一种基于双共振的微弱信号检测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于双共振的微弱信号检测系统。该检测系统由传感器，信号发生模块，耦合双稳系统，数据采集模块组成。传感器采集到含有噪声的待检测信号作为耦合双稳系统被控系统的输入，信号发生模块产生频率可调的单一频率信号作为控制信号输入到耦合双稳系统的控制系统中。由被控单元与控制单元耦合而成的耦合双稳系统由加法器，积分器，放大器以及乘法器构成。在控制信号的作用下，耦合系统中存在着双共振，控制单元中的共振可有效增强被控单元中的随机共振，数据采集模块采集耦合双稳系统输出后，通过频域分析从而检测出噪声背景下的微弱信号。
【专利说明】—种基于双共振的微弱信号检测系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用双共振的随机共振增强方法在强噪声背景下对微弱信号进行检测的检测系统。
【背景技术】
[0002]自随机共振概念由Benzi等人于1981年在研究地球古气象问题时提出以来，随机共振因其在信号处理中具有增强信号传输能力的优势正越来越广泛应用于生物医学、化学、机械设备故障检测等涉及到微弱信号处理的领域中。随机共振现象是指非线性系统在输入信号和噪声共同作用下，随着噪声强度从小逐渐增大，其输出信噪比呈现出非单调变化。传统的微弱信号检测方法如线性放大和线性滤波等，其立足点都集中在抑制噪声上，但当待测信号频率与噪声频带重叠时，在抑制噪声的同时往往也损害了待测信号，极大影响了微弱信号检测的性能。与各种抑制噪声的传统方法相反，随机共振是利用噪声以增强系统输出信噪比，从而检测出微弱信号。作为随机共振走向应用的关键，随机共振的有效控制成为研究的重点。研究随机共振的经典非线性系统是双稳系统，双稳系统具有结构简单，便于理论分析的优点。但在实际应用如阈值系统，生物系统中，双稳系统结构参数往往固定，不能通过直接改变其势垒及阈值进而实现随机共振的控制。因此，目前在工程中需要研究一种可灵活进行随机共振控制的微弱信号检测系统。
【发明内容】
[0003]针对上述问题，本发明的目的是提供了一种基于双共振的随机共振增强方法的微弱信号检测系统。
[0004]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种基于双共振的微弱信号检测系统，其特征在于，它主要由传感器、信号发生模块、耦合双稳系统、数据采集模块组成，其中，耦合双稳系统由控制单元与被控单元相连组成，传感器与被控单元相连，信号发生模块与控制单元相连，被控单元与数据采集模块相连；待检测的含噪的弱周期信号由传感器采集后加入到耦合双稳系统的被控单元中；信号发生模块产生单一频率可调的控制信号，输入到耦合双稳系统控制单元中，改变控制信号的频率大小，使耦合双稳系统产生共振；最后，由数据采集模块采集耦合双稳系统输出的信号后进行数据处理及波形显示；所述耦合双稳系统电路由结构相同的被控单元与控制单元耦合而成；被控单元与控制单元均由三个放大器、加法器、积分器和四个乘法器构成；加法器的输出端与积分器的输入端相连，积分器的输出端分别与第一放大器，第二乘法器和第三乘法器相连，第三乘法器与第三放大器相连，第二乘法器、第一乘法器和第二放大器依次相连，第一放大器、第二放大器和第三放大器均与加法器的输入端相连，第四乘法器与第三乘法器相连；控制单元的积分器的输出端与被控单元的第四乘法器相连，被控单元的积分器的输出端与控制单元单元的第四乘法器相连，传感器与被控单元的加法器的输入端相连，信号发生模块与控制单元的加法器的输入端相连，被控单元的积分器的输出端与数据采集模块相连。