CN118103676A - 用于改进传感器数据的信号质量的计算机实现的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于改进第一传感器数据(SD1)的信号质量的计算机实现的方法，其中第一传感器数据(SD1)由在环境上耦合到第一技术设备(D1)的第一传感装置(SM1)捕获，并且至少一个第二传感器数据(SD2、SD3)由至少一个第二传感装置(SM2、SM3)捕获，其中所述至少一个第二传感装置(SM2、SM3)与第一技术设备(D1)在环境上解耦，并且相关性函数由具有存储器的处理器(CPU)使用第一传感器数据和至少一个第二传感器数据(SD1‑SD3)来计算以估计背景噪声(BN)，所述处理器(CPU)与第一传感装置和至少一个第二传感装置(SM1‑SM3)连接，第一传感装置和至少一个第二传感装置(SM1‑SM3)同时暴露于背景噪声(BN)，并且所述相关性函数用于降低第一传感器数据(SD1)的背景噪声(BN)。
Description
本发明涉及一种用于改进第一传感器数据的信号质量的计算机实现的方法，其中第一传感器数据由在环境上耦合到第一技术设备的第一传感装置捕获，并且至少一个第二传感器数据由至少一个第二传感装置捕获。
如低电压电机(motor)之类的若干种设备被用在工业环境中，例如被用在生产线处、用于制造机器的驱动装置、或运输设备或运输载具中。
低电压电机是不暴露任何关于其操作的信息的机电机器。
因此，常常需要安装外部传感器来跟踪电机状况，如用于低电压电机诊断的传感器西门子SIMOTICS CONNECT 400(SC 400)和SIDRIVE IQ Fleet。
针对低电压应用而构建的这种传感器(如SC400)的测量常常会受到环境中的其他设备或环境本身所生成的振动、温度和磁场的负面影响。
不正确的测量可能造成错误警报，破坏数据，并且使数据对于电机诊断和机器学习算法不可靠。
这种传感器不具有使用其他传感器的数据以便消除环境干扰的能力。
此外，取决于所应用的测量方法，低信噪比可能由于低信号水平和高背景噪声水平而不利地影响所捕获的测量结果。
在现有技术中，统计方法目前被用于例如云应用中以消除噪声并校正失真。
然而，这种方法可能导致损失测量准确度，这可能具有不期望的负面后果：
首先，该系统可能造成错误警报，例如当车间内的其他机器可能导致高于正常值的电机振动时；
其次，该系统可能由于环境状况的抑制效应而错过异常现象(anomaly)，例如非常低的环境温度可能抑制电机的温度。
本发明的目的是以简单的方式来改进被环境噪声扰动的传感器数据的信号质量。
本发明的问题通过根据本发明的方法来解决，其中至少一个第二传感装置与第一技术设备在环境上解耦，并且相关性函数由具有存储器的处理器使用第一传感器数据和至少一个第二传感器数据来计算以估计背景噪声，该处理器与第一传感装置和至少一个第二传感装置连接，第一传感装置和至少一个第二传感装置同时暴露于该背景噪声，并且相关性函数用于降低第一传感器数据的背景噪声。
除了电机上的传感器之外，还可以使用外部传感器来消除噪声并校正由环境生成的失真。
整体环境噪声(即背景噪声)——第一技术设备和至少一个第二技术设备同时暴露于该整体环境噪声——可以由第一传感装置和至少一个第二传感装置来捕获，并且被进一步处理以移除背景噪声。
整体环境影响同时适用于所有传感装置。
技术设备之间的环境上的解耦涉及从一个技术设备到另一个技术设备直接引起的耦合，即一个技术设备是噪声传送器，并且另一个技术设备是接收器，并且解耦的技术设备理想情况下不向其他设备传输任何内容。
然而，背景噪声是由独立的噪声源生成的，这些独立的噪声源不是技术设备本身，并且所有技术设备都暴露于背景噪声，但是不一定以相同的程度暴露于背景噪声。
第一技术设备和至少一个第二技术设备是独立的且解耦的设备。相应的传感器装置独立地捕获运行排放，但是同时被背景噪声所扰动，如之前所解释的。
利用所提出的解决方案，代替于某些假设，可以在附加传感器的帮助下直接测量由环境影响引发的背景噪声。
由电机传感器测量的数据将利用来自外部传感器的数据来校正。
与所应用的当前算法相比，软件可以容易地且有效地对应用中的数据应用影响移除算法，而没有任何错误警报。
在本发明的情境中，在环境上耦合意味着两个或更多个传感器参数数据之间通过物理因子的相互关系(interrelation)，该物理因子如机械力或动量、时间相关行为(如振动)以及温度或压强等等。
在本发明的情境中，在环境上解耦意味着两个或更多个传感器参数或数据之间通过物理因子(如刚刚在前面定义的耦合的传感器参数之间那样)的低得多的相互关系。
传感器数据之间的解耦可以通过两个传感器参数之间至少10倍、优选地100倍、并且更优选地1000倍或10000倍的信号比来实现。
在本发明的进一步发展中，至少一个第二传感装置在环境上耦合到至少一个第二技术设备。
