CN106500779A - 带前馈控制器的随机共振的涡街信号检测装置 - Google Patents

带前馈控制器的随机共振的涡街信号检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带前馈控制器的随机共振的涡街信号检测装置，包括涡街流量传感器、尺度变换模块、前馈控制模块、微控制器、输出显示模块以及电源模块；所述电源模块分别为尺度变换模块、前馈控制模块以及微控制器提供工作电压；所述涡街流量传感器与尺度变换模块相连，所述尺度变换模块与前馈控制模块相连，所述尺度变换模块、前馈控制模块和输出显示模块均与微控制器相连。本发明通过前馈控制模块可有效提高信号信噪比，在后续随机共振处理中，可以更有利于检测出涡街流量特征频率，使检测涡街信号更加有效。

Description

带前馈控制器的随机共振的涡街信号检测装置
技术领域
本发明涉及一种涡街信号检测系统，尤其涉及一种带前馈控制器的随机共振的涡街信号检测装置。
技术背景
随机共振是非线性系统、噪声、微弱信号三者存在下的协同现象。通常都认为噪声是一种有害干扰，确实，在有用信号检测时，噪声会对许多检测系统造成影响，导致无法正常检测。但在随机共振系统中，当噪声、信号和非线性系统达到某种协同状况下，随着噪声强度从小逐渐增大，输出的信噪比大幅增强。这一现象为随机共振检测微弱信号提供了十分有用的手段。随机共振是利用将噪声的部分能量转换为信号能量从而检测微弱信号的方法。
实际微弱信号检测有两大难点。第一，在低信噪比的条件下检测微弱信号。由于特征信号本身十分微弱同时外部噪声强度又比较大，势必会导致信号湮没在噪声中，导致难以检定；第二，信号检测的实时性与快速性。在实际工程运用中，信号采集的持续时间、信号的数据长度往往会受到制约。因此，随机共振系统的改善迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是针对现有涡街信号检测技术的不足，提供了一种带前馈控制器的随机共振的涡街信号检测装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种带前馈控制器的随机共振的涡街信号检测装置，包括涡街流量传感器、尺度变换模块、前馈控制模块、微控制器、输出显示模块以及电源模块；所述电源模块分别为尺度变换模块、前馈控制模块以及微控制器提供工作电压；所述涡街流量传感器与尺度变换模块相连，所述尺度变换模块与前馈控制模块相连，所述尺度变换模块、前馈控制模块和输出显示模块均与微控制器相连。
进一步的，所述电源模块提供+12V稳压电源、‐12V稳压电源、5V稳压电源以及3.3V稳压电源。
进一步的，所述输出显示模块选用TFTLCD液晶屏。
进一步的，所述尺度变换模块包括电阻R1、滑动变阻器R2、滑动变阻器R3、电阻R4、电阻R5、稳压二极管D1、稳压二极管D2、运放U1和运放U2；
其中，+12V稳压源分别与运放U1的正电源输入端以及运放U2的正电源输入端相连；‐12V稳压源分别与电阻R1的一端、运放U1的负电源端以及运放U2的负电源端相连；电阻R1的另一端和滑动变阻器R2的线圈一端相连，滑动变阻器R2的线圈另一端接地，滑动变阻器R2的滑动端和运放U1的正相输入端相连；运放U1的反相输入端和输出端相连；电阻R4的一端分别与滑动变阻器R3的线圈一端和运放U1的输出端相连，滑动变阻器R3的滑动端和运放U2的输出端相连；电阻R4的另一端和运放U2的反相输入端相连；电阻R5的另一端和涡街流量传感器的输出信号VIN端相连，另一端和运放U2的正相输入端相连；稳压二极管D1与稳压二极管D2反向连接，其中一个稳压二极管D2输入端和运放U的2输出端相连，稳压二极管D1输入端端接地；运放U2的输出端作为尺度控制模块的输出端，尺度控制模块的输出端与微控制器的I/O端口相连。
进一步的，所述前馈控制模块包括电阻R6、滑动变阻器R7、电阻R8、滑动变阻器R9、电阻R10、电阻R11、稳压二极管D3、稳压二极管D4、运放U3、运放U4和运放U5；