[0005]进一步地，所述加法器包括运算放大器U1A、五个电阻R1-R5 ;电阻Rl的一端与传感器相连，另一端与运算放大器UlA的反相输入端相连；电阻R5的一端与运算放大器UlA的反相输入端相连，另一端与运算放大器UlA的输出端相连；电阻R4的一端与运算放大器UlA的同相输入端相连，另一端接地；所述积分器包括运算放大器U1D，电阻R6，R7 ；电阻R6的一端与加法器的输出，即运算放大器UlA的输出端相连，另一端与运算放大器UlD的反相输入端相连；电阻R7的一端与运算放大器UlD的同相输入端相连，另一端接地；电容Cl的一端与运算放大器UlD的反相输入端相连,另一端与运算放大器UlD的输出端相连；第一放大器由电阻R3和可调电阻R8组成；可调电阻R8固定端一端与积分器输出相连，另一固定端接地；电阻R3的一端与可调电阻R8的可调端相连，另一端与加法器输入端相连，即连接到运算放大器UlA的反相输入端；第二乘法器由乘法器U3A，三个电阻R9-R11，运算放大器U2A组成；U3A的反相与同相输入端均与积分器的输出端相连；电阻R9的一端与乘法器U3A的输出端相连，另一端与运算放大器U2A的反相输入端相连；电阻RlO的一端与运算放大器U2A的同相输入端相连，另一端接地；电阻Rll的一端与运算放大器U2A的反相输入端相连，另一端与运算放大器U2A的输出端相连；第一乘法器由乘法器U3D组成，其反相输入端与第二乘法器的输出相连，同相输入端与积分器的输出端相连；第二放大器由运算放大器U2D，电阻R13，R14和可调电阻R15组成；电阻R13的一端与第一乘法器的输出端相连，另一端与运算放大器U2D的反相输入端连接；电阻R14的一端与第四运算放大器U2D的同相输入端相连，另一端接地；可调电阻R15的一端与运算放大器U2D的反相输入端相连，另一端与第四运算放大器U2D的输出端相连；电阻R2的一端与运算放大器U2D的输出端相连，另一端与加法器的输入端相连；第四乘法器由乘法器U3B，三个电阻R16-R18，运算放大器U2B组成；乘法器U3B的反相与同相输入端均与控制单元的输出端相连；电阻R16的一端与乘法器U3B的输出端相连，另一端与运算放大器U2B的反相输入端相连；电阻R17的一端与运算放大器U2B的同相输入端相连，另一端接地；电阻R18的一端与运算放大器U2B的反相输入端相连，另一端与运算放大器U2B的输出端相连；第三乘法器由乘法器U3C组成，其反相输入端与第四乘法器的输出相连，同相输入端与积分器的输出端相连；第三放大器由运算放大器U2C，电阻R19，R20和可调电阻R21组成；电阻R19的一端与三乘法器的输出端相连，另一端与运算放大器U2C的反相输入端连接；电阻R20的一端与第四运算放大器U2D的同相输入端相连，另一端接地；可调电阻R21的一端与运算放大器U2C的反相输入端相连，另一端与第四运算放大器U2D的输出端相连；运算放大器U2C的输出端与加法器的输入端相连。
[0006]本发明的有益效果是:针对双稳系统在实际应用中存在着难以直接通过调节系统参数而实现随机共振控制的问题，本发明利用了耦合双稳系统中存在的双共振现象，设计出了基于双共振的微弱信号检测系统，传感器将采集到的待测信号输入到耦合双稳系统的被控单元中，通过信号发生模块向控制单元输入频率可调的控制信号使控制系统产生共振，耦合双稳系统中产生的双共振能大幅增强系统中随机共振，经数据采集模块采集耦合双稳系统随机共振输出进行时频分析后，可有效检测出强噪声背景下的微弱信号。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1是双共振微弱信号检测系统结构框图； 图2是稱合双稳系统结构框图；
图3是被控单元的电路图；
图4是原始故障信号时域图；
图5是原始故障信号功率谱图；
图6是仅有耦合作用时耦合系统输出功率谱图；
图7是双共振时耦合系统输出功率谱图。
【具体实施方式】
[0008]如图1所示，本发明基于双共振的微弱信号检测系统由传感器、信号发生模块、耦合双稳系统、数据采集模块组成，其中，耦合双稳系统由控制单元与被控单元相连组成，传感器与被控单元相连，信号发生模块与控制单元相连，被控单元与数据采集模块相连。待检测的含噪的弱周期信号由传感器采集后加入到耦合双稳系统的被控单元中；信号发生模块产生单一频率可调的控制信号，输入到耦合双稳系统控制单元中，改变控制信号的频率大小，使耦合双稳系统产生共振；最后，由数据采集模块采集耦合双稳系统输出的信号后进行数据处理及波形显示。
