CN103644966B - 一种周期信号增强检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种周期信号增强检测装置及方法，该检测装置包括信号接收与预处理模块，功率放大器，激振器，三稳悬臂梁物理装置，激光位移传感器，加速度传感器和示波器；信号接收与预处理模块的输出接口与功率放大器的输入接口相连；功率放大器的输出接口与激振器的输入接口相连；三稳悬臂梁物理装置通过螺栓连接到激振器的工作台上；激光位移传感器安装在合适的支架上，确保激光束对准三稳悬臂梁物理装置中的悬臂梁自由振动端；加速度传感器通过螺栓连接到三稳悬臂梁物理装置上；激光位移传感器和加速度传感器的输出接口分别连接到示波器的两个不同的输入通道上。该检测装置及方法具有原理简单、物理实现、检测效果好、普适性强等优点。

Description

一种周期信号增强检测装置及方法

技术领域

本发明涉及微弱信号检测技术领域，具体的说，是涉及一种周期信号的增强检测装置及方法。

背景技术

工程中存在一些周期信号，比如旋转设备产生的振动或声音信号、人体中产生的脑电或心电信号、水下或结构中的超声探测信号等。这些周期信号携带了非常有用的信号源信息，因而能够准确有效地检测出周期信号具有十分重要的意义。具体的说，旋转机械设备的故障检测和诊断技术通过分析采集到的振动或声学信号，可以获得设备的运行状态和健康信息。旋转设备在发生故障时会产生周期性的冲击振动，反映在了采集到的振动或声学信号中。通过对信号中冲击周期的检测，可以判断该设备是否有故障或者发生了哪种故障，这对保障设备安全运行，减少停机损失等方面具有重要意义。但是，通过传感器采集到的信号不可避免地包含了噪声，而噪声使得对周期信号的有效提取和检测变得很困难。

随机共振是一种能够利用噪声增强周期信号的非线性方法，其独特的特点使得其被应用于机械故障诊断等周期信号检测领域。当前利用随机共振进行信号增强的方法主要集中在数字信号处理方面。然而，这些方法所基于的计算机平台往往提供了过于理想的计算环境，使得随机共振实施过程得到了全面的优化以适应特定的含噪声信号；同时，基于数字信号处理技术的随机共振方法往往结合其它复杂算法一起使用，使得实施过程变得更为复杂，不易于在线检测。

目前基于随机共振的微弱信号检测也有一些采用模拟电路的检测技术，这些技术通过搭建复杂的模拟电路***实现随机共振检测。然而，这类技术存在的主要问题是检测电路***的参数调节不容易实现自动化和智能化，因而往往对实际周期信号的普适性检测存在很大的限制。

由上可知，对现有的基于随机共振的周期信号检测技术来说，基于数字信号处理和模拟电路***的两种技术方案都存在一定的局限性，如何实现简易的、普适性强的技术方案仍然需要进一步探讨。

发明内容

本发明目的在于提供一种新的基于随机共振原理的含噪声周期信号增强检测装置及方法，该装置及方法基于一种物理装置而不是传统的数字信号处理或模拟电路***实现随机共振，该装置被安装在激振器上，能够直接增强输入激振器的含噪声信号中的周期成分，实现周期信号的增强检测。

本发明采用的技术方案为：一种周期信号增强检测装置，该检测装置包括信号接收与预处理模块，功率放大器，激振器，三稳悬臂梁物理装置，激光位移传感器，加速度传感器和示波器；信号接收与预处理模块的输出接口与功率放大器的输入接口相连；功率放大器的输出接口与激振器的输入接口相连；三稳悬臂梁物理装置通过螺栓连接到激振器的工作台上；激光位移传感器安装在合适的支架上，确保激光束对准三稳悬臂梁物理装置中的悬臂梁自由振动端；加速度传感器通过螺栓连接到三稳悬臂梁物理装置上；激光位移传感器和加速度传感器的输出接口分别连接到示波器的两个不同的输入通道上；其中，

