专利名称：频率检波系统装置和方法
技术领域：
本发明总体上涉及频率检波系统，具体地说，涉及频率检波系统装置和方法，所述频率检波系统利用范德堡(Van der Pol)振荡器来对有噪信号进行检波，以便提取或恢复隐藏或埋藏在噪声中的信号频率，供监视、保护、和/或管理应用设备，包括机械、工艺过程和工具的各种组合。
背景技术：
在信号处理过程中，信号及其有用频率通常是用其傅立叶变换主分量来衡量的。众所周知，在很多场合下，特定的有用频率可能不是整个频率范围内的傅立叶主分量，但仍然在某频带内具有最大的幅度。这样，获取主要频率的典型方法是将信号滤波，使之进入环绕有用频率的某个频带，使得有用频率在所述频谱内成为唯一的、至少是主要的成分。在这种情况下，相应的谱峰及其频率是容易检测到的。这样，在很多情况下，在开始的时候可以选择足够小的频带，以便把有用频率与所选频带内的主分量联系起来。
如果在从信号过滤出来并围绕有用频率的所述频带内没有噪声或者噪声很小的话，则所述方法的效果是不错的。
然而，有些情况下，如果噪声大到这样的程度，甚至在最接近有用信号之处，噪声的强度比信号本身还要大的话，所述方法就有问题了。换句话说，即使选择频谱中靠近有用信号的最小距离，有用信号还是被完全”掩埋”在噪声之下，使得所有的谱峰都是噪声谱峰，而不是有用信号谱峰。从而，在这种情况下，有用信号与噪声相比是如此之小，以致于采集主分量将不会产生有用频率，而只会产生随机结果。
因此，需要从有噪信号中获取有用信号，所述有噪信号的噪声大到这样的程度，甚至在最接近有用信号的附近，噪声比信号本身的强度还要大。换句话说，需要从其中谱峰是噪声谱峰而不是有用信号谱峰的有噪信号中提取被完全”掩埋”在噪声之下的有用信号。而且，客观上也需要解决获取”掩埋”在噪声之下的有用信号而不是只能得到随机结果的问题，以便能够监视、保护和/或管理应用设备，包括机械、工艺过程和/或工具设备的各种组合。
发明内容
本发明在许多方面不同于已知的先有技术。一方面，本发明的一个实施例提供一种从有噪信号中获取有用信号的系统，所述有噪信号中的噪声如此之大，以致于在最接近有用信号附近，噪声强度比有用信号本身的强度还要大。因此，本发明的实施例提供从其中谱峰是噪声谱峰而不是有用信号谱峰的有噪信号中提取完全”掩埋”在噪声之下的有用信号的系统。因而，在一个方面，本发明的实施例提供的系统解决了获取”掩埋”在噪声之下的有用信号而不是得到随机结果的问题，从而可供监视、保护和/或管理应用设备，包括机械、工艺过程和工具的各种组合。
在本发明的一个实施例中，用于处理应用设备信号的频率检波系统包括1)用于产生来自应用设备的复合信号的装置，所述复合信号包括噪声信号和具有对应的有用频率的有用信号，其中，所述复合信号包括第一频谱，所述第一频谱的所有最大谱峰对应于噪声，使得有用频率下的有用信号被掩埋在噪声信号之下；2)工作时连接到信号发生器并且包括可选参数的范德堡振荡器，用于接收复合信号并且将它检波成为检波信号，使得噪声信号被削弱并且所述检波信号包括第二频谱，所述第二频谱的最大谱峰对应于有用信号，而其它所有谱峰较小；3)提取装置，它工作时连接到范德堡振荡器，用于从检波信号中提取有用频率；以及4)决策支持装置，它工作时连接到提取装置，用于随所提取的有用频率而变地作出决策，并根据所述决策提出建议，供监视、保护和/或管理应用设备之用。
在本发明的另一个实施例，用于处理应用设备信号的频率检波系统包括1)用于从应用设备产生信号的装置。所述信号包括具有对应的有用频率的有用信号，并且还包括在有用频率处其幅度大于有用信号幅度的噪声信号，其中有用信号被隐藏在噪声信号之下；2)范德堡振荡器装置，它工作时连接到信号产生装置，用于对所述信号进行检波，使得在有用频率处噪声信号的幅度小于有用信号的幅度；3)用于从检波信号中提取有用频率的装置；以及4)决策支持系统，它工作时连接到提取装置，用于随所提取的有用频率而变地作出决策并且用于根据所作决策向应用设备提供建议，用于监视、保护和/或管理应用设备，如机械、工艺过程和/或工具应用设备等。
