本發(fā)明涉及信號檢測及信號處理技術(shù)領域，具體說是涉及一種基于加速度信號經(jīng)驗模式分解的動態(tài)稱重裝置及方法。

背景技術(shù)：

動態(tài)稱重系統(tǒng)具有較大的市場需求。目前主流的動態(tài)稱重系統(tǒng)均使用力傳感器，由于傳感器直接和被測表面接觸，承受沖擊力很大，對其可靠性和耐久性造成巨大影響，造成現(xiàn)有動態(tài)稱重系統(tǒng)存在精度低、工藝難度大以及系統(tǒng)造價高等缺點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于已有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的是要提供一種基于加速度信號經(jīng)驗模式分解的動態(tài)稱重裝置以提高動態(tài)稱重系統(tǒng)的穩(wěn)定性和檢測精度。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種基于加速度信號經(jīng)驗模式分解的動態(tài)稱重裝置，其特征在于，裝置包括：稱重臺、第一紅外傳感器、第二紅外傳感器、若干凸臺、加速度傳感器、信號采集模塊、信號處理模塊以及顯示屏；

所述稱重臺兩側(cè)以稱重臺中心為基準對稱設置有第一紅外傳感器和第二紅外傳感器，所述第一紅外傳感器和第二紅外傳感器均與信號采集模塊連接；第一紅外傳感器和第二紅外傳感器之間的稱重臺部分構(gòu)成本裝置的測試區(qū)；所述測試區(qū)內(nèi)分布以稱重臺中心為對稱基準均勻設置的若干凸臺；所述稱重臺底部中心位置設有加速度傳感器，所述加速度傳感器與信號采集模塊連接；

所述信號采集模塊連接信號處理模塊，將由所述第一紅外傳感器、第二紅外線傳感器以及所述加速度傳感器采集到的信號傳輸給信號處理模塊進行處理，得被測對象重量，并由顯示屏顯示。

進一步地，作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述稱重臺為鋼板結(jié)構(gòu)。

進一步地，作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述凸臺個數(shù)為5個，并采用鋼材料以焊接方式連接于稱重臺。

進一步地，作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述加速度傳感器以螺紋方式連接于稱重臺。

本發(fā)明另一目的是要提供一種基于上述動態(tài)稱重裝置的稱重方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1、自整定：開啟裝置并使用標準質(zhì)量測試對象通過測試區(qū)，實現(xiàn)系統(tǒng)標定。

S2、測試過程：當?shù)谝患t外傳感器檢測到待測物進入測試區(qū)時測試開始，當?shù)诙t外傳感器檢測到待測物離開測試區(qū)時測試結(jié)束。測試過程中，被測對象依次通過設置于測試區(qū)的凸臺，加速度傳感器檢測到多個沖擊振動信號。

S3、信號采集：所述信號采集模塊分別采集第一紅外傳感器、第二紅外傳感器和加速度傳感器檢測到的信號，并將所采集的信號數(shù)據(jù)傳送給信號處理模塊。

S4、信號處理：信號處理模塊根據(jù)預先設定的閾值和采樣長度對接收的沖擊振動信號依次進行時域平均、信號降噪、信號分解處理，以處理后沖擊振動信號剩余分量的峰值標定被測對象的重量。

S5、重量顯示：被測對象的重量通過顯示屏顯示。

進一步地，所述S1步驟包括：

S11、開啟裝置，使用標準質(zhì)量測試對象通過測試區(qū)；

S12、采集標準質(zhì)量測試對象通過若干凸臺產(chǎn)生的沖擊振動信號；

S13、對采集到的沖擊振動信號進行時域平均、信號降噪、信號分解處理；

S14、提取處理后沖擊振動信號的剩余分量；

S15、通過計算得出剩余分量峰值與測試對象重量的線性關系；

S16、將裝置自整定位置1。

進一步地，所述步驟S4中信號降噪采用奇異值分解(SVD)降噪，其步驟包括：

S41、提取時域平均處理后的沖擊振動信號；

S42、對沖擊振動信號進行延時重構(gòu)；

S43、利用SVD算法對重構(gòu)的沖擊振動信號進行分解，求取分解信號特征值；

S44、針對分解信號設置一特征值閾值，將分解信號特征值與該閾值進行比較：如果分解信號特征值不大于該閾值，則將分解信號特征值置零，再對分解信號進行SVD逆變換，否則直接對分解信號進行SVD逆變換；

S45、分解信號經(jīng)SVD逆變換得到降噪后的沖擊振動信號。

8、根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于動態(tài)稱重裝置的稱重方法，其特征在于：步驟S4中所述信號分解采用基于經(jīng)驗的模式分解(EMD)方法，對降噪后的沖擊振動信號進行分解處理。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明提供了一種基于加速度傳感器的測試裝置，加速度傳感器與被測對象不直接接觸，提高了裝置的可靠性與耐久性。

