一种基于标准差的涡街频率随机共振控制检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种微弱工程信号处理方法，特别是在涡街流量计中使用的涡街信号 处理方法。
【背景技术】
[0002] 随着现代工业生产的飞速发展及国家提出的"节能减排"战略，对流量测量的需求 不断增长，测量要求越来越高，涡街流量计是近几年来发展较快的流量计之一，因其诸多优 点，应用领域不断扩大，在某些领域已部分替代了差压式流量计或其他流量仪表。涡街流量 计本质上属于流体振动型流量计，在工业现场实际使用时容易受到管道及各种设备振动干 扰影响，输出信号中叠加干扰噪声信号，影响测量精度，特别是在小流量测量中，涡街信号 弱，容易被噪声淹没，使小流量测量受限，其应用范围受到限制。针对涡街流量计输出信号 特点，利用现代信号处理方法准确提取涡街频率，扩展涡街流量计的流量测量下限，是目前 涡街流量计研究的热点问题，也是急需解决的关键问题之一。
[0003] 近年来，非线性科学不断发展，随机共振理论为强噪声背景下微弱信号检测提供 了新的思路。目前常用的微弱信号处理方法，大多采用线性方法，抑制噪声，提取信号;基于 非线性理论的随机共振方法是在某种条件下，利用噪声在非线性系统中的积极协同作用， 使噪声能量转移，系统输出响应变得"有序"，信噪比增强，充分利用非线性系统对外界输入 微弱周期信号的灵敏性和选择性，达到微弱信号检测的目的。
[0004] 涡街流量计的输出信号由正弦（单一频率)涡街信号及现场噪声信号两部分叠加 而成，作为非线性双稳系统的输入信号恰好具备产生随机共振的必要条件，但正弦涡街信 号的幅值、频率以及噪声的强度大小并不一定满足产生随机共振的匹配条件，需要通过一 定的控制方法以产生随机共振，达到检测涡街频率的目的。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于标准差的涡街频率随机共 振控制检测方法。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于标准差的涡街频率随机共 振控制检测方法，包括如下步骤：
[0007] (1)采集涡街流量计输出信号H(t)，该信号表示为mOiAocosUnfotHr (t)， AocosUnfot)是旋涡波动信号，Γ (t)是噪声信号，A〇为旋涡波动信号幅值，为旋涡波动信 号频率，t为时间。
[0008] (2)计算涡街流量计输出信号标准差Std 式中，N是采样点数，& 是涡街流量计输出信号H(t)的幅值，:i是涡街流量计输出信号H(t)的平均值；利用
关系估算旋涡波动信号幅值Ao,再根据Α〇 = 1αν2估算管道中流体流速V，lu是常 数;最后再利用f〇 = SrV/d估算信号频率fo,式中Sr是斯特罗哈尔数，d是涡街发生体迎流面 宽度，以此确定控制参数调制幅值和频率初始值。
[0009] (3)涡街流量计输出信号输入信号幅值和频率双调制模块进行信号幅值和频率双 调制过程，控制信号为频率和幅值可变的载波信号1(〇=1(3〇8(23^。〇，其中4。为幅值调 制参数，f。为频率调制参数，通过双调制的控制过程表示为：
[0011] 式中，H(t)是步骤（1)中采集到的叠加噪声的涡街流量计输出信号，经过调制分为 Vml、Vm2、Vm3三项，信号的频率及幅值都发生变化，其中V m^频率为fo-f。，记为Δ f，^2项频率 为fo+f。，相比Vml项频率较高，Vm3项是调制后的白噪声，在双稳系统的作用下，经过调制，V ml 将在输出中占主导作用，双稳系统将产生与Vml项频率Af同频的输出。双稳系统势函数表示
μ为系统参数，系统阈值
> Vml项幅值调制后信号幅值由 Ao放大Ac/2倍记为此^=厶'/2，改变调制参数4。调整^的大小，实现信号幅值与系统的匹 配，即AKAt;通过调节fc调整输出信号频率Δ f，实现频率的匹配，一般Δ f = f〇.01Hz， 调制参数A。和f。的初始值根据匹配关系及Aq和f〇计算得到：