在本发明的另一个实施例中，用于处理应用设备信号的频率检波方法包括以下步骤对具有输入端和输出端的范德堡振荡器进行计算机建模；这样选择范德堡振荡器模型的参数，使得范德堡振荡器模型的自然频率逼近有用信号的有用频率；将复合信号加到范德堡振荡器的输入端，其中复合信号包括噪声信号和具有对应的有用频的有用信号，并且其中所述复合信号包含第一频谱，所述第一频谱的所有最高谱峰对应于噪声信号，使得处于有用频率处的有用信号被隐藏在噪声信号之下；利用范德堡振荡器模型对所述复合信号进行检波，以便提供检波输出信号，其中噪声信号被削弱并且检波输出信号包括第二频谱，所述第二频谱的最高谱峰对应于有用信号并且其它所有谱峰都较小；将检波输出信号变换到它的频谱；通过确定变换后的检波输出信号的最大谱峰所对应的频率来确定所述有用频率；随所提取的有用频率而定地作出决策；以及根据决策步骤的结果提出建议。
此外，经过概述本发明之后，应该明白的是，大量的修改和适应性变化都可以纳入本发明而不会离开本发明的范畴，后面的权利要求书将表达本发明的清晰含义。
图1是用于恢复被隐藏或埋藏在噪声之下的信号的频率检波系统的功能框图。
图2是进一步详述用于恢复被隐藏或埋藏在噪声之下的信号的频率检波系统的功能框图。
图3是进一步详述用于恢复被隐藏或埋藏在噪声之下的信号的频率检波系统的决策支持模块的功能框图。
图4是用于恢复被隐藏或埋藏在噪声之下的信号的频率检波系统的模型的功能框图。
图5是用于进一步详述图4所示的模型化的频率检波系统的范德堡振荡器的功能框图。
图6是时基输入谐波信号的图形表示，在所述示例中，所述时基输入谐波信号是由图4所示的模型化频率检波系统产生的有用信号。
图7是频基输入谐波信号的图形表示，在所述示例中，所述频基输入谐波信号是由图4所示的模型化频率检波系统产生的有用信号。
图8是时基输入噪声信号的图形表示，所述时基输入噪声信号是由图4所示的模型化频率检波系统产生的，并且所述时基输入噪声信号如此之大，以致于既在时域又在频域，所述输入噪声信号有把握地把所述输入谐波信号隐藏或埋藏在自身之下。
图9是频基输入噪声信号的图形表示，所述频基输入噪声信号是由图4所示的模型化频率检波系统产生的，并且所述频基输入噪声信号如此之大，以致于既在时域又在频域，所述输入噪声信号有把握地把所述输入谐波信号隐藏或埋藏在自身之下。
图10是时基检波输出信号的图形表示，所述时基检波输出信号由图4所示的用于恢复被噪声隐藏或埋藏的有用信号的模型化的频率检波系统产生。
图11是频基检波输出信号的图形表示，所述频基检波输出信号由图4所示的用于恢复被噪声隐藏或埋藏的有用信号的模型化的频率检波系统产生。
图12是以使用和操作的一个方面的形式示出的用于恢复被隐藏或埋藏在噪声之下的信号的频率检波系统的功能框图。
具体实施例方式
考虑所述各附图，在所有附图中，相同的部分均冠以相同的标号。标号10指的是频率检波系统用于处理应用设备中的噪声，以便监视、保护和/或管理各种应用设备的装置和方法，所述应用设备包括机械、工艺过程和工具的各种组合。
参阅图1，从其本质上看，本发明的实施例提供包括范德堡振荡器40的频率检波系统10，范德堡振荡器40可以是物理的/模拟的模型，也可以是计算机数字仿真模型，工作时借助于连线41与信号发生器20连接，信号发生器20输出复合信号22，所述信号的作用是使范德堡振荡器40作强迫振荡，所述信号包括隐藏或埋藏在噪声信号28之下的具有对应的有用频率26的有用信号24，而在有用频率26之下噪声信号28的幅度大于有用信号24的幅度。范德堡振荡器40接收来自信号发生器20的复合信号22，并将所接收的复合信号22检波为检波输出信号42，使得范德堡振荡器40与在有用频率26处的有用信号24在时间上同步，同时减弱噪声信号28，使得检波信号42包括在有用频率26下其幅度小于有用信号24的幅度的噪声信号44。
系统10还可以包括提取模块60，提取模块60工作时通过连线61与范德堡振荡器40相连以便接收其输出的检波信号42并从检波输出信号42中提取有用频率26，同时，诸如傅立叶(Fourier)变换模块64的变换模块62将检波输出信号42的频谱变换成不同于复合信号22的频谱，这个频谱包括对应于有用信号24的与众不同的或最大的谱峰，而其它所有的谱峰都比较小，然后通过确定变换后的检波信号42的最大谱峰的频率来确定有用频率26，以便随所提取的有用频率26的变化而例如监视、保护和/或管理应用设备16。
系统10还可以包括决策支持模块80，决策支持模块80工作时通过连线81连接到提取模块60，决策支持模块80随所述提取的有用频率26的变化而作出决策，以便监视、保护和/或管理应用设备16，而应用设备16在工作时通过连线与信号发生器20连接。