[0009]如图2所示，耦合双稳系统电路由结构相同的被控单元与控制单元耦合而成。被控单元与控制单元均由三个放大器、加法器、积分器和四个乘法器构成。加法器的输出端与积分器的输入端相连，积分器的输出端分别与第一放大器，第二乘法器和第三乘法器相连，第三乘法器与第三放大器相连，第二乘法器、第一乘法器和第二放大器依次相连，第一放大器、第二放大器和第三放大器均与加法器的输入端相连，第四乘法器与第三乘法器相连。控制单元的积分器的输出端与被控单元的第四乘法器相连，被控单元的积分器的输出端与控制单元单元的第四乘法器相连，传感器与被控单元的加法器的输入端相连，信号发生模块与控制单元的加法器的输入端相连，被控单元的积分器的输出端与数据采集模块相连。
[0010]如图3所示，被控单元中加法器包括运算放大器U1A、五个电阻R1-R5。电阻Rl的一端与传感器相连，另一端与运算放大器UlA的反相输入端相连；电阻R5的一端与运算放大器UlA的反相输入端相连，另一端与运算放大器UlA的输出端相连；电阻R4的一端与运算放大器UlA的同相输入端相连，另一端接地；
积分器包括运算放大器U1D，电阻R6，R7。电阻R6的一端与加法器的输出，即运算放大器UlA的输出端相连，另一端与运算放大器UlD的反相输入端相连；电阻R7的一端与运算放大器UlD的同相输入端相连,另一端接地；电容Cl的一端与运算放大器UlD的反相输入端相连，另一端与运算放大器UlD的输出端相连；
第一放大器由电阻R3和可调电阻R8组成。可调电阻R8固定端一端与积分器输出相连，另一固定端接地；电阻R3的一端与可调电阻R8的可调端相连，另一端与加法器输入端相连，即连接到运算放大器UlA的反相输入端。
[0011 ] 第二乘法器由乘法器U3A，三个电阻R9-R11，运算放大器U2A组成。U3A的反相与同相输入端均与积分器的输出端相连；电阻R9的一端与乘法器U3A的输出端相连,另一端与运算放大器U2A的反相输入端相连；电阻RlO的一端与运算放大器U2A的同相输入端相连，另一端接地；电阻Rll的一端与运算放大器U2A的反相输入端相连，另一端与运算放大器U2A的输出端相连。[0012]第一乘法器由乘法器U3D组成，其反相输入端与第二乘法器的输出相连，同相输入端与积分器的输出端相连。
[0013]第二放大器由运算放大器U2D，电阻R13，R14和可调电阻R15组成。电阻R13的一端与第一乘法器的输出端相连，另一端与运算放大器U2D的反相输入端连接；电阻R14的一端与第四运算放大器U2D的同相输入端相连，另一端接地；可调电阻R15的一端与运算放大器U2D的反相输入端相连，另一端与第四运算放大器U2D的输出端相连；电阻R2的一端与运算放大器U2D的输出端相连,另一端与加法器的输入端相连。
[0014]第四乘法器由乘法器U3B，三个电阻R16-R18，运算放大器U2B组成。乘法器U3B的反相与同相输入端均与控制单兀的输出端相连；电阻R16的一端与乘法器U3B的输出端相连，另一端与运算放大器U2B的反相输入端相连；电阻R17的一端与运算放大器U2B的同相输入端相连，另一端接地；电阻R18的一端与运算放大器U2B的反相输入端相连，另一端与运算放大器U2B的输出端相连。
[0015]第三乘法器由乘法器U3C组成，其反相输入端与第四乘法器的输出相连，同相输入端与积分器的输出端相连。
[0016]第三放大器由运算放大器U2C，电阻R19，R20和可调电阻R21组成。电阻R19的一端与三乘法器的输出端相连，另一端与运算放大器U2C的反相输入端连接；电阻R20的一端与第四运算放大器U2D的同相输入端相连，另一端接地；可调电阻R21的一端与运算放大器U2C的反相输入端相连，另一端与第四运算放大器U2D的输出端相连；运算放大器U2C的输出端与加法器的输入端相连。
[0017]以下结合附图并通过【具体实施方式】对本发明的技术方案做进一步说明。
[0018]本发明器件的连接方案由传感器、信号发生模块、耦合双稳系统、数据采集模块等四部分串联而成。其中，耦合双稳系统的硬件电路实现是本微弱信号检测系统的基础。耦合双稳系统可由如下方程表示:
【权利要求】
