中心频率是由采样频率和小波分解尺度所决定,这种滤波器被称为常数Q滤波,即中心频率与带宽的比喻中心频率的位置无关。假定fs为采样频率,f0为中心频率,ζ为带通宽,J为小波分解尺度,则它们之间的关系为　　由(4)、(5)式可见,带宽随着中心频率的变化而作相应的变化,一旦确定好小波函数的级数,其中心频率是随着采样频率而变化,但在信号处理方法中采样点数是固定不变的,所以通过改变采样频率来控制带通滤波器的中心频率和带宽。　　从(4)式和(5)式还可以看出,中心频率越低则其滤波器带宽越窄,中心频率越高则其滤波器带宽越宽,这正适应信号对采样频率的要求,即在信号低频处需要较低的采样频率,而在信号高频处需要稍高一点的采样频率,表现出小波变换随着信号频率而改变频窗的自适应特性。对含噪声的正弦信号进行小波变换,就是让数据通过一系列的低高通滤波器,经过处理后的数据基本代表在中心频率周围的信号成分,在带通之外的信号成分几乎都被削弱,计算这些数据的周期,即可得到频率测量结果。　　2　基于功率谱分析的信号处理方法　　利用连续小波变换进行功率谱分析是参考功率谱模拟估计方法原理,对于给定信号x(t),其信号的自功率谱密度函数Gx(f)[8～11]为　　其中,x(t,f,Δf)是x(t)从带宽为Δf及中心频率为f的窄带通滤波器通过的部分。　　功率谱密度函数估计为以下几步:　　(1)用带宽为Δf的窄带通滤波器对信号作频率滤波。　　(2)平方经过滤波后信号的瞬时值。　　(3)在采样时间上平均平方瞬时值,得均方输出。　　(4)用带宽Δf除均方输出。　　(5)改用窄带通滤波器的中心频率,重复上述步骤,即可得自功率谱密度函数与频率的关系谱图。　　信号在经过小波变换后,相当于经过了一个传递函数为的滤波器,而时域输出即为小波变换的时域结果WTx(a,t,Tg),其中Tg为采样间隔。　　设N为采样点数,则滤波器的输出瞬时功率为WT2x(a,t,Tg),而即为输出平均功率,每取一个a值(即对应一个频率点,且在一定带宽的情况下)就对应一个平均功率,所以对应这个频率的输出信号功率谱为　　式中　Δf——小波带宽,与1/a成正比对不同的a值,小波滤波器对应的中心频率为ω0/a,求出不同a时(即不同的带通滤波器)所对应的功率值,则此时滤波器的中心频率ω0/a为信号频率f0的2π倍,其　　       3　系统设计　　涡街流量计数字信号处理系统的硬件框图如图1所示,系统由TMS320VC5409处理器、前向输入通道、输出电路、键盘输入电路及保护电路等组成。该系统不仅可以实时处理涡计流量传感器的信号,还有显示、参数设置、掉电保护及通信等功能。TMS320VC5409优点为:①体积小,CPU资源丰富,使用方便。②运算速度快,片内部有倍频电路,外接晶振频率低,工作可靠。③内部数据和程序存储器及I/O容量大。④指令集灵活,编程方便。⑤低功耗。　　4　两种方法的仿真结果　　以y(t)=10 sin(2πf0t+φ0)+4 sin(2πf1t+φ1)+d为仿真信号,用离散小波变换的Mallat算法进行4级小波分解,进行频率检测。其中,f0为实际信号频率,f1为谐波干扰频率,φ0和φ1是相应的初始相位,φ0=φ1= 0.2π,d是在- 0.5～0.5之间随机抽取的数据,均值为0。仿真结果见表1所列。　　　对同样的信号用小波功率谱方法进行仿真,其结果如图2所示。图2a中对应的f0为0.6 Hz,f1为1.0 Hz;图2b中对应的f0为70 Hz,f1为45 Hz。　   图2中横坐标i对应不同的a值。图2a中i= 49时功率出现波峰,此时对应是a的初始值,图2b中i=165时功率出现波峰,此时对应频率f0为70.513 7 Hz。　　(1)小波滤波和其它方法的滤波都是尽量使信号成分在滤波器的通带处,而尽可能抑制其它各种干扰,以削弱其对信号测量的影响。在实现方法上,一般的高低通滤波器都是事先确定好滤波器的转折频率,这较难适应不同频率信号的要求,尤其对频率变化范围较大及变化速度较快的信号有更大局限性。小波滤波则对不同的信号频率采用相应的滤波参数,能够方便采样频率实现对宽范围信号频率测量,从而提高整个系统的实时性。　　(2)基于小波变换法的功率谱估计是利用小波变换的带通特性,而连续小波变换实质上是一组带通滤波器,连续小波的时频域窗口中心及宽度均随尺度的变化而伸缩。随着尺度a的变化,对应窗口中心频率ω0/a及窗口宽度Δω/a也相应变化,这种方法对低频信号的分辨作用尤为突出。在实际应用中,可以根据经验和要求,灵活控制尺度a的变换步长,但在一定程度上会牺牲实时性。　　(3)两种小波变换方法对随机噪声和谐波干扰都有一定的抑制能力,不仅可以解决涡街流量计中抗噪声等关键问题,而且可以应用于其它流量计的信号处理,以提高现场测量,增强抗干扰能力。