作为示例，参阅图1和图2，在本发明的实施例中，信号发生器20可以是换能器18的形式(图2)，换能器18工作时通过连线19与应用设备16连接，用于产生与应用设备的状态或信息相关的复合信号22，所述复合信号被系统10变换成提取的有用频率26，所述提取的有用频率26由决策支持模块或装置80处理，作出决策和/或提出建议，以便用于例如监视、保护和/或管理机械、工艺过程，和/或工具等应用设备。
因而，在本发明的一个实施例中，系统10对包含隐藏或埋藏在噪声信号28之下的有用信号24的复合信号22进行检波，使得作为结果波形的检波输出信号42提供更大的机会来发现被埋藏的有用信号24的有用频率26。
具体地说，在输入的复合信号22中可能不存在与众不同的、与有用信号24对应的谱峰。相反，可能存在只与噪声28对应的许多谱峰。这发生在噪声很大的情况下，造成有用信号24被埋藏或者说被隐藏在噪声信号28之下。在这种情况下，对有用信号24的有用频率26的检测成为迄今为止一直没有解决的问题。
频率检波系统10识别并解决这个问题，其方法是利用具有选择的参数的范德堡振荡器40，将所施加的复合信号22检波成为检波信号42，然后将检波信号42变换成为它的频谱，所述频谱与复合信号22的频谱不同，所述频谱包括与众不同的对应于有用信号24的幅度最大的谱峰，同时其它所有幅度都较小。接下来，系统10通过确定变换后的检波信号42频谱的最大谱峰来确定有用频率26，然后，系统将所述确定的有用频率26用于监视、保护和/或管理应用设备16，后者是复合信号22的发源地。
说得更具体一点，参考图2，本发明的一个实施例提供频率检波系统10，它包括包含范德堡振荡器40的处理器或计算机50，范德堡振荡器40包括具有用户可选参数或系数48的用于获得检波输出信号或波形的范德堡振荡器数字仿真模型46，所述检波输出信号或波形包括可忽略的专用或自然频率、包括小得多的的噪声、并且通过恰当地选择范德堡振荡器的参数或系数使得所述专用或自然频率逼近有用频率而包括占支配地位的有用频率，并且可以根据经验确定或从知识数据库中获得所述检波输出信号或波形。
处理器50工作时通过连线51连接到采样/数字化电路30，后者又通过连线31连接到至少一个换能器18。换能器18工作时通过连接线19连接到应用设备16，其中，应用设备16可以是例如旋转的或往复运动的机械、诸如工业工艺流程等工艺流程、或用于测量设备的物理参数的工具，以便监视所述应用设备并将复合信号22输出到采样/数字化电路30。
所述输出的复合信号22被采样/数字化装置30接收并且包括有用信号24，所述有用信号24的对应的有用频率26隐藏或埋藏在噪声信号28之下使得在有用频率26下噪声信号的大小或幅度大于有用信号24的大小或幅度，换句话说，使得在有用频率26下有用信号24的大小或幅度小于噪声信号28的大小或幅度从而被隐藏或埋藏在噪声信号28之下。
例如模拟到数字转换器等采样/数字化电路30负责接收复合信号22并加以采样和数字化后成为数字复合信号32。一旦来自换能器18的复合信号22被采样/数字化电路30数字化为数字复合信号32，就被输送到处理器50。
处理器或处理装置50接收数字式复合信号32并随所述范德堡振荡器模型46而变地处理所述数字式复合信号32，这样选择所述范德堡振荡器模型46的用户可选参数48，使得范德堡振荡器模型46的自然频率逼近有用频率26。处理器50结合范德堡振荡器40对数字式复合信号进行处理，其方法是利用所述数字式复合信号作为具有强迫功能的信号输入到范德堡振荡器40并且将数字式复合信号32检波成为检波信号42，然后由范德堡振荡器输出，其中，范德堡振荡器40在时间上与有用频率下的有用信号同步，同时削减噪声信号，使得在有用频率下噪声的幅度小于有用信号的幅度。从理论上说，噪声信号在时间上将范德堡振荡器的频率向相反的方向推，并被范德堡振荡器清除，而有用信号具有基本上不变的并被范德堡振荡器40所同步的频率。
仍然参考图2，在本发明的一个实施例中，处理器50包括用于从检波数字信号42中提取有用频率26的提取装置60，其方法是利用变换模块或装置62将检波信号变换，在一个实施例中，所述变换模块或装置62是傅立叶变换模块或装置64，后者对检波信号42进行傅立叶变换，其结果经处理器50处理，用于评估傅立叶变换的主分量，以便恢复先前被隐藏在噪声信号之下的有用频率，并用来确定应用设备的状态。具体地说，傅立叶变换模块64将检波信号42变换成为它自己的频谱，所述频谱与复合信号22的频谱不同并且包括与众不同的最大的对应于有用信号24的谱峰，同时所有其它谱峰较小。然后处理器50通过确定经过变换后的检波信号的最大谱峰来确定有用频率26，用于随所提取的有用频率26而变地例如监视、保护和/或管理机械、工艺过程和/或工具等应用设备。
