一种基于大型机械设备的应变信号采集系统和优化方法

技术领域

本发明属于大型机械设备结构和强度分析技术领域，具体涉及一种基于大型机械设备的应变信号采集系统和优化方法。

背景技术

在导弹、战机、火箭、战车和舰艇等武器装备设计研制过程中必须考虑且要进行测量的一项重要数据参数是结构强度，在结构强度测试过程中，采用的测试方法都需要在武器装备表面和关键部位粘贴应变片式传感器，由于一些武器装备体积较大，一般都需要进行上千个点的应变测试，通过应变信号采集设备来监测结构的应力应变状态及载荷响应，以评估武器装备结构的健康状态，应变的多点位精确测量在机械结构强度测试过程中起着十分关键的作用。

目前实际工业应用中使用的应变信号采集系统能够满足基本的实际应变测试需求，但对测量精度、测量范围和通道数的要求更加苛刻，因此也暴露出较多问题，现有的应变信号采集系统能够支持的采集通道较少、采集精度略低，且通用性较差，大多为某一专项工程设计，且校准过程繁琐复杂，不利于试验测试的顺利开展，使得试验周期和成本增加。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的上述至少一个技术问题，提供了一种基于大型机械设备的应变信号采集系统和优化方法。

本发明采用如下的技术方案实现：一种基于大型机械设备的应变信号采集系统，包括应变信号采集模块、嵌入式控制模块、电源与电压转换模块和上位机；应变信号采集模块包括程控电桥匹配电路、信号调理电路、信号转换电路、电桥激励电路、自校准电路，程控电桥匹配电路包括桥路接口电路、电阻匹配电路，桥路接口电路采用RJ45连接器实现，与应变片式传感器组成惠斯通电桥，桥路接口电路的PIN6和PIN3引脚分别接收正、负应变信号，PIN1和PIN2引脚分别给应变片式传感器提供正、负激励电压，PIN8和PIN7引脚分别反馈远端应变电桥实际正、负激励电压，PIN4和PIN5引脚为标定电阻接口；电阻匹配电路采用匹配电阻和模拟开关实现，用于程控选择全桥、半桥、1/4桥对应的测量方式；电桥激励电路用于产生激励电压并与程控电桥匹配电路的输入连接，惠斯通电桥将应变产生的电阻变化转换为差分电压信号，依次经信号调理电路进行放大滤波、信号转换电路进行模数信号转换，输出至嵌入式控制模块处理分析并将测量结果显示在上位机处，自校准电路用于对测量范围内电压的校准并与信号调理电路的输入连接，电源与电压转换模块为嵌入式控制模块、应变信号采集模块提供电源；应变信号采集模块分为多组应变信号采集单元，每组应变信号采集单元连接有多路应变片式传感器。

优选地，信号调理电路包括信号放大电路、信号滤波电路，信号放大电路由仪表放大器INA818、INA141和模拟开关MAX333、DG469及外围电路构成，仪表放大器INA141通过模拟开关实现的放大倍数10、100的放大倍数，模拟开关MAX333的端口INSW1为高电平时可以选通信号S+、S-通过INA141实现10、100的放大倍数，端口INSW2为高电平时选通信号通过INA818实现1的放大倍数；模拟开关DG469的端口INSW3为高电平时信号从INA818输出，为低电平时信号从INA141输出，输出信号与信号滤波电路连接，信号滤波电路包括RC低通滤波电路和四阶巴特沃斯滤波电路，四阶巴特沃斯低通滤波电路由运算放大器OPA4192和外围电路构成。

优选地，信号转换电路包括信号单端转差分电路、ADC模数转换电路，信号单端转差分电路由全差分放大器THS4521和外围电路构成，将信号滤波电路的双极性单端输出信号转化为单极性全差分信号，同时将放大的信号进行衰减，满足ADC模数转换器的差分输入电压范围，ADC模数转换电路由ADC模数转换器ADS1271和外围电路构成，ADS1271工作在高分辨率模式，采用菊花链功能，将n片ADS1271以菊花链方式连接在一起，即为一组应变信号采集单元，形成n路独立的采集通道，进而实现多通道扩展。

优选地，电桥激励电路包括程控激励基准电路、激励基准放大电路、激励电压驱动电路，程控基准电路由DAC数模转换器DAC8555和外围电路构成，用于产生激励基准电压，激励基准放大电路由精密仪表放大器INA819和外围电路构成，用于将激励基准电压放大到符合上位机软件所设定的激励电压值，激励电压驱动电路由负线性稳压器LT3094、正线性稳压器LT3045和外围电路构成，用于输出较大电流，提高激励电压驱动应变电桥的能力。