2、本發(fā)明利用SVD分解降噪實現(xiàn)數(shù)據(jù)的降噪過程，提高了裝置測量精度。

3、本發(fā)明利用EMD分解的剩余分量的峰值標定被測對象的重量，適宜動態(tài)測量，提高裝置測量準確性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例裝置整體測試流程圖；

圖3為本發(fā)明裝置自整定示意圖；

圖4為本發(fā)明SVD降噪過程流程圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

圖1是本發(fā)明基于加速度信號經(jīng)驗模式分解的動態(tài)稱重裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，本實施例裝置包括：稱重臺、第一紅外傳感器、第二紅外傳感器、若干凸臺、加速度傳感器、信號采集模塊、信號處理模塊以及顯示屏。優(yōu)選尺寸為5.6*2.5*0.1米的長鋼板作為測試平臺，以鋼板中心處為中心線為對稱基準，設置五道鋼制凸臺均勻分布在測試區(qū)內(nèi)，凸臺與凸臺之間的距離優(yōu)選為80cm。任意凸臺均以焊接方式同測試平臺連接，凸臺的尺寸為0.1*2.5*0.1米。稱重臺兩側(cè)距離邊緣一定位置處分別設置有第一紅外傳感器和第二紅外傳感器，本實施例中，在稱重臺距離兩側(cè)邊緣0.3米處分別設置紅外傳感器支架，并相應的配設線纜通道。第一紅外傳感器和第二紅外傳感器均與數(shù)據(jù)采集模塊連接，第一紅外傳感器和第二紅外傳感器之間的稱重臺部分為測試區(qū)。稱重臺底部中心位置以螺紋連接方式連有一加速度傳感器，所述加速度傳感器與數(shù)據(jù)采集模塊連接。數(shù)據(jù)采集設備和數(shù)據(jù)處理設備均安放在設置于空處的設備安裝箱內(nèi)，且在箱外設置串行接口并連接LED顯示器。所述信號采集模塊與信號處理模塊連接，將由所述第一紅外傳感器、第二紅外線傳感器以及所述加速度傳感器采集到的信號傳送給數(shù)據(jù)處理模塊進行平均、降噪、分解處理，已得到被測對象重量并由顯示屏顯示。數(shù)據(jù)采集設備與數(shù)據(jù)處理設備可以使用ARM處理器為核心進行開發(fā)，也可以使用市場現(xiàn)有設備如NI公司的C-RIO設備等，在此不做限定。

測試開始時，第一紅外傳感器檢測到待測物體進入檢測區(qū)即第一紅外傳感輸出信號變?yōu)榈碗娖?；待測物體依次通過5道凸臺，相應的信號采集模塊采集到五個沖擊振動信號，當?shù)诙t外傳感器檢測到待測物離開檢測區(qū)即輸出信號變?yōu)榈碗娖綍r，測試結(jié)束。信號采集模塊采集的沖擊振動信號數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊的平均、降噪、分解處理后，以分解后的剩余分量峰值標定待測物體重量，并通LED顯示屏顯示出來。裝置整體測試流程如圖2所示。利用本裝置進行稱重的步驟包括：

S1、自整定：開啟裝置并使用標準質(zhì)量測試對象通過測試區(qū)，實現(xiàn)系統(tǒng)標定。

S2、測試過程：當?shù)谝患t外傳感器檢測到待測物進入測試區(qū)時測試開始，當?shù)诙t外傳感器檢測到待測物離開測試區(qū)時測試結(jié)束。測試過程中，被測對象依次通過設置于測試區(qū)的凸臺，加速度傳感器檢測到多個沖擊振動信號。

S3、信號采集：所述信號采集模塊分別采集第一紅外傳感器、第二紅外傳感器和加速度傳感器檢測到的信號，并將所采集的信號數(shù)據(jù)傳送給信號處理模塊。

S4、信號處理：信號處理模塊根據(jù)預先設定的閾值和采樣長度對接收的沖擊振動信號依次進行時域平均、信號降噪、信號分解處理，以處理后沖擊振動信號剩余分量的峰值標定被測對象的重量。

S5、重量顯示：被測對象的重量通過顯示屏顯示。

裝置使用前需要使用標準質(zhì)量測試對象進行自整定，自整定過程結(jié)束后裝置可以用來測量物體質(zhì)量，自整定過程如圖3所示。步驟包括：

S11、開啟稱重裝置，使用標準質(zhì)量測試對象通過測試區(qū)；

S12、采集標準質(zhì)量測試對象通過若干凸臺產(chǎn)生的沖擊振動信號；

S13、對采集到的沖擊振動信號進行時域平均、信號降噪、信號分解處理；

S14、提取處理后沖擊振動信號的剩余分量；

S15、通過計算得出剩余分量峰值與測試對象重量的線性關系；

S16、將裝置自整定位置1。

被測對象通過5道凸臺時，會產(chǎn)生沖擊振動信號，信號采集模塊根據(jù)預先設置的閾值與采樣長度n，截取5道沖擊振動信號并進行時域平均處理。設處理前截取的五道沖擊信號為x₁，x₂，x₃，x₄，，那么時域平均之后的信號為以減少隨機噪聲的干擾。