现在来看图3，在本发明的一个实施例中，处理器50还可以包括工作时连接到提取装置60的决策支持模块80，所述决策支持模块80用来确定有用频率26并且随所述提取的有用频率26而变地作出决策，以便监视、保护和/或管理应用设备。
在本发明的一个实施例中，决策支持模块80可以包括规则库82，它是规则软件包，每一个软件包包括用于监视、保护和/或管理应用设备的规则。在本发明的一个实施例中，被包含在规则库82中的一个规则软件包是频率规则库或规则包84，它包括范德堡振荡器40和提取模块60，用于确定有用频率26，以便随该有用频率26而变地监视、保护和/或管理应用设备。
例如，在使用和操作的一个方面，规则库82可以是包括频率规则库84的用于感应电动机的规则包，所述频率规则库84又包括范德堡振荡器40和提取模块60，用于处理采取例如代表感应电动机的电动机电流的电流波形的形式的复合信号22，以便以电动机主轴频率的形式确定电动机电流波形的有用频率26，所述电动机主轴频率可以和规则库86内的其它频率一起用来作出关于所述感应电动机的决策88，并可以被传送到输出装置90和/或一台或多台远程计算机100，以便尤其自动地向操作员或其他人员发布关于所述应用设备的信息，包括存在的问题，如机械问题，和/或基于对异常情况或问题的判断发出报警信号，并使用这些报警信号自动关闭应用设备如机械等。
系统10还可以包括滤波装置52，它工作时与换能器连接或作为处理器50的一部分，用于在利用范德堡振荡器40对号进行检波之前接收模拟或数字信号并相对于指定的频带对它进行滤波。此外，处理器50工作时可以通过连线91连接到物理输出装置90，如报警器、继电器等的输出端、或经数字模拟转换器92的电流输出端。更进一步，处理器50工作时可以经由连线101与一台或多台远程计算机100连接，以便在二者之间进行数据传输。
这样，在本发明的一个实施例中，系统10可以根据本发明的一个方面处理有噪换能器信号，以便监视应用设备，并且接着可以将信息输送到输出设备90和/或传送到一台或多台远程计算机100，以便自动发布关于设备的信息、问题和向操作员和其它人员提出处理建议，根据所确定的故障或问题发出报警信号，并利用这些报警信号自动关闭如机械等应用设备。
参考图1到图3，根据上面的说明，本发明的实施例包括频率检波方法，其步骤包括1)利用具有可选参数的范德堡振荡器40来检波复合信号22，所述复合信号22具有第一频谱，所述第一频谱的所有与众不同的或最大的谱峰对应于噪声，将所述复合信号22检波成为检波信号42，所述检波信号42包括第二频谱，所述第二频谱的与众不同的最大的谱峰对应于有用信号24，而所有其它谱峰则幅度较小；2)将检波信号42变换成为其频谱；3)通过确定变换后的检波信号42的频谱中最大谱峰的频率来确定有用频率26，以及4)随所述提取的有用频率26而变地作出决策和/或建议。
再者，仍然参阅图1到图3，本发明的实施例包括频率检波方法，其步骤包括1)从诸如机器等应用设备16中产生复合信号22，其中所述复合信号22包括具有对应的有用频率26的有用信号24并包括在有用频率26下其幅度大于的有用信号24的幅度的噪声信号28，其中所述有用信号24被隐藏在噪声信号28之下；2)将复合信号22采样和数字化使之成为数字复合信号32；3)对具有选择的参数的范德堡振荡器进行计算机建模，使得所述范德堡振荡器的自然频率逼近有用频率；4)随范德堡振荡器模型而变地对所述数字信号进行处理，以便将所述数字信号检波成为检波数字信号42；5)从检波信号42中提取有用频率，以及6)其中所述提取步骤可以包含对检波数字信号进行傅立叶变换，以便评估和确定所述傅立叶变换的主分量，以便恢复先前隐藏在数字噪声信号之下的有用频率，用来确定机器的信息并提供建议。
下面将描述用于进一步说明系统10(装置和方法)的示例并且所述示例不是用来限制这里所提及的并且将会在下面的权利要求中加以说明的本发明的范围。
下面的示例包括提供细节的实际实验结果，用于1)对系统10的一般性描述，以及2)利用数字信号的运作，给出一般性描述的特定示例。