优选地，自校准电路由DAC数模转换器DAC8832、运算放大器OPA192、仪表放大器INA819和外围电路构成，用于产生校准电压，DAC数模转换器DAC8832借助运算放大器OPA192可工作在双极性模式，产生±2.5V的校准基础电压，仪表放大器INA819用于将校准基础电压放大至满足所要测量的电压范围-15V～+15V，与信号调理电路相连，完成对测量范围内电压的校准。

优选地，嵌入式控制模块包括FPGA控制模块、嵌入式ARM处理器模块，FPGA控制模块用于实现对应变信号采集模块的模拟控制以及接收ADC模数转换器的数据，同时将接收数据传输到嵌入式ARM处理器完成对采集数据的实时滤波、分析处理、数据校准、上位机通信功能；电源与电压转换模块用于实现220V的AC-DC供电电压转换，为嵌入式控制模块、应变信号采集模块提供直流电源。

本发明化提供了一种基于大型机械设备的应变信号采集优化方法，包括远端补偿方法、电压自校准方法、应变自平衡方法、应变标定方法、可程控数字滤波方法；其中远端补偿方法利用应变信号采集模块的测量电路采集应变电桥两端的实际激励电压，利用测得的实际激励电压和得到的电桥输出电压计算实际的应变值；电压自校准方法利用内置ADC模数转换器提供电压源或者外部使用六位半高精度电源提供的电压源来校准信号调理电路至信号转换电路之间的准确性；应变自平衡方法采用软件补偿方式，完成对初始电桥不平衡的消除；应变自标定方法利用标定电阻完成对应变信号的标定或利用外部标准模拟应变量校准器产生标准应变信号使用软件的方式完成标定；可程控数字滤波方法采用改进的级联型IIR数字滤波器实现，设定阶数N与3db截止频率f，根据阶数N归一化巴特沃斯模拟低通滤波器的传递函数设计数字滤波器，完成数字滤波功能。

优选地，远端补偿方法包括以下步骤：

S1：测量应变信号时，将桥路接口电路的激励反馈端PIN8和PIN7同激励端PIN1和PIN2一起接入应变电桥中；

S2：通过控制模拟开关将激励反馈端PIN8和PIN7接入信号调理电路，采集激励反馈端PIN8和PIN7的实际激励电压，并反馈到电桥激励电路，使得电压激励源输出更大的电压来补偿导线上的压降，保证实际加载在桥路上的激励电压为设定值V

S3：利用应变片式传感器的灵敏系数GF,根据激励电压的设定值V

ε′＝-V

电压自校准方法包括内部自校准和外部自校准，内部自校准利用内置DAC数模转换器DAC8832作为基准电压源，校准时电压源作为信号输入至信号调理电路中，标准校准值V

9.根据权利要求8所述的一种基于大型机械设备的应变信号采集优化方法，其特征在于：应变自平衡方法采用软件补偿方式，利用施加应力后的实际测量值减去未施加应力前的初始值，来计算实际测量的应变值；在完成自平衡后，需要对应变信号进行标定，应变标定方法包括标准校准器标定法和电阻标定法，标准校准器标定法采用0.02％精度的DR-8A标准模拟应变量校准器作为标准应变信号的产生，自平衡完成后，利用10000με为基准进行标定，在校准器输入10000με时采集的实际应变值为ε′,通过δ

10.根据权利要求9所述的一种基于大型机械设备的应变信号采集优化方法，其特征在于：可程控数字滤波方法包括以下步骤：

S1：确定滤波阶数N，滤波类型和截止频率f；

S2：根据阶数N，计算级联阶节中每一节的分母系数b；

S3：根据级联阶节中每一节的分子分母系数，计算模拟滤波器的传递函数H(s)；

S4：根据3db截止频率f

S5：根据模拟滤波器的传递函数和通带截止频率，使用双线性变换完成模拟滤波器到数字滤波器转换，得到数字滤波器系统函数H(z)实现数字滤波功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明可实现应变信号与差分信号的测量，应变信号测量范围为-100000με～+100000με，全桥测量准确度优于0.05％FS，半桥测量准确度优于0.12％FS，差分电压测量范围为-15V～+15V，放大倍数为100时，测量范围为-150mV～+150mV，测量准确度优于±(0.025％RD+20μV)，放大倍数为10时，测量范围为-1.5V～+1.5V，测量准确度优于±(0.025％RD+100μV)，放大倍数为1时，测量范围为-15V～+15V，测量准确度优于±(0.025％RD+600μV)，测量范围广且精度高。