其中，+12V稳压源分别与电阻R6、运放U3的正电源输入端、运放U4的正电源输入端以及运放U5的正电源输入端相连；‐12V稳压源分别与滑动变阻器R7的线圈一端、运放U3的负电源端、运放U4的负电源端以及运放U5的负电源端相连；电阻R6的另一端和滑动变阻器R7的线圈另一端相连，滑动变阻器R7的滑动端和运放U3的正相输入端相连；运放U3的反相输入端和输出端相连；电阻R8的一端与运放U3的输出端相连，另一端和运放U4的反相输入端相连；运放U5的反相输入端和输出端相连；滑动变阻器R9的线圈一端与运放U5的反相输入端相连，滑动端分别与电阻R10的一端和运放U4的正相输入端相连；电阻R10的另一端分别与电阻R11的一端和稳压二极管D3输入端相连；稳压二极管D3与稳压二极管D4反向连接，稳压二极管D4输入端接地；电阻R11的另一端与运放U4的输出端相连，作为前馈控制模块的输出端；前馈控制模块的输出端与微控制器的I/O端口相连；尺度控制模块的输出端与运放U5的正相输入端相连。
本发明的有益效果在于：用前馈控制器有效改善信噪比，提高装置对弱涡街信号的检测能力，产生并增强随机共振效应。本发明可以使信号的随机共振效应更强烈，使检测更小流量的弱涡街信号成为可能。这为研究随机共振提供了一个优良的实验平台，并为涡街信号检测提供了更有效的检测方法。
附图说明
图1是本发明的涡街信号检测装置的结构示意图；
图2是本发明实施例的尺度变换模块电路图；
图3是本发明实施例的前馈控制模块电路图；
图4为本发明实施例中流量为15.85m3/h(大流量)涡街信号时域图；
图5为本发明实施例中流量为15.85m3/h(大流量)涡街信号频域图；
图6为本发明实施例中未加入前馈控制信号的经典双稳系统输出功率谱图；
图7为本发明实施例中加入前馈控制信号后的经典双稳系统输出功率谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明提供一种带前馈控制器的随机共振的涡街信号检测装置，包括涡街流量传感器、尺度变换模块、前馈控制模块、微控制器、输出显示模块以及电源模块；所述电源模块分别为尺度变换模块、前馈控制模块以及微控制器提供工作电压；所述涡街流量传感器与尺度变换模块相连，所述尺度变换模块与前馈控制模块相连，所述尺度变换模块、前馈控制模块和输出显示模块均与微控制器相连；所述输出显示模块选用TFTLCD液晶屏。
所述微控制器可以为ARM、FPGA和DSP等，其中为满足要求，需求较高运行速度，除个别自带较高精度ADC及较大容量的FLASH外，均需外设附加相应模块；本实施例中微控制器采用ARMCortex‐M4芯片，其具备最高可达2.4M的12位ADC，并配备168M系统时钟和1M以上的FLASH等配置，可满足本发明的实施。
所述电源模块提供+12V稳压电源、‐12V稳压电源、5V稳压电源以及3.3V稳压电源，+12V由12V电源适配器得到，‐12V由12V电源适配器配合电源转换芯片LMC7660得到，5V由电源适配器配合直流降压转换器MP2359得到，3.3V由5V稳压源配合稳压芯片AMS1117‐3.3获得，其中通过各芯片实现电压的转换，都是本领域常用的技术手段，这里不再赘述。
如图2所示，所述尺度变换模块包括电阻R1、滑动变阻器R2、滑动变阻器R3、电阻R4、电阻R5、稳压二极管D1、稳压二极管D2、运放U1和运放U2；其中，+12V稳压源分别与运放U1的正电源输入端以及运放U2的正电源输入端相连；‐12V稳压源分别与电阻R1的一端、运放U1的负电源端以及运放U2的负电源端相连；电阻R1的另一端和滑动变阻器R2的线圈一端相连，滑动变阻器R2的线圈另一端接地，滑动变阻器R2的滑动端和运放U1的正相输入端相连；运放U1的反相输入端和输出端相连；电阻R4的一端分别与滑动变阻器R3的线圈一端和运放U1的输出端相连，滑动变阻器R3的滑动端和运放U2的输出端相连；电阻R4的另一端和运放U2的反相输入端相连；电阻R5的另一端和涡街流量传感器的输出信号VIN端相连，另一端和运放U2的正相输入端相连；稳压二极管D1与稳压二极管D2反向连接，其一个稳压二极管D2输入端和运放U的2输出端相连，稳压二极管D1输入端端接地；运放U2的输出端作为尺度控制模块的输出端，尺度控制模块的输出端与微控制器A/D通道的一个I/O端口相连。