首先，正如上面提到的，当输入的谐波信号被深埋在强噪声之下使得用传统的方法恢复噪声下的信号成为问题时，频率检波系统10是特别有用的。在这种情况下，在本发明的实施例中，频率检波系统10提供恢复所述输入的谐波信号及其频率的功能，所述频率检波系统10包括具用户可选参数48的范德堡振荡器40，这样选择所述参数，使得范德堡振荡器40的自然频率接近有用频率26；用于将所述输入信号插入到范德堡振荡器40的装置；以及用于提取在范德堡振荡器40中循环的信号的装置，当这样选择范德堡振荡器的参数，使得范德堡振荡器40的自然频率接近有用频率26时，所述信号携带较大的有用频率分量。
在本发明的一个实施例中，系统10的范德堡振荡器40可以用如下数学模型描述M*d(du/dt)dt-D*(0.25*A*A-u*u)*du/dt+K*u＝0其中u是变量；t是时间；M是质量；D是阻尼；A是振荡幅度参数；而K是硬度。众所周知，范德堡振荡器是自激振荡器。这就是说，它在无任何外部输入的情况下产生振荡变量u，振荡变量u的振荡幅度和频率相应地受到参数A和K/M的平方根的控制。
系统10采用复合信号22或输入信号作为强制功能输入信号输入到范德堡振荡器，产生如下的数学描述M*d(du/dt)dt-D*(0.25*A*A-u*u)*du/dt+K*u＝输入信号范德堡振荡器中的变量u的数学含义如前所述，它作为用来提取在范德堡振荡器40中循环的信号的输出信号，当这样选择范德堡振荡器40的参数使得范德堡振荡器的自然频率接近有用频率26的时候，所述输出信号携带有用频率的较大分量。当强制功能输入信号-复合信号22被加到范德堡振荡器的时候，所述输出信号被检波成为包括这样的分量的信号，所述分量带有经过适当选择参数并且具有强制功能输入信号的频率。
为了使系统10正常工作，应该这样控制范德堡振荡器参数46，使得(1)参数A具有与输入信号一样数量级的幅度，以及(2)K/M的平方根合理地接近将被检波的谐波信号的频率。
作为总体说明的一个特定例子，利用借助数字信号的操作，具体操作是利用在MATLAB程序组(6.5.018091 3a版本，release 13)的SIMULINK(动态系统仿真软件MATLAB 5.0 R13版)环境下建模的范德堡振荡器进行的。在这个具体案例中，范德堡振荡器用如下参数建模M＝1，D＝1，A＝1，K＝1。选取上述范德堡振荡器参数，使得不受扰动的振荡器产生的振荡具有1弧度/秒的频率。选取输入谐波信号的幅度为1，而频率为0.95弧度/秒。选用白噪声，以便确保无论在时域或频域都可以将输入谐波信号隐藏起来这样做可以证明系统10在常规工具不能恢复信号的情况下能够有效地工作。
图4是功能框图，它代表在三个实验中使用的用于利用MATLAB建模的系统10的精确的SIMULINK软件，以便说明系统10是如何工作的并且是用来产生图6到图11的图形表示的模型。图5进一步详述图4所示的范德堡振荡器模型。
首先，请应当指出，图6到图11，纵轴是没有单位的；它们显示SIMULINK/MATLAB内部的无量纲的单位。对于时基的波形曲线，横轴显示以秒量度的时间。对于所有频基波形曲线(亦称作频谱)，横轴显示以弧度/秒量度的频率。
模型化系统110包括如下所示相互连接的部件产生零信号的恒量块112和产生幅度为1的随机噪声信号的带限白噪声块114，二者工作时分别通过开关输入端118和120连接到第一开关116。第一开关116工作时通过开关输出端117与噪声电平放大器122相连。噪声电平放大器122将噪声信号放大2倍，而根据第一开关116的位置，所述块的输出或者是零或者是放大后的随机噪声123。放大后的随机噪声123是噪声信号28的实例。模型化系统110还包括数字时钟块126，它产生时间变量。频率放大器128通过连线127连接到时钟块126，将时间变量放大0.95倍，得出0.95*时间变量。而三角函数块130通过连接线129连接到频率放大器128产生sin(0.95*时间)变量。这样，所述块的输出就是正弦信号131，其幅度为1，其有用频率等于0.95弧度/秒，其中频率检波系统10即模型化系统110的目标是帮助检测0.95弧度/秒这个特定频率。求和块134通过连接线133、135分别连接到噪声电平放大器122和三角函数块130。所述求和块或者是独自的纯正弦信号或者是与双倍幅度的随机噪声混合，这取决于第一开关116的位置。具有输入端137、138的第二开关136在工作时通过连接线113、139分别连接到恒量块112和求和块134的输出端。接下来，范德堡振荡器块140经由连接线141连接到第二开关136的输出端并且包括范德堡振荡器40，后者包括具有可选参数48的计算机模型46。三个显示装置124、132和145分别显示噪声信号123、纯谐波信号131和检波信号143。