2.本发明采用程控电桥电路结构，该程控电桥的输入接口采用RJ45连接器，成本较低且连接方便可靠，同时所连接的双绞线使信号传输稳定无衰减，保证输入信号的准确度，其次，利用RJ45较为丰富的端口实现激励反馈端的补偿，提高测量精度，同时还作为外部标定电阻的接口，可完成应变信号的标定。

3.本发明采用无外置增益电阻的信号调理电路结构，该信号调理电路放大倍数的实现不依靠增益电阻RG实现，仅靠低导通电阻的模拟开关即可实现1、10、100的放大倍数，能够减少增益电阻RG无对应标称电阻值所造成的增益误差，提高对微弱信号的高精度采集能力。

4.本发明采用菊花链的信号转换电路结构，能够实现对48通道信号的同步采集，同步采样率不低于10KKSa/s，单通道最高采样率为25000KSa/s，有效数据位宽为24位。

5.本发明为保证高精度多通道大量程应变信号采集系统测量的准确性，提出电压校准方法，应变自平衡方法，应变自标定方法，来提高测量应变信号或差分信号的精确度，电压校准方法利用内置ADC模数转换器提供高精度电压源或者外部使用六位半高精度电源提供的高精度电压源来校准信号调理电路至信号转换电路之间的准确性，应变自平衡方法采用软件补偿方式，完成对初始电桥不平衡的消除，应变自标定方法利用标定电阻完成对应变信号的标定或利用外部标准模拟应变量校准器产生标准应变信号使用软件的方式完成标定。

6.本发明提出的可程控数字滤波方法，采用改进的IIR数字滤波器实现，一般的IIR数字滤波器需要先根据通带最大衰减、阻带最小衰减等技术指标计算得到阶数和3dB截止频率，不适合对采集的数据进行滤波，改进的IIR数字滤波器可对阶数、3dB截止频率以及滤波类型进行设定，完成对采集数据的滤波。

7.本发明提出的嵌入式数据存储方法，采用QT开发平台+SQLite数据库的搭配，完成对测试数据的本地存储管理以及同时与上位机建立TCP连接，传输存储数据，在上位机软件中完成对数据的实时显示。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的模块连接示意图；

图2是本发明的外形结构立体示意图；图3是本发明的外形结构的前面板示意图；

图4是本发明的外形结构的后面板示意图；

图5是本发明实施例提出的程控电桥电路结构示意图；

图6是本发明实施例提出的信号调理电路结构示意图；

图7是本发明实施例提出的信号转换电路结构示意图；

图8是本发明实施例提出的电桥激励电路结构示意图；

图9是本发明实施例提出的自校准电路结构示意图；

图10是本发明实施例提出的嵌入式控制模块工作流程图；

图11是本发明实施例提出的电源与电压转换模块结构示意图；

图12是本发明实施例提出的自校准工作流程示意图；

图13是本发明实施例提出的可程控数字滤波工作流程示意图；

图14是上位机软件主界面示意图。

具体实施方式

结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。

须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内，需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何实际的关系或者顺序。

本发明提供了一种实施例：

如图1所示，一种基于大型机械设备的应变信号采集系统，其特征在于：包括应变信号采集模块、嵌入式控制模块、电源与电压转换模块和上位机；应变信号采集模块包括程控电桥匹配电路、信号调理电路、信号转换电路、电桥激励电路、自校准电路，电桥激励电路用于产生激励电压并与程控电桥匹配电路的输入连接，惠斯通电桥将应变产生的电阻变化转换为差分电压信号，依次经信号调理电路进行放大滤波、信号转换电路进行模数信号转换，输出至嵌入式控制模块处理分析并将测量结果显示在上位机处，自校准电路用于对测量范围内电压的校准并与信号调理电路的输入连接，电源与电压转换模块为嵌入式控制模块、应变信号采集模块提供电源；应变信号采集模块分为3组应变信号采集单元，每组应变信号采集单元连接有16路应变片式传感器。