所述信号接收与预处理模块，包括信号接收模块、信号解调处理模块、信号尺度变换模块；

所述三稳悬臂梁物理装置，包括左基座、弹性基体、第一永磁铁、第二永磁铁、第三永磁铁、第一永磁铁座、第二永磁铁座、右基座、第一调节螺栓、第二调节螺栓和第三调节螺栓；弹性基体采用金属弹片；其中弹性基体一端夹持在左基座上构成悬臂梁；第一永磁铁粘在弹性基体的自由端上；第二永磁铁和第三永磁铁分别粘在第一永磁铁座和第二永磁铁座上；第一永磁铁座和第二永磁铁座分别通过第一调节螺栓和第二调节螺栓连接到右基座上；左基座和右基座通过第三调节螺栓连接形成整体基座，第二永磁铁和第三永磁铁在水平方向上极性相同；第一永磁铁在水平方向上极性和第二永磁铁或第三永磁铁相反；第二永磁铁和第三永磁铁在水平方向上关于弹性基体对称；通过调整第三调节螺栓，能够调整第一永磁铁的右表面到第二永磁铁或第三永磁铁的左表面在水平方向上的距离d；通过调整第一调节螺栓和第二调节螺栓，能够调整第二永磁铁和第三永磁铁在竖直方向上的中心距离p；把装置整体安装在激振器的工作面上，则激振器的振动通过整体基座作用到弹性基体的固定端，从而引起弹性基体和第一永磁铁在竖直方向即x轴上的振动。

进一步的，弹性基体采用铝弹片、铜弹片或者钛合金弹片。

进一步的，第一永磁铁、第二永磁铁和第三永磁铁为钕铁硼磁铁、钐钴磁铁或铁氧体磁铁，磁铁形状可为矩形或圆柱形。

另外，本发明提供一种周期信号增强检测方法，该检测方法包括信号接收与预处理、信号转换、信号增强和信号采集和记录四个实施步骤：

步骤一，对采集到的含噪声周期信号，如果存在待检测周期信号调制其他高频成分的现象，需要对信号先作解调处理，然后根据周期所处范围进行变尺度转换，得到预处理过的信号；

步骤二，将所述预处理过的信号输入功率放大器，将放大后的信号输入激振器，实现电信号到机械振动的转换；

步骤三，安装在激振器上上述的三稳悬臂梁物理装置对机械振动中的周期成分进行增强；

步骤四，采集和记录上述的信号增强检测装置的输入和输出信号。

进一步的，所述步骤一中的解调处理采用包络解调方法，包络解调方法采用希尔伯特变换解调法，或者采用能量算子解调法。

进一步的，所述步骤一中的变尺度转换是通过选择一个变尺度因子X，X大于等于1，将原信号进行X倍快放或者X倍慢放，使得原信号的故障频率被调整到三稳悬臂梁装置的有效工作范围内。

本发明的优点和积极效果为：

（1）、与现有技术相比，本发明公开了一种周期信号的增强检测装置及方法，能够利用一种物理装置实现随机共振，直接增强输入物理装置的含噪声信号中的周期成分，实现周期信号的增强检测。该检测装置及方法具有原理简单、物理实现、检测效果好、普适性强等优点。

（2）、本发明装置还具有以下优点：结构简单、制作材料容易获得且价格便宜、容易实现小型化和模块化改进、制作和装配过程简单、易于实现批量生产等。本发明方法原理简单、容易理解，故使用人员不需要很深的专业背景知识；实现该方法的操作过程直观、方便，操作人员也不需要经过专业的训练即可动手操作。

附图说明

图1为周期信号增强检测装置结构图。图中标号名称：1-1为接收与预处理模块，1-2为功率放大器，1-3为激振器，1-4为三稳悬臂梁物理装置，1-5为激光位移传感器，1-6为加速度传感器，1-7为示波器。

图2为三稳悬臂梁物理装置结构图。图中标号名称：2-1为左基座、2-2为弹性基体、2-3和2-4和2-10为永磁铁、2-5和2-8为永磁铁座、2-7为右基座、2-6和2-9和2-11为调节螺栓。

图3为周期信号增强检测技术实施流程图。

图4为振子在x轴方向移动时由悬臂梁产生的弹性恢复力和磁铁相互作用产生的非线性排斥力共同形成的非线性势函数U（x）。

图5为实施例输入信号波形图。

图6为实施例输出信号波形图。

具体实施方式

下面将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。

由背景技术可知，现有的基于随机共振原理的周期信号增强检测技术主要基于数字信号处理和模拟电路***实现随机共振，存在实施过程复杂、参数不易调节等缺点。

因此本发明公开了一种周期信号增强检测装置及技术，能够利用一种物理装置实现随机共振，直接增强输入物理装置的含噪声信号中的周期成分，实现周期信号的增强检测，具有原理简单、物理实现、检测效果好、普适性强等优点。