图5是更为详细地表示范德堡振荡器模型140的功能框图，以及将图4使用的范德堡振荡器40建模为闭合环路(用上述Van der Pol方程代表)，增加了输入端141和输出端143，还包含下述所示的连接部件两个积分块144、146；三个放大器硬度放大器148、1/质量放大器150和阻尼放大器152，它们分别以K＝1，-1，和1对信号进行放大；功能块154，它将信号提升到二次幂然后从中减去1/4(因为A＝1)；求积块156；以及两个求和块158、160。
现在来看图4和图5，三个实验表示了系统10是如何工作的在第一个实验，范德堡振荡器模型140通过开关136与任何外部输入源136断开。在第二个实验中，范德堡振荡器经由开关136接到纯谐波信号，而开关116连接到恒量块112。在第三个实验中，范德堡振荡器经由开关136和开关116接入纯谐波信号和白噪声的混合物。
上面三个实验的结果是第一个实验的目的只是例证本发明，其中开关136经由连线113连接到恒量零。这样，所输入的谐波信号并没有连接到范德堡振荡器，也没有加入噪声。在该特定的实验中，范德堡振荡器并没有受到扰动，因此它所产生的大部分是它本身的频率为1弧度/秒、幅度为1的信号。应当指出，这样选取它的自然频率是为了接近输入信号的频率(0.95弧度/秒)。
在第二个实验中，仍然没有加入噪声，图6和图7所示的输入谐波信号131作为外部强制功能输入信号，通过与输入端或接点138连接的开关136和与输入或接点118连接的开关116加到范德堡振荡器。
图6示出了时基输入谐波信号131 sin(0.95*时间)的图形表示，在本示例中时基输入谐波信号131是幅度为1、有用频率为0.95弧度/秒的有用信号24。
还有，图7示出了频基输入谐波信号131 sin(0.95*时间)的图形表示。在本示例中频基输入谐波信号131是幅度为1、有用频率为0.95弧度/秒的有用信号24。
在第二个实验中，从范德堡振荡器取出检波输出信号，它显示具有0.95弧度/秒频率的主分量。它没有产生1弧度/秒的自身频率，而是产生幅度为1.8的0.95弧度/秒的有用频率。这就是说，系统110的范德堡振荡器与外部频率同步。
在第三个实验中，开关136连接到输入端或接点138，而开关116连接到输入端或接点120，使得输入信号成为以下两种信号的混合的信号第一种信号是纯谐波信号131，在这个示例中就是幅度为1频率为0.95弧度/秒的有用信号24(图6和图7)；第二种信号是无法抵挡的、占统治地位的白噪声信号123，在本示例中就是噪声信号28。这样，有用信号，即正弦信号131完全被埋藏在如此强的噪声—白噪声123之下，使得有用信号无法在频谱中与噪声成分区别开来。
图8给出时基的输入噪声123的图形表示，它是强大的，使它确保能将输入的谐波信号131隐藏或掩埋在它自己之下，后者分别在图6和图7从时域和频域表示。
还有，图9给出频基的输入噪声123的图形表示，输入噪声123如此强大，以致于它有把握地将分别在图6和图7中在时域和频域中表示的输入谐波信号131隐藏或掩埋在它自己之下。
这就是说，在所述实验中，噪声是强大的，使得无论在时域或频域均把输入的谐波信号隐藏起来。还有，系统10从噪声中检出输入信号，而所述信号的频谱，出自范德堡振荡器，具有频率为0.95弧度/秒的主分量，所述频率就是正弦信号131的有用频率。所述频率可以用上面讨论的方法检测出来，这是系统削减所有的噪声分量的结果，虽然在频谱中噪声仍然存在，但已经低得多了。
参阅图10，图中示出时域中的检波信号142，而在图11中示出频域中检波信号142，展示了具有0.95弧度/秒的频率的主分量。
这样，从上面的实验中可以看到，系统10使得可以接下来根据已确定的最大峰值(在频域)来恢复有用频率。就是说，所确定的最大峰值的频率就是有用频率。还有，应当指出，在上面的实验中，谐波信号的频率(即有用频率)与范德堡振荡器的自然频率(即K/M的平方根)之间存在1％的偏差。这个1％不应理解为一个界限，实际上，噪声越弱，这两个频率分得越开。