上述电路连接的工作原理为：电阻R1和滑动变阻器R2的串联实现分压，滑动滑动变阻器R2可改变分压电阻值，运放U1的正向输入端与输出端连接构成电压跟随器，分压后经由运放U1的电压跟随器与电阻R4一端连接，电阻R4另一端连接运放U2反向输入端，作为参考电压，电阻R5为平衡电阻，提高正向比例放大的共模抑制，滑动变阻器R3可调节放大电路的增益，最终实现尺度变换，稳压二极管使输出电压不超过3.3V实现对微处理器的保护。
如图3所示，所述前馈控制模块包括电阻R6、滑动变阻器R7、电阻R8、滑动变阻器R9、电阻R10、电阻R11、稳压二极管D3、稳压二极管D4、运放U3、运放U4和运放U5；其中，+12V稳压源分别与电阻R6、运放U3的正电源输入端、运放U4的正电源输入端以及运放U5的正电源输入端相连；‐12V稳压源分别与滑动变阻器R7的线圈一端、运放U3的负电源端、运放U4的负电源端以及运放U5的负电源端相连；电阻R6的另一端和滑动变阻器R7的线圈另一端相连，滑动变阻器R7的滑动端和运放U3的正相输入端相连；运放U3的反相输入端和输出端相连；电阻R8的一端与运放U3的输出端相连，另一端和运放U4的反相输入端相连；运放U5的反相输入端和输出端相连；电阻R9的一端与运放U5的反相输入端相连，另一端分别与电阻R10的一端和运放U4的正相输入端相连；电阻R10的另一端分别与电阻R11的一端和稳压二极管D3输入端相连；稳压二极管D3与稳压二极管D4反向连接，稳压二极管D4输入端接地；电阻R11的另一端与运放U4的输出端相连，作为前馈控制模块的输出端；前馈控制模块的输出端与微控制器A/D通道的另一个I/O端口相连；尺度控制模块的输出端与运放U5的正相输入端相连；上述电路连接的工作原理为：运放U5的正向输入端与输出端连接构成电压跟随器，运放U5构成的电压跟随器传递信号的同时，抑制后续处理对前电路的影响，电阻R6和滑动变阻器R7的串联实现分压，滑动滑动变阻器R7可改变分压电阻值，分压后经由运放U3的电压跟随器与电阻R8一端连接，电阻R8另一端连接运放U4反向输入端，影响后续滞回比较器的阈值电压，滑动变阻器R9、电阻R10和电阻R11连接的连接方式构成滞回比较器，将信号二值化处理，从而完成前馈控制，获得类方波前馈信号，稳压二极管使输出电压不超过3.3V实现对微处理器的保护。
本发明的工作原理如下：涡街流量传感器开始采集涡街信号，涡街流量传感器接收到信号之后，输入尺度变换模块，尺度变换模块由电压跟随器(运放U1)、同相比例放大电路(运放U2)和保护电路(稳压二极管D1、D2)组成，调节电阻R2和电阻R3两个滑动变阻器可使信号集中在0～3.3V，并由ARMCortex‐M4芯片A/D的一个通道(PA0)读取；继续将此信号输入前馈控制模块，前馈控制模块由电压跟随器(运放U5)、同相滞回比较器电路(运放U4)、滞回比较器阈值回差控制电路(运放U3)和保护电路(稳压二极管D3、D4)组成，使尺度变化后的信号二值化，得到类方波前馈信号，并由ARMCortex‐M4芯片A/D的另一个通道(PA1)读取。
读取信号后，通过微控制器利用现有的噪声强度检测公式计算尺度变换模块得到的信号，通过计算结果设置前馈控制模块得到的信号的强度，然后微控制器将处理后的前馈控制模块得到的信号叠加至尺度变换模块得到的信号，叠加后利用微控制器上加载的现有的经典双稳系统，最终由显示模块显示输出信号频域图和输出信号功率谱图。根据显示模块的显示结果调节前馈控制模块的参数，直到得到可以反映真实的功率谱图，并从其对应的功率谱图中检测出涡街信号。
实施例：