实施例一

根据上述发明内容和附图1的一种周期信号增强检测装置结构图，该装置具体包括接收与预处理模块1-1，功率放大器1-2，激振器1-3，三稳悬臂梁物理装置1-4，激光位移传感器1-5，加速度传感器1-6，示波器1-7。信号接收与预处理模块1-1的输出接口与功率放大器1-2的输入接口相连；功率放大器1-2的输出接口与激振器1-3的输入接口相连；三稳悬臂梁物理装置1-4通过螺栓连接到激振器1-3的工作台上；激光位移传感器1-5安装在合适的支架上，确保激光束对准三稳悬臂梁物理装置1-4中的悬臂梁自由振动端；加速度传感器1-6通过螺栓连接到三稳悬臂梁物理装置1-4上；激光位移传感器1-5和加速度传感器1-6的输出接口分别连接到示波器1-7的两个不同的输入通道上。

所述信号接收与预处理模块，包括信号接收模块、信号解调处理模块、信号尺度变换模块。

所述三稳悬臂梁物理装置见附图2，包括左基座2-1、弹性基体2-2、永磁铁2-3和2-4和2-10、永磁铁座2-5和2-8、右基座2-7、调节螺栓2-6和2-9和2-11。弹性基体2-2可采用铝、铜或者钛合金等金属弹片；永磁铁2-3和2-4和2-10可为钕铁硼磁铁、钐钴磁铁或铁氧体磁铁等，磁铁形状可为矩形或圆柱形。其中弹性基体2-2一端夹持在左基座2-1上构成悬臂梁；永磁铁2-3粘在弹性基体2-2的自由端上；永磁铁2-4和2-10分别粘在永磁铁座2-5和2-8上；永磁铁座2-5和2-8分别通过螺栓2-6和2-9连接到右基座2-7上；左基座2-1和右基座2-7通过螺栓2-11连接形成整体基座。永磁铁2-4和2-10在水平方向上极性相同；永磁铁2-3在水平方向上极性和永磁铁2-4或2-10相反；永磁铁2-4和2-10在水平方向上关于弹性基体2-2对称；通过调整螺栓2-11，可以调整永磁铁2-3的右表面到永磁铁2-4或2-10的左表面在水平方向上的距离d；通过调整螺丝2-6和2-9，可以调整永磁铁2-4和2-10在竖直方向上的中心距离p。把装置整体安装在激振器的工作面上，则激振器的振动通过整体基座作用到弹性基体2-2的固定端，从而引起弹性基体2-2和永磁铁2-3在竖直方向（x轴）上的振动。

实施例二

根据附图3的一种周期信号增强检测技术流程图，所述一种周期信号增强检测方法的具体执行过程具体包括以下步骤。

步骤一，对采集到的含噪声周期信号，如果存在待检测周期信号调制其他高频成分的现象，需要对信号先作解调处理，然后根据周期所处范围进行变尺度转换，得到预处理过的信号；

步骤二，将所述预处理过的信号输入功率放大器，将放大后的信号输入激振器，实现电信号到机械振动的转换；

步骤三，安装在激振器上的三稳悬臂梁物理装置对机械振动中的周期成分进行增强；

步骤四，采集和记录信号增强检测装置的输入和输出信号。

所述检测方法步骤一中的解调处理采用包络解调方法，包络解调方法可以采用希尔伯特变换解调法，能量算子解调法等。变尺度转换是通过选择一个变尺度因子X（X大于等于1），将原信号进行X倍快放或者X倍慢放，使得原信号的故障频率被调整到三稳悬臂梁装置的有效工作范围内。例如，若故障频率大于装置的最大工作范围，则对原信号进行X倍慢放；反之，若故障频率小于装置的最小工作范围，则对原信号进行X倍快放；当故障频率处于装置的工作范围时，则按常速（X=1）播放原信号。