因此，第二传感器装置可以用于捕获来自第二设备的传感器数据以及捕获背景噪声数据，以用于进一步计算与第一传感器装置相关的背景噪声数据。
因此，可以实现第二传感器装置的双重用途，这完全改进了系统效率并降低了系统复杂性和相关成本。
换句话说，至少一个第二传感装置在环境上耦合到至少一个第二技术设备，并且同时与第一技术设备在环境上解耦。
因此，至少一个第二传感装置用于彼此独立地捕获第一技术设备和至少一个第二技术设备所暴露于的整体环境或背景噪声，因为它们被安装在不同的、在环境上(例如在机械上)解耦的技术设备上。
在本发明的进一步发展中，至少一个第二传感装置远离(apart from)第一技术设备和至少一个第二技术设备固定安装。
因此，可以改进与专用设备单独地产生的噪声相关的总体背景噪声的隔离。设备的传感器数据与总体噪声之间的分离可以以更简单的方式执行，这允许在例如边缘设备处使用具有更简单架构的更廉价的处理器。
在本发明的进一步发展中，在环境上的耦合受到机械因子、特别是振动、受到环境因子、特别是温度或压强、和/或受到电气因子、特别是电场或磁场的影响。
机械因子可以是例如振动，其同时影响第一传感器装置和至少第二传感器装置两者。
环境因子可以是例如温度或压强，其同时影响第一传感器装置和至少第二传感器装置两者。
电气因子可以是例如静态或动态磁场或电场，其同时影响第一传感器装置和至少第二传感器装置两者。
这种因子可以由传感器装置通过相关的物理被测量(measurand)(如振动或温度或磁场强度的量值)直接或间接地感测。
本发明的问题通过一种用于第一传感器数据的信号质量改进的系统来解决，该系统包括被配置成捕获第一传感器数据的第一传感器装置、被配置成捕获至少一个第二传感器数据的至少一个第二传感器装置、以及具有存储器的处理器，该处理器与第一传感装置和至少一个第二传感装置连接并且被配置成接收第一传感器数据和至少一个第二传感器数据，其中第一传感装置在环境上耦合到第一技术设备，其中至少一个第二传感装置与第一技术设备在环境上解耦，并且第一传感装置和至少一个第二传感装置以如下方式配置，使得它们同时暴露于背景噪声，并且该处理器被配置成使用第一传感器数据和至少一个第二传感器数据来计算相关性函数以估计背景噪声，并且该系统被配置成实行根据本发明的方法，其中相关性函数用于降低与第一传感器数据相关的背景噪声。
在本发明的进一步发展中，至少一个第二传感装置远离第一技术设备和至少一个第二技术设备固定安装。
这允许该处理器容易确定与第一传感器数据相关的背景噪声，这是由于与另一个技术设备、即至少一个第二技术设备造成的影响解耦，该另一个技术设备可能常常生成自身的噪声，该噪声负面地影响总体背景噪声。
这种解决方案通过提供用于该处理器的简单架构的简单边缘设备而是优选的。
在本发明的进一步发展中，至少一个第二传感装置在环境上耦合到至少一个第二技术设备。
因此，不一定包括附加的第二传感器，并且可以共同使用另外的技术设备的传感器，这降低了系统复杂性。
此外，当考虑至少一个第二传感装置时，也被至少一个第二传感装置本身所影响的背景噪声可以以区分性(differentiating)的方式被分析，即由于与至少一个第二设备的直接耦合，可以更好地区分至少一个第二传感装置的噪声。
在本发明的进一步发展中，至少一个第二传感装置出于直接通信目的耦合到第一传感装置。
在本发明的情境中，直接通信目的意味着例如对等通信。
直接通信允许捕获例如在第一传感器装置和第二传感器装置的无线覆盖内部的传感器装置数据。
在支持这种数据传输的情况下，传感器装置被配备有提供双向通信的通信无线电装置，该双向通信例如通过5G蜂窝网络、本地蓝牙网络或本地Wi-Fi网络等等来实现。
由所述无线电装置定义的单个网络元件可以将传感器数据转发给处理器。
基本上，处理器可以可选地在设备内实现，该设备本身并入了传感装置。
因此，可以获得网状传感器网络，并且可以简化用于从专用传感器装置到处理器的传感器数据传输的网络。
在示例性实施例中结合附图详细描述了本发明。
该图示出了根据本发明的用于第一传感器数据SD1的信号质量改进的系统S。
系统S包括被配置成捕获第一传感器数据SD1的第一传感器装置SM1。
此外，系统S包括被配置成捕获相应的第二传感器数据SD2、SD3的两个第二传感器装置SM2、SM3。
此外，系统S包括具有存储器的处理器CPU，该处理器CPU与第一传感装置和两个第二传感装置SM1-SM3连接，并且被配置成接收第一传感器数据和两个第二传感器数据SD1-SD3。
第二传感装置SM2、SM3出于直接通信目的可选地可以例如通过无线网状网络耦合到第一传感装置SM1。
第一传感装置SM1在环境上耦合到第一技术设备D1。
两个第二传感装置SM2、SM3分别与第一技术设备D1在环境上解耦。
第一传感装置和两个第二传感装置SM1-SM3以如下方式配置，使得它们同时暴露于背景噪声BN。