在使用和操作方面，参考这些附图，系统10(装置和方法)可以被包括或体现在诸如图12所表示的机械监视系统210的应用设备监视系统中并且包括监视器212，后者工作时通过至少一个换能器18连接到机械设备16并且连接到计算机化的条件监视器240。作为示例，应用设备监视器和监视软件目前由下面公司制造和销售BentlyNevada，LLC，地址1631 Bently Parkway south，Minden，Navada，89423，U.S.A。而且，上述公司目前还制造和销售各种可以在所述系统中采用的换能器。
为了更具体地说明问题，让我们看看图12给出的包括系统10的机械监视系统的例子。所述系统包括监视器212，它工作时经由连接线241与计算机化状态监视器240连接，并连接至少一只换能器18，后者继而与机器16连接以便在工作时产生来自机器16的复合信号22，所述复合信号被输出到监视器212，其中复合信号22包括与有用频率26对应的有用信号24以及噪声28，在有用频率26下噪声28的幅度大于有用信号24的幅度，其中有用信号24被隐藏在噪声信号之下。
监视器212包括采样/数字化装置，即模拟到数字转换器装置30，后者工作时经由连接线31连接至少一只换能器18，以便将所输出的复合信号22采样、数字化成为数字复合信号32。
监视器212还包括处理装置216和相关联的存储器218、以及控制器220。处理装置216工作时经由连接线214与模拟数字转换器30连接。接下来，处理装置216工作时连接有相关存储器218，并与控制器220连接。这样，处理装置216与关联的存储器218通过连接线222(数据总线)、224(地址总线)和226(控制线)相互连接，并连接到控制器20。
处理装置216经由连接线214接收从模拟数字转换器30输出的数字式复合信号32，接下来可以将所述数字信号传递到计算机化的状态监视器240，所述监视器可包括处理器50，处理器50包括范德堡振荡器40、提取模块或装置60以及包含规则软件包82的决策支持模块或装置80(还见图3)，处理器50用于对范德堡振荡器进行计算机建模，所述范德堡振荡器具有这样选择的参数，使得范德堡振荡器模型的自然频率逼近有用频率；随范德堡振荡器模型而变地处理所述数字化信号，以便将所述数字化信号检波成为检波信号42；以及从所述检波数字化信号提取有用频率，用于确定机器信息。提取步骤可还包括对所述检波信号进行傅立叶变换，评估所述傅立叶变换的主分量，以便恢复先前隐藏在噪声信号之下的有用频率，用于例如监视、保护和/或管理应用设备，包括机械、工艺过程和工具的各种组合，并将所述信息传送到输出装置90和远程计算机100，以便尤其产生关于所述机械的知识，用于自动发布信息，包括机械所存在的问题、向操作人员或其他生产人员提出建议等，和/或根据所确定的问题产生报警，并使用所述报警信号自动地关闭应用设备例如机器等。
计算机状态监视器240可以是膝上型电脑、笔记本电脑、桌面电脑、连接网络的电脑和/或分布式计算机或类似设备并包括处理器、相关联的存储器和存储介质的计算机上运行的计算机化状态监视软件。处理和存储装置在运行时至少连接一种输入设备，如选择设备或鼠标和/或键盘，以及还有含显示功能的图形用户接口、处理和存储装置，监视器212与用户之间的通信通过图形用户接口进行。
另外，应该应当指出，处理装置216还可以有处理器50，内含范德堡振荡器40、提取模块或装置60和决策支持模块或装置80，以便对具有可选参数的范德堡振荡器进行计算机建模，使得范德堡振荡器模型的自然频率逼近有用频率。范德堡振荡器模型的功能是处理数字信号，以便将所述数字信号检波成为检波信号42，然后从所述检波数字信号提取出有用频率，用于确定机器的信息。
一个或多个电源232在工作时经由连接线233接入，向换能器18、监视器212、物理输出设备90和/或计算机化状态监视器240提供所需的电力。
上述对频率检波系统10的说明，包括它的使用和操作，可用于处理应用设备的噪声信号，这些应用设备包括机械、工艺过程和工具的各种组合，由此表明了本发明在工业上的可应用性。
而且，本发明经过这样解析之后，应该明白，经过大量的修改和适应性变化之后，仍然可以归入而不会脱离本发明的范畴和清楚的含义，这些都已经在上面的说明文字中提出，并将在下面的权利要求书中说明。
权利要求