1.一种基于双共振的微弱信号检测系统，其特征在于，它主要由传感器、信号发生模块、耦合双稳系统、数据采集模块组成，其中，耦合双稳系统由控制单元与被控单元相连组成，传感器与被控单元相连，信号发生模块与控制单元相连，被控单元与数据采集模块相连；待检测的含噪的弱周期信号由传感器采集后加入到耦合双稳系统的被控单元中；信号发生模块产生单一频率可调的控制信号，输入到耦合双稳系统控制单元中，改变控制信号的频率大小，使耦合双稳系统产生共振；最后，由数据采集模块采集耦合双稳系统输出的信号后进行数据处理及波形显示；所述耦合双稳系统电路由结构相同的被控单元与控制单元耦合而成；被控单元与控制单元均由三个放大器、加法器、积分器和四个乘法器构成；加法器的输出端与积分器的输入端相连，积分器的输出端分别与第一放大器，第二乘法器和第三乘法器相连，第三乘法器与第三放大器相连，第二乘法器、第一乘法器和第二放大器依次相连，第一放大器、第二放大器和第三放大器均与加法器的输入端相连，第四乘法器与第三乘法器相连；控制单元的积分器的输出端与被控单元的第四乘法器相连，被控单元的积分器的输出端与控制单元单元的第四乘法器相连，传感器与被控单元的加法器的输入端相连，信号发生模块与控制单元的加法器的输入端相连，被控单元的积分器的输出端与数据采集模块相连。
2.根据权利要求1所述基于双共振的微弱信号检测系统，其特征在于，所述加法器包括运算放大器U1A、五个电阻R1-R5 ;电阻Rl的一端与传感器相连，另一端与运算放大器UlA的反相输入端相连；电阻R5的一端与运算放大器UlA的反相输入端相连，另一端与运算放大器UlA的输出端相连；电阻R4的一端与运算放大器UlA的同相输入端相连，另一端接地；所述积分器包括运算放大器U1D，电阻R6，R7 ;电阻R6的一端与加法器的输出，即运算放大器UlA的输出端相连，另一端与运算放大器UlD的反相输入端相连；电阻R7的一端与运算放大器UlD的同相输入端相连，另一端接地；电容Cl的一端与运算放大器UlD的反相输入端相连，另一端与运算放大器UlD的输出端相连；第一放大器由电阻R3和可调电阻R8组成；可调电阻R8固定端一端与积分器输出相连，另一固定端接地；电阻R3的一端与可调电阻R8的可调端相连，另一端与加法器输入端相连，即连接到运算放大器UlA的反相输入端；第二乘法器由乘法器U3A，三个电阻R9-R11，运算放大器U2A组成；U3A的反相与同相输入端均与积分器的输出端相连；电阻R9的一端与乘法器U3A的输出端相连,另一端与运算放大器U2A的反相输入端相连；电阻RlO的一端与运算放大器U2A的同相输入端相连，另一端接地；电阻Rll的一端与运算放大器U2A的反相输入端相连，另一端与运算放大器U2A的输出端相连；第一乘法器由乘法器U3D组成，其反相输入端与第二乘法器的输出相连，同相输入端与积分器的输出端相连；第二放大器由运算放大器U2D，电阻R13，R14和可调电阻R15组成；电阻R13的一端与第一乘法器的输出端相连,另一端与运算放大器U2D的反相输入端连接；电阻R14的一端与第四运算放大器U2D的同相输入端相连，另一端接地；可调电阻R15的一端与运算放大器U2D的反相输入端相连，另一端与第四运算放大器U2D的输出端相连；电阻R2的一端与运算放大器U2D的输出端相连，另一端与加法器的输入端相连；第四乘法器由乘法器U3B，三个电阻R16-R18，运算放大器U2B组成；乘法器U3B的反相与同相输入端均与控制单兀的输出端相连；电阻R16的一端与乘法器U3B的输出端相连,另一端与运算放大器U2B的反相输入端相连；电阻R17的一端与运算放大器U2B的同相输入端相连，另一端接地；电阻R18的一端与运算放大器U2B的反相输入端相连，另一端与运算放大器U2B的输出端相连；第三乘法器由乘法器U3C组成，其反相输入端与第四乘法器的输出相连，同相输入端与积分器的输出端相连；第三放大器由运算放大器U2C，电阻R19，R20和可调电阻R21组成；电阻R19的一端与三乘法器的输出端相连，另一端与运算放大器U2C的反相输入端连接；电阻R20的一端与第四运算放大器U2D的同相输入端相连，另一端接地；可调电阻R21的一端与运算放大器U2C的反相输入端相连，另一端与第四运算放大器U2D的输出端相连；运算放大器U2C的输出端与加法器的输入端相连。
【文档编号】H03K19/00GK103795394SQ201410023387
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月18日 优先权日:2014年1月18日
【发明者】林敏 , 郑俊 申请人:中国计量学院