可以预见附加的传感器来测量例如温度、磁场、振动或声音信号。
这种传感器可以放置在电机D1-D3附近。
传感装置SM1-SM3可以由西门子传感器型号SC400来实现，该传感器具有内置无线和蓝牙模块以与外部传感器进行通信。
将电机与外部因子隔离的其他解决方案大部分是昂贵的，并且常常需要额外的装备。
可以在墙壁处安装附加的传感器以改进无线范围。
设备D1可以安装在适当的位置中，从而以可靠的方式感知环境。
处理器CPU被配置成使用第一传感器数据以及两个第二传感器数据中的一个或两个SD1-SD3来计算相关性函数以估计背景噪声BN。
系统S被配置成实行根据本发明的方法，其中相关性函数用于降低与第一传感器数据SD1相关的背景噪声BN。
第二传感装置SM2、SM3在环境上耦合到相应的技术设备D2、D3。
清楚的是，另外的未示出的部件对于电驱动器内的定子的操作是必要的，例如安装部件、与电源的电连接以及电子控制组件。
为了更好地理解起见，这些部件未被图示和描述。
本发明不限于本文详细描述的特定实施例，而是涵盖落入所附权利要求的框架内的所有变型、组合和修改。
参考数字列表：
BN 背景噪声
CPU 处理单元
D1-D3 技术设备，例如电机
S 系统
SD1-SD3 传感器数据
SM1-SM3 传感装置
Claims (8)
1.一种用于改进第一传感器数据(SD1)的信号质量的计算机实现的方法，其中第一传感器数据(SD1)由在环境上耦合到第一技术设备(D1)的第一传感装置(SM1)捕获，并且至少一个第二传感器数据(SD2、SD3)由至少一个第二传感装置(SM2、SM3)捕获，
其特征在于，所述至少一个第二传感装置(SM2、SM3)与第一技术设备(D1)在环境上解耦，并且相关性函数由具有存储器的处理器(CPU)使用第一传感器数据和至少一个第二传感器数据(SD1-SD3)来计算以估计背景噪声(BN)，所述处理器(CPU)与第一传感装置和至少一个第二传感装置(SM1-SM3)连接，第一传感装置和至少一个第二传感装置(SM1-SM3)同时暴露于背景噪声(BN)，并且所述相关性函数用于降低第一传感器数据(SD1)的背景噪声(BN)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个第二传感装置(SM2、SM3)在环境上耦合到至少一个第二技术设备(D2、D3)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个第二传感装置(SM2、SM3)远离第一技术设备和至少一个第二技术设备(D1-D3)固定安装。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中在环境上的耦合受到机械因子、特别是振动、受到环境因子、特别是温度或压强、和/或受到电气因子、特别是电场或磁场的影响。
5.一种用于第一传感器数据(SD1)的信号质量改进的系统(S)，包括被配置成捕获第一传感器数据(SD1)的第一传感器装置(SM1)、被配置成捕获至少一个第二传感器数据(SD2、SD3)的至少一个第二传感器装置(SM2、SM3)、以及具有存储器的处理器(CPU)，所述处理器(CPU)与第一传感装置和至少一个第二传感装置(SM1-SM3)连接并且被配置成接收第一传感器数据和至少一个第二传感器数据(SD1-SD3)，其中第一传感装置(SM1)在环境上耦合到第一技术设备(D1)，
其特征在于，所述至少一个第二传感装置(SM2、SM3)与第一技术设备(D1)在环境上解耦，并且第一传感装置和至少一个第二传感装置(SM1-SM3)以如下方式配置，使得它们同时暴露于背景噪声(BN)，并且所述处理器(CPU)被配置成使用第一传感器数据和至少一个第二传感器数据(SD1-SD3)来计算相关性函数以估计背景噪声(BN)，并且所述系统(S)被配置成实行根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中所述相关性函数用于降低与第一传感器数据(SD1)相关的背景噪声(BN)。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述至少一个第二传感装置(SM2、SM3)在环境上耦合到至少一个第二技术设备(D2)。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述至少一个第二传感装置(SM2、SM3)远离第一技术设备和至少一个第二技术设备(D1-D3)固定安装。
8.根据权利要求5至7中至少一项所述的系统，其中所述至少一个第二传感装置(SM2、SM3)出于直接通信目的耦合到第一传感装置(SM1)。
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