1.一个用于处理应用设备信号的频率检波系统，所述系统包括以下各部件的组合信号产生装置(20)，用于从应用设备(16)产生复合信号(22)，所述复合信号(22)包括噪声信号(28)和具有对应的有用频率(26)的有用信号(24)，其中，所述复合信号(22)包含第一频谱，所述第一频谱所有最大谱峰对应于所述噪声信号(28)，使得在所述有用频率(26)下的所述有用信号(24)被隐藏在所述噪声信号(28)之下；范德堡振荡器(40)，它工作时连接到所述信号产生装置(20)并且包括可选参数，所述范德堡振荡器用于接收所述复合信号(22)并将它检波成为检波信号(42)，使得所述噪声信号(28)被削弱并且所述检波信号(42)包括第二频谱，所述第二频谱的最大谱峰对应于所述有用信号，同时所有其它谱峰的幅度都较小，以及处理器(50)，它工作时连接到范德堡振荡器(40)，用于从所述检波信号(42)中提取有用频率(26)，以便用于提供关于应用设备信息。
2.如权利要求1所述的系统，其中还包括决策支持装置(80)，它工作时连接到所述提取装置(50)，用于随所述提取的有用频率(26)而变地作出决策。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述决策支持装置(80)还包括用于基于所述作出的决策而提供建议的装置。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述应用设备(16)是机器。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述应用设备(16)是工艺过程。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述应用设备(16)是用于测量物理应用设备参数的工具。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述信号产生装置(20)包括换能器(18)，所述换能器(18)工作时与机器连接，用于测量物理的、与机器状态相关的机器参数并输出复合信号(22)，所述复合信号(22)包括具有所述对应的有用频率(26)的所述有用信号(24)，并且所述复合信号(22)还包括在所述有用频率(26)下其幅度大于所述有用信号(24)的幅度的所述噪声信号(28)，其中，所述有用信号(24)被隐藏在所述噪声信号(28)之下。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述信号产生装置(20)还包括采样装置(30)，所述采样装置(30)连接到所述换能器(18)并且用于对复合信号(22)采样并且将其数字化使之成为数字信号。
9.如权利要求8所述的系统，其中还包括处理器(50)，所述处理器(50)在工作时连接到所述采样装置(30)并包括范德堡振荡器模型形式的范德堡振荡器(40)，这样选择所述范德堡振荡器模型的参数，使得所述范德堡振荡器模型的自然频率接近所述有用频率并且使得所述范德堡振荡器模型将所述数字信号检波成为检波输出信号。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述处理器(50)还包括提取模块(60)，用于从所述检波输出信号中提取所述有用信号和有用频率，其方法是对所述检波输出信号进行傅立叶变换并评估所述傅立叶变换的主分量，以便恢复先前隐藏在所述噪声信号之下的有用频率，用于确定应用设备信息。
全文摘要
一种利用范德堡振荡器(40)来处理应用设备信号的频率检波系统(10)，其方法是获取来自应用设备(16)的复合信号(22)，所述复合信号(22)包括噪声信号(28)和具有相应的有用频率(26)的有用信号(24)，其中复合信号(22)包括第一频谱，所述第一频谱的所有最大的谱峰对应于噪声信号(28)，使得在有用频率(26)下的有用信号(24)被隐藏在噪声信号(28)之下；然后利用具选定参数的范德堡振荡器(40)来处理所述获得的信号(22)，以便将复合信号(22)检波成为检波信号(42)，使噪声信号(44)被削弱，并且所述检波信号(22)包括第二频谱，所述第二频谱的所有最大谱峰对应于有用信号(24)，同时所有其它谱峰都较小；以及利用提取模块(60)从检波信号(42)中提取有用频率(26)，用于提供应用设备信息。
文档编号F16F15/00GK1744435SQ200510075890
公开日2006年3月8日 申请日期2005年5月16日 优先权日2004年5月14日
发明者A·佩切内夫, O·马拉克霍瓦 申请人:本特利内华达有限责任公司