所述检测方法步骤二中的功率放大器将预处理过的信号进行放大以驱动电磁激振器振动，此步骤将电信号转换为机械振动，以驱动信号增强检测装置。

所述检测方法步骤三中的三稳悬臂梁物理装置的随机共振实施原理如下。根据附图2的三稳悬臂梁物理装置结构图，把弹性基体2-2和永磁铁2-3当做一个振子，则该振子在振动源激励下的振动可看做是单自由度物体在弹性基体2-2、永磁铁2-3和2-4和2-10共同构成的非线性势函数U（x）中的受迫振动。假设振子处于水平位置（弹性基体2-2没有发生变形）时U（x）=0，则振子在x轴方向移动时，非线性势函数U（x）如图4所示。同时由图4可见，通过调整距离d和p，可以使得U（x）具有三个势阱（下凹处最低点）和两个势垒（上凸处最高点），此时的势阱称为三稳态势阱，而振子在含噪声周期信号激励下在三稳态势阱中的振动称为三稳态随机共振。在输入信号的驱动下，振子在势函数U（x）中运动，如果只有微弱周期信号激励，振子不能获得足够的能量来越过势垒，因此只能在势函数U（x）中间的势阱附近（x=0附近）振动。而当噪声和周期性微弱信号一起作用时，在噪声的协助下，振子可以获得足够的能量越过势垒，从而能够跟随微弱周期信号实现在U（x）三个势阱中连续振动，最终振子的运动轨迹即为输出信号。这一现象即为随机共振利用噪声能量增强周期信号的过程。综上，在非线性势函数U（x）的存在下，微弱周期信号能够利用噪声得到增强检测。

所述检测方法步骤四中的信号增强检测装置的输入和输出信号采用示波器进行采集和记录。输入信号的采集方法为：将加速度传感器安装在装置的左基座2-1上，加速度传感器所测量得到的信号为弹性基体2-2固定端的振动，该信号为输入信号。输出信号的采集方法为：采用激光位移传感器测量弹性基体2-2自由端在竖直方向上的位移，该信号为输出信号。

实施例三

为了更加清楚地了解本发明的技术方案及其效果，下面结合一个具体的实施例进行详细说明。根据图1搭建实验平台，用于实施例测试的信号为旋转机械故障仿真信号，信号由周期出现的单边衰减脉冲和加性高斯白噪声相加组成，故障脉冲的出现频率为8.8Hz。

首先，根据图3步骤一，对故障信号采用希尔伯特变换法进行包络解调。因故障频率8.8Hz位于信号增强检测装置的有效工作范围内，故选择X=1，即信号按原速度播放。

随后，根据图3步骤二，将解调后的故障信号输入功率放大器，功率放大器输出信号驱动电磁激振器，引起电磁激振器工作面的振动，此步骤完成电信号向机械振动的转换。

接着，根据图3步骤三，安装在激振器工作台上的三稳悬臂梁物理装置（图2）将跟随激振器一起振动，并引起由图2中的弹性基体2-2和永磁铁2-3构成的振子在竖直方向上的振动，此步骤实现了机械振动中周期成分的增强。

最后，根据图3步骤四，信号增强检测装置的输入信号被安装在左基座1上的加速度传感器测量，输出信号被激光位移传感器测量。输入和输出信号同时被示波器采集、记录和显示，分别如图5和图6所示。

下面对比分析三稳物理装置的输入和输出信号。图5所示为输入信号的波形，从波形中可勉强辨认出周期脉冲信号的出现周期（图中标注为Td），但该脉冲信号较为微弱，相对而言，脉冲周围的噪声干扰则十分明显。噪声的干扰可能使得脉冲周期的辨认变得困难，进而影响对设备故障判断的准确性。图6所示为输出信号的波形，从图中可见，含噪声故障信号经过信号增强检测装置，信号中的周期成分得到增强，其周期清晰可辨（图中标注为Td），而噪声的干扰则变得十分微弱乃至可以忽略不计。通过对比输入和输出信号可知，得益于随机共振中噪声能够增强周期信号这一独特优势，输入信号中的噪声能够驱使信号增强检测装置中的振子在势函数U（x）的三个稳态间跟随周期脉冲连续地跃迁；进而从反映振子运动轨迹的输出信号中可见，含噪声周期信号的周期成分得到增强。综上，由实施例可见，本发明装置及技术能够有效地对含噪声周期信号进行增强检测。