如图2至图4所示，应变信号采集模块、嵌入式控制模块和电源与电压转换模块分别通过封装、装配后，依次连接设置在壳体内，应变信号采集模块与壳体前面板的接触表面上设置信号输入接口、外部标定电阻接口，信号输入接口类型为RJ45，能够独立支持48通道应变或电压信号的数据采集，外部标定电阻接口类型为KF141R-2.54-2P，每组应变信号采集单元共用一个外部标定电阻接口，应变信号采集模块与壳体背面板的接触表面上设置外部校准接口，接口类型为4mm插座控，嵌入式控制模块与壳体后面板的接触表面上设置数字I/O接口、以太网通讯接口，数字IO接口类型为D-Sub44，以太网通讯接口为RJ45，电源与电压转换模块与壳体后面板的接触表面上设置电源接口、风扇。

本发明结构适应日晒、颠簸、高腐蚀等恶劣环境，整机结构坚固轻盈，方便拆装，并满足系统战术指标中有关温度、振动、机械冲击等环境适用性要求，同时进行指标要求的散热、电磁兼容设计，满足实际测试要求，减少外部因素对高精度多通道大量程应变信号采集系统产生的影响；同时通过优化电路结构，相关电路进行简化设计，使所用元器件数量最少，功耗最低，噪声最低，采用平面封装的FPGA和IC器件，有效地减小电路模块的体积，本发明的高精度多通道大量程应变信号采集系统的尺寸为482.6mmx558.5mmx88.9mm，可以有效提高系统的抗冲击能力，增加系统的环境适应性。

如图5所示，程控电桥匹配电路包括桥路接口电路、电阻匹配电路，桥路接口电路采用RJ45连接器实现，与应变片式传感器组成惠斯通电桥，桥路接口电路的PIN6和PIN3引脚分别接收正、负应变信号，PIN1和PIN2引脚分别给应变片式传感器提供正、负激励电压，PIN8和PIN7引脚分别反馈远端应变电桥实际正、负激励电压，PIN4和PIN5引脚为标定电阻接口，内置高精度、低温漂的55KΩ标定电阻，同时还可外接标定电阻，电阻匹配电路采用高精度、低温漂电阻和模拟开关实现，用于程控选择全桥、半桥、1/4桥不同桥路类型的测量方式，在1/4测量电桥中，可选择的匹配电阻分别为120Ω、350Ω、用户自定义电阻，以用于1/4桥路平衡。

如图6所示，信号调理电路包括信号放大电路、信号滤波电路，信号放大电路由仪表放大器INA818、INA141和模拟开关MAX333、DG469及外围电路构成，仪表放大器INA141通过在模拟开关K7不闭合时，实现的放大倍数为10，在模拟开关K7闭合时，实现的放大倍数为100，模拟开关MAX333的端口INSW1为高电平时可以选通信号S+、S-通过INA141实现10、100的放大倍数，端口INSW2为高电平时选通信号通过INA818实现1的放大倍数，仪表放大器INA818和INA141放大倍数的实现无需通过独立的外部电阻RG的值来设定，减少外部电阻RG无对应的标称电阻值所造成的增益误差，提高对微弱信号的高精度采集能力，模拟开关DG469的端口INSW3为高电平时信号从INA818输出，为低电平时信号从INA141输出，输出信号与信号滤波电路连接，信号滤波电路包括RC低通滤波电路和四阶巴特沃斯滤波电路，截止频率为60kHz，采用运算放大器OPA2192和外围电路实现，信号滤波电路的输出与信号转换电路连接。

如图7所示，信号转换电路包括信号单端转差分电路、ADC模数转换电路，信号单端转差分电路由全差分放大器THS4521和外围电路构成，将信号滤波电路的双极性单端输出信号转化为单极性全差分信号，同时根据调节R

如图8所示，电桥激励电路包括程控激励基准电路、激励基准放大电路、激励电压驱动电路，用于输出可程控、稳定的高精度激励电压，每个通道激励电压独立设置，提供了最高的设置灵活性和通道隔离性，一个通道的短路或开路不会影响相邻通道的测量。程控基准电路由DAC数模转换器DAC8555和外围电路构成，用于产生激励基准电压，FPGA控制DAC8555的端口DIN、SCLK、SYNC产生0～2.5V的激励基准电压VoutA和VoutB；激励基准放大电路由精密仪表放大器INA819和外围电路构成，用于将激励基准电压放大到符合上位机软件所设定的激励电压值，激励基准电压VoutA经放大后产生0～8V的正电压，从端口PV输出与正线性稳压器LT3045的端口SET连接，VoutB经放大后产生-8～0V的负电压，从端口NV输出激励与负线性稳压器LT3094的端口SET连接；电压驱动电路由负线性稳压器LT3094、正线性稳压器LT3045和外围电路构成，用于输出较大电流，提高激励电压驱动应变电桥的能力，从端口+V