，fc^fo- △ f;其中，Δ f < 0.01，為，且Δ 均为正实数;涡街信号经过调制后，输入非线性双稳系统，产生 随机共振。
[0012] (4)为达到最佳随机共振效果，对调制参数A。和f。进行优化：以双稳系统输出功率 谱峰值为目标函数，功率谱峰值越大，说明信号通过随机共振得到增强的效果越好;通过线 性搜索算法，改变A。和f。值进行搜索，在搜索过程中，输出功率谱峰值最大值对应的参数A。 和f。为最优控制参数。涡街信号经过双调制控制器输入双稳系统，功率谱峰值所在位置即 随机共振频率为Δ f，进而准确获得涡街频率fQ = f。- Δ f。
[0013] 本发明的有益效果是，本发明基于标准差的涡街频率随机共振控制检测方法为提 高涡街流量计现场适应性及弱涡街流量信号频率检测提供了一种新的方法。与传统的基于 随机共振的检测方法相比，本发明同时考虑涡街信号幅值及频率随流量变化特性，设计控 制器，对涡街流量计输出信号进行幅值及频率双重调制，同时根据涡街信号标准差中包含 的流动信息，确定控制参数，在处理涡街信号特别是弱涡街信号中具有优势。
【附图说明】
[0014] 图1为基于标准差的涡街频率随机共振控制检测方法原理框图；
[0015]图2为涡街流量计水流量实验框图；
[0016] 图3为流速与标准差的拟合关系图；
[0017] 图4为流量为1.75m3/h时小流量涡街流量计输出信号时域图；
[0018] 图5为流量为1.75m3/h时小流量涡街流量计输出信号频域图；
[0019] 图6为输出功率谱值峰值随f。变化图；
[0020] 图7为双稳系统输出时域图；
[0021] 图8为双稳系统输出功率谱图。
【具体实施方式】
[0022] 本发明的原理是：随机共振控制系统，利用外加频率及幅值可调的控制信号对涡 街信号进行处理，使信号与系统匹配，产生随机共振。利用涡街信号标准差与信号频率、幅 值之间的关系给出信号频率与幅值的估计值，以此作为依据选取控制参数，利用自适应方 法得到最优控制参数，提高涡街信号与系统匹配效率，快速检测到涡街频率，实现流量测 量。
[0023] 本发明基于标准差的涡街频率随机共振控制检测方法，具体步骤如下：
[0024] (1)采集涡街流量计输出信号H(t)，该信号是通过压电传感器测量流体流过涡街 发生体后的旋涡波动信号，并叠加流体脉动、管道及设备振动等现场噪声形成的；可表示为 H(t)=Aocos(23if()t)+r (t)，Aocos(23if()t)是旋涡波动信号，Γ (t)是噪声信号，近似为白噪 声;Ao为旋涡波动信号幅值，fo为旋涡波动信号频率，t为时间。
[0025] (2)计算祸街流量计输出信号标准差Std:
是涡街流量计输出信号H(t)的幅值，:i是涡街流量计输出信号H(t)的平均值。在理想情况 下，即未叠加噪声时，标准差Std与旋涡波动信号幅值A〇具有 出信号的标准差中叠加了噪声，
系可以估算旋涡波动信号幅值Ao。 根据涡街流量计测量原理，旋涡波动信号幅值对应流体升力，因此AoiluV2，!^是常数，通过 实验定标确定，可以估算管道中流体流速V，再利用f 〇 = SrV/d可以估算信号频率f 〇，式中Sr 是斯特罗哈尔数，d是涡街发生体迎流面宽度，以此确定控制参数调制幅值和频率初始值。
[0026] (3)涡街流量计输出信号输入控制器，该控制器设计为信号幅值和频率双调制模 块，控制信号为频率和幅值可变的载波信号1(〇=1(： 〇8(2对。〇，其中4。为幅值调制参数， f。为频率调制参数，通过双调制的控制过程可表示为：
[0028] H(t)是步骤(1)中采集到的叠加噪声的涡街流量计输出信号，经过调制可分为Vml、 Vm2、Vm3三项，信号的频率及幅值都发生变化。其中Vm^频率为fo-f。，记为Δ f，￥"2项频率为fo +f