综上所述，本发明公开了一种周期信号增强检测装置及方法，不同于现有的基于随机共振原理进行周期信号增强检测的技术方案，能够利用一种物理装置实现随机共振，直接增强输入物理装置的含噪声信号中的周期成分，具有原理简单、物理实现、检测效果好、普适性强等优点。本发明在旋转机械故障诊断等涉及周期微弱信号检测领域具有一定的应有前景。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种周期信号增强检测装置，其特征在于，该检测装置包括信号接收与预处理模块(1)，功率放大器(2)，激振器(3)，三稳悬臂梁物理装置(4)，激光位移传感器(5)，加速度传感器(6)和示波器(7)；信号接收与预处理模块(1)的输出接口与功率放大器(2)的输入接口相连；功率放大器(2)的输出接口与激振器(3)的输入接口相连；三稳悬臂梁物理装置(4)通过螺栓连接到激振器(3)的工作台上；激光位移传感器(5)安装在合适的支架上，确保激光束对准三稳悬臂梁物理装置(4)中的悬臂梁自由振动端；加速度传感器(6)通过螺栓连接到三稳悬臂梁物理装置(4)上；激光位移传感器(5)和加速度传感器(6)的输出接口分别连接到示波器(7)的两个不同的输入通道上；其中，

所述信号接收与预处理模块，包括信号接收模块、信号解调处理模块、信号尺度变换模块；

所述三稳悬臂梁物理装置，包括左基座(1)、弹性基体(2)、第一永磁铁(3)、第二永磁铁(4)、第三永磁铁(10)、第一永磁铁座(5)、第二永磁铁座(8)、右基座(7)、第一调节螺栓(6)、第二调节螺栓(9)和第三调节螺栓(11)；弹性基体(2)采用金属弹片；其中弹性基体(2)一端夹持在左基座(1)上构成悬臂梁；第一永磁铁(3)粘在弹性基体(2)的自由端上；第二永磁铁(4)和第三永磁铁(10)分别粘在第一永磁铁座(5)和第二永磁铁座(8)上；第一永磁铁座(5)和第二永磁铁座(8)分别通过第一调节螺栓(6)和第二调节螺栓(9)连接到右基座(7)上；左基座(1)和右基座(7)通过第三调节螺栓(11)连接形成整体基座，第二永磁铁(4)和第三永磁铁(10)在水平方向上极性相同；第一永磁铁(3)在水平方向上极性和第二永磁铁(4)或第三永磁铁(10)相反；第二永磁铁(4)和第三永磁铁(10)在水平方向上关于弹性基体(2)对称；通过调整第三调节螺栓(11)，能够调整第一永磁铁(3)的右表面到第二永磁铁(4)或第三永磁铁(10)的左表面在水平方向上的距离d；通过调整第一调节螺栓(6)和第二调节螺栓(9)，能够调整第二永磁铁(4)和第三永磁铁(10)在竖直方向上的中心距离p；把所述三稳悬臂梁物理装置整体安装在激振器的工作面上，则激振器的振动通过整体基座作用到弹性基体(2)的固定端，从而引起弹性基体(2)和第一永磁铁(3)在竖直方向即x轴上的振动。

2.根据权利要求1所述的一种周期信号增强检测装置，其特征在于，弹性基体(2)采用铝弹片、铜弹片或者钛合金弹片。

3.根据权利要求1所述的一种周期信号增强检测装置，其特征在于，第一永磁铁(3)、第二永磁铁(4)和第三永磁铁(10)为钕铁硼磁铁、钐钴磁铁或铁氧体磁铁，第一永磁铁(3)、第二永磁铁(4)和第三永磁铁(10)形状可为矩形或圆柱形。

4.一种周期信号增强检测方法，其特征在于，该检测方法包括信号接收与预处理、信号转换、信号增强和信号采集和记录四个实施步骤：

步骤一，对采集到的含噪声周期信号，如果存在待检测周期信号调制其他高频成分的现象，需要对信号先作解调处理，然后根据周期所处范围进行变尺度转换，得到预处理过的信号；

步骤二，将所述预处理过的信号输入功率放大器，将放大后的信号输入激振器，实现电信号到机械振动的转换；

步骤三，安装在激振器上权利要求1所述的三稳悬臂梁物理装置对机械振动中的周期成分进行增强；

步骤四，采集和记录权利要求1所述的周期信号增强检测装置的输入和输出信号。

5.根据权利要求4所述的一种周期信号增强检测方法，其特征在于，所述步骤一中的解调处理采用包络解调方法，包络解调方法采用希尔伯特变换解调法，或者采用能量算子解调法。

6.根据权利要求4所述的一种周期信号增强检测方法，其特征在于，所述步骤一中的变尺度转换是通过选择一个变尺度因子X，X大于等于1，将原信号进行X倍快放或者X倍慢放，使得原信号的故障频率被调整到三稳悬臂梁装置的有效工作范围内。