如图9所示，自校准电路由DAC数模转换器DAC8832、运算放大器OPA192、仪表放大器INA819和外围电路构成，用于产生校准电压，DAC数模转换器DAC8832借助运算放大器OPA192可工作在双极性模式，产生±2.5V的校准基础电压，仪表放大器INA819用于将校准基础电压放大至满足所要测量的电压范围-15V～+15V，与信号调理电路相连，完成对测量范围内电压的校准。

如图10所示，嵌入式控制模块包括FPGA控制模块、嵌入式ARM处理器模块，FPGA控制模块用于实现对应变信号采集模块的模拟控制以及接收ADC模数转换器的数据，同时将接收数据传输到嵌入式ARM处理器完成对采集数据的实时滤波、分析处理、数据校准、上位机通信功能，差分电压信号经信号调理电路、模数转换电路后传输数据到嵌入式综合控制模块的FPGA控制模块，FPGA控制模块通过FIFO将数据缓存到数据缓存模块，并在收到数据请求指令后，从FIFO模块中读取数据并通过以太网接口芯片传输给嵌入式ARM处理器；对采集数据进行实时滤波、分析处理、温度补偿、数据校准等功能，完成与上位机的通信实现数据结果的显示；如图11所示，电源与电压转换模块用于实现220V的AC-DC供电电压转换，为嵌入式控制模块、应变信号采集模块提供直流电源，电源转换效率较高，保证系统测量的稳定性，还能够提供交流电源的保护、滤波以及过压、过流保护功能。

本发明还提供一种基于大型机械设备的应变信号采集优化方法，包括远端补偿方法、电压自校准方法、应变自平衡方法、应变标定方法、嵌入式数据管理方法、可程控数字滤波方法；其中远端补偿方法利用应变信号采集模块的测量电路采集应变电桥两端的实际激励电压，利用测得的实际激励电压和得到的电桥输出电压计算实际的应变值；电压自校准方法利用内置ADC模数转换器提供电压源或者外部使用六位半高精度电源提供的电压源来校准信号调理电路至信号转换电路之间的准确性；应变自平衡方法采用软件补偿方式，完成对初始电桥不平衡的消除；应变自标定方法利用标定电阻完成对应变信号的标定或利用外部标准模拟应变量校准器产生标准应变信号使用软件的方式完成标定；可程控数字滤波方法采用改进的级联型IIR数字滤波器实现，设定阶数N与3db截止频率f，根据阶数N归一化巴特沃斯模拟低通滤波器的传递函数设计数字滤波器，完成数字滤波功能。

在实际应变测量中，应变片式传感器粘贴位置往往离测量仪器相距较远，它们之间所连接的导线会因为线电阻产生电压差，从而导致实际加载到桥路上的激励电压和设定值有偏差，造成测量误差，远端补偿方法包括以下步骤：

S1：测量应变信号时，将桥路接口电路的激励反馈端PIN8和PIN7同激励端PIN1和PIN2一起接入惠斯通电桥中；

S2：通过控制模拟开关K8、K9将激励反馈端PIN8和PIN7与S+、S-连接，采集激励反馈端PIN8和PIN7的实际激励电压，并反馈到电桥激励电路，使得电压激励源输出更大的电压来补偿导线上的压降，保证实际加载在桥路上的激励电压为设定值V

S3：利用应变片式传感器的灵敏系数GF,根据激励电压的设定值V

ε′＝-V

应变测量的信号实质是微弱的电信号，通常为μV～mV级别的电压输出，故通过对电压信号的校准可校准测量电路的准确性，提高应变信号采集精度。如图12所示，电压自校准方法包括内部自校准和外部自校准，内部自校准利用内置DAC数模转换器DAC8832作为基准电压源，校准时电压源作为信号输入至信号调理电路中，标准校准值V

内部自校准模式下：在上位机软件中选择放大倍数，不同的放大倍数对应不同的电压测量范围，打开校准功能，在校准界面软件会预先设定好测量范围内电压值校准点，根据电压值校准点完成对48通道同时校准，同时还可根据需求手动输入所需电压值校准点，完成对48通道同时校准。

外部校准模式下：将高精度电源通过校准接口接入应变信号采集系统中，在上位机软件中，选择放大倍数，不同的放大倍数对应不同的电压测量范围，打开校准功能，在校准界面软件需要根据预先设定好测量范围内的电压值校准点调整高精度电源的输出值，完成对48通道同时校准。