使用本使用新型检测流速为15.85m3/h的涡街流量，设定ARMCortex‐M4的A/D采样频率为fs＝5000Hz，检测信号的理论特征频率为f0理论＝40.40Hz，图4和图5分别为经尺度变换模块后的原始涡街信号的时域图和频域图，此处已返还尺度变换模块中加入的基准电压，可以发现信号淹没在噪声之中，无法有效识别。在微控制器上加载现有的经典双稳系统，这里设定经典双稳系统的参数a＝1,b＝2。将此原信号输入经典双稳系统后得到的结果如图6所示。之后，将前馈控制模块得到的信号加以处理，先返还前馈控制模块加入的基准电压，然后微控制器根据原信号进行强度检测，得到类方波信号幅值C＝0.67。之后将类方波信号作为前馈控制信号与尺度压缩后的信号一同输入经典双稳系统，得到的结果如图7所示。对比图6和图7可以发现，涡街信号频率f0＝40.68Hz(基本符合理论值)，且随机共振效应高了接近一倍。可见，类方波信号作为前馈控制信号与经典双稳系统的结合，使得随机共振微弱信号的检测更准确。

Claims (5)

1.一种带前馈控制器的随机共振的涡街信号检测装置，其特征在于：包括涡街流量传感器、尺度变换模块、前馈控制模块、微控制器、输出显示模块以及电源模块等；所述电源模块分别为尺度变换模块、前馈控制模块以及微控制器提供工作电压；所述涡街流量传感器与尺度变换模块相连，所述尺度变换模块与前馈控制模块相连，所述尺度变换模块、前馈控制模块和输出显示模块均与微控制器相连。
2.根据权利要求1所述的带前馈控制器的随机共振的涡街信号检测装置，其特征在于，所述电源模块提供+12V稳压电源、‐12V稳压电源、5V稳压电源以及3.3V稳压电源。
3.根据权利要求1所述的带前馈控制器的随机共振的涡街信号检测装置，其特征在于，所述输出显示模块选用TFTLCD液晶屏。
4.根据权利要求2所述的带前馈控制器的随机共振的涡街信号检测装置，其特征在于，所述尺度变换模块包括电阻R1、滑动变阻器R2、滑动变阻器R3、电阻R4、电阻R5、稳压二极管D1、稳压二极管D2、运放U1和运放U2；
其中，+12V稳压源分别与运放U1的正电源输入端以及运放U2的正电源输入端相连；‐12V稳压源分别与电阻R1的一端、运放U1的负电源端以及运放U2的负电源端相连；电阻R1的另一端和滑动变阻器R2的线圈一端相连，滑动变阻器R2的线圈另一端接地，滑动变阻器R2的滑动端和运放U1的正相输入端相连；运放U1的反相输入端和输出端相连；电阻R4的一端分别与滑动变阻器R3的线圈一端和运放U1的输出端相连，滑动变阻器R3的滑动端和运放U2的输出端相连；电阻R4的另一端和运放U2的反相输入端相连；电阻R5的另一端和涡街流量传感器的输出信号VIN端相连，另一端和运放U2的正相输入端相连；稳压二极管D1与稳压二极管D2反向连接，其中一个稳压二极管D2输入端和运放U的2输出端相连，稳压二极管D1输入端端接地；运放U2的输出端作为尺度控制模块的输出端，尺度控制模块的输出端与微控制器的I/O端口相连。
5.根据权利要求4所述的带前馈控制器的随机共振的涡街信号检测装置，其特征在于，所述前馈控制模块包括电阻R6、滑动变阻器R7、电阻R8、滑动变阻器R9、电阻R10、电阻R11、稳压二极管D3、稳压二极管D4、运放U3、运放U4和运放U5；
其中，+12V稳压源分别与电阻R6、运放U3的正电源输入端、运放U4的正电源输入端以及运放U5的正电源输入端相连；‐12V稳压源分别与滑动变阻器R7的线圈一端、运放U3的负电源端、运放U4的负电源端以及运放U5的负电源端相连；电阻R6的另一端和滑动变阻器R7的线圈另一端相连，滑动变阻器R7的滑动端和运放U3的正相输入端相连；运放U3的反相输入端和输出端相连；电阻R8的一端与运放U3的输出端相连，另一端和运放U4的反相输入端相连；运放U5的反相输入端和输出端相连；滑动变阻器R9的线圈一端与运放U5的反相输入端相连，滑动端分别与电阻R10的一端和运放U4的正相输入端相连；电阻R10的另一端分别与电阻R11的一端和稳压二极管D3输入端相连；稳压二极管D3与稳压二极管D4反向连接，稳压二极管D4输入端接地；电阻R11的另一端与运放U4的输出端相连，作为前馈控制模块的输出端；前馈控制模块的输出端与微控制器的I/O端口相连；尺度控制模块的输出端与运放U5的正相输入端相连。
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