应变片式传感器与所述程控电桥匹配电路所组成的惠斯通电桥，其四个桥臂的电阻不会严格相等，同时由于存在线电阻以及应变片式传感器的粘贴工艺等原因，最终会导致桥路不平衡，因此，应变电桥在没有应力的作用下，也会因为桥路不平衡输出一定的初始电压，造成测量误差，因此需要在测量前需要平衡电桥，传统的电桥自平衡方法通常通过内置自平衡电路使应变电桥达到平衡状态，但对精度要求较高的应变采集系统，内置的自平衡电路会引入极大的噪声，严重影响测量精度。应变自平衡方法采用软件补偿方式，利用施加应力后的实际测量值减去未施加应力前的初始值，来计算实际测量的应变值，具体如下：连接好应变片式传感器开启采集，上位机软件会显示不平衡状态的初始应变值；启动自平衡功能，软件会将不平衡状态下的初始值保存，在施加应力后的实际测量中，测量的应变值会通过软件会减去初始应变值，得到实际测量的应变值显示在上位机中。

在完成自平衡后，需要对应变信号进行标定，应变标定方法包括标准校准器标定法和电阻标定法，标准校准器标定法采用0.02％精度的DR-8A标准模拟应变量校准器作为标准应变信号的产生，自平衡完成后，以10000με为基准进行标定，根据基准应变值10000με，得到标定系数δ

标准校准器标定：采用0.02％精度的DR-8A标准模拟应变量校准器作为标准应变信号的产生，自平衡完成后，利用10000με为基准进行标定，在校准器输入10000με时采集的实际应变值为ε′,通过δ

电阻标定法：通过在程控电桥电路中的一个桥臂上并联一个标定电阻，桥臂阻值发生ΔR变化，通过ε＝(ΔR/R)/GF计算出理论应变值ε，即为上位机显示的应变值，同时根据电桥输出电压V

在应变信号采集过程中，为进一步提高测量精度，不仅要保证硬件设计进行高精度的采集，同时还要确保后续数据处理中，滤除掉干扰信号，所以一般借助IIR滤波器来实现，IIR数字滤波器通常采用间接法实现，先将通带最大衰减、阻带最小衰减数字技术指标转化为模拟技术指标，根据技术指标得到巴特沃斯滤波器的阶数N与3db截止频率f，再根据阶数N与3db截止频率f得到系统函数系数，得到确定系统函数，最后完成模拟滤波器到数字滤波器的转换，实现数字滤波功能，这种方法往往不适合对采集的数据进行滤波，由于阶数和截止频率不确定，可能会滤除掉有效的信号。如图13所示，可程控数字滤波方法包括以下步骤：

S1：确定滤波阶数N，滤波类型和截止频率f；

S2：根据阶数N，计算级联阶节中每一节的分母系数b，计算公式为：

S3：根据级联阶节中每一节的分子分母系数，计算模拟滤波器的传递函数H(s),k为1,2,…,N/2,s为拉普拉斯变换；

S4：根据3db截止频率f

S5：根据模拟滤波器的传递函数和通带截止频率，使用双线性变换完成模拟滤波器到数字滤波器转换，实现数字滤波功能，数字滤波器系统函数为H(z)：

嵌入式数据管理方法的工作流程为：嵌入式控制模块会将采集的测试数据传输到嵌入式ARM处理器模块中，嵌入式ARM处理器利用QT开发平台，将测试数据存储在SQLite数据库中，利用TCP通信，PC端上位机软件与嵌入式ARM处理器建立TCP通信，会将数据传输至上位机实时显示测试数据，同时提供PC端上位机数据上传方式，PC端可将数据导出分析，导出数据的文件类型包括TXT、CSV、DAT、TDMS等格式。如图14所示，上位机软件设计采用面向对象的设计方法，Windows操作系统下，采用QT作为开发平台。应用程序主界面设计为几个功能独立的区域，依次为通道参数配置区、工程信息显示区、状态显示区、数据管理区、功能菜单区、数据实时曲线区。用户可以通过上位机实时控制每一个通道采集，具备对微弱信号放大与滤波等调理过程的程序控制，能通过上位机输入配置信息，并支持数据保存与回放。

本发明的高精度多通道大量程应变信号采集系统和优化方法，其可用于导弹、战机、火箭、战车和舰艇等武器装备的研制、生产以及日常维护，实现对结构强度测试产生的应变信号进行高效、高精度的数据采集与分析，能够为装备测试与评估提供直观精确的数据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。