經(jīng)過時域平均處理后的沖擊振動信號在數(shù)據(jù)處理模塊進行SVD分解，對其特征值矩陣從大到小進行排列，將較小的特征值置零，然后進行逆變換從而達到降噪的效果，流程詳見附圖4。

SVD(包括各種推廣)己是數(shù)值線性代數(shù)的最有用和最有效的工具之一，它在統(tǒng)計分析、信號與圖像處理、系統(tǒng)理論和控制中被廣泛地應用。以下為對SVD分解的證明：

記AA^H的特征值為

λ₁≥λ₂≥…≥λ_r＞λ_r+1＝λ_r+2＝…＝λ_m＝0

則存在m階酉矩陣U，使得

將U分塊為

U＝(U₁ U₂)，U₁∈C^m×r，U₂∈C^m×(m-r)

則有

故

由此可得A^HU₂＝0。令V₁＝A^HU₁(Σ^-1)，則V₁^HV₁＝E_r，即V₁＝(v₁,...,v_r)的r列是兩兩正交的單位向量。添加n-r單位向量v_r+1,...,v_n，使v₁,...,v_r,v_r+1,...,v_n成為Cⁿ的標準正交基,則V＝(v₁,...,v_r,v_r+1,...,v_n)是n階酉矩陣。記V₂＝(v_r+1,...,v_n)，則

故

于是有，因此v_j是A^HA的對應于特征值λ_j的單位特征向量?？梢则炞C，U₁＝AV₁Σ^-1。

由于也稱U₁ΣV₁^H為A的奇異值分解。

本發(fā)明中振動信號的奇異值分解原理：首先應延時重構(gòu)，設已知振動信號重構(gòu)吸引子軌跡矩陣如下：

若振動信號中包含一定的噪聲或突變信息，那么D_m可以寫成：

D_m＝D+W

D為信號中的平滑部分在重構(gòu)相空間的軌跡矩陣，W為噪聲或不變部分在重構(gòu)相空間的軌跡矩陣，且W可以看成是對矩陣D的一個攝動。在已知D_m未知D和W的情況下，可以根據(jù)分析研究D_m的奇異值的一些特點，來實現(xiàn)得到D去除W即降噪的目的。

對D_m矩陣做奇異值分解，D_m＝USV，U和V分別為m×m和n×n矩陣，且UU′＝I，VV′＝I。S為m×n的對角矩陣，對角線元素按從大到小排列為λ₁,λ₂,λ₃,…,λ_p，p為min(m,n)，λ₁,λ₂,λ₃,…,λ_p即為D_m矩陣的奇異值。研究表明光滑信號對應的吸引子矩陣是奇異的，即光滑信號的吸引子軌跡矩陣的秩k＜min(m,n)，一般取n≤m。噪聲或故障信號的突變信息構(gòu)成的軌跡矩陣W，必定為滿秩矩陣，即它的秩k＝n。同理，含有噪聲或突變信息的原信號的重構(gòu)吸引子矩陣D_m也必定為滿秩矩陣。設定D的秩為k(k＜n)，那么保留D_m的前k個奇異值而其它奇異值置0，然后再利用奇異值分解的逆過程得到一個矩陣，記做D′_m，根據(jù)Frobennious范數(shù)意義下矩陣最佳逼近定理可以得出，矩陣D′_m是D_m的秩為k的最佳逼近矩陣。從而可以從D′_m得到原信號降噪后的信號。同理將D_m的前k個奇異值置0，利用奇異值分解的逆過程即可得到W′。從而可以從D′_m得到原信號中包含的噪聲或突變部分。

基于上述于原理，則所述SVD降噪處理步驟如下：

S41、提取時域平均處理后的沖擊振動信號；

S42、對沖擊振動信號進行延時重構(gòu)；

S43、利用SVD算法對重構(gòu)的沖擊振動信號進行分解，求取分解信號特征值；

S44、針對分解信號設置一特征值閾值，將分解信號特征值與該閾值進行比較：如果分解信號特征值不大于該閾值，則將分解信號特征值置零，再對分解信號進行SVD逆變換，否則直接對分解信號進行SVD逆變換；

S45、分解信號經(jīng)SVD逆變換得到降噪后的沖擊振動信號。

對降噪后的沖擊振動信號進行EMD分解并提取剩余分量，并以剩余分量的峰值對被測對象重量進行標定，通過顯示屏顯示。

本發(fā)明使用加速度傳感器取代了傳統(tǒng)的力傳感器，這樣避免了被測對象與傳感器之間直接接觸，提高了裝置的可靠性與耐久性。測試采用了時域平均技術(shù)與SVD降噪技術(shù)能夠從較大程度上去除噪聲干擾。振動信號數(shù)據(jù)經(jīng)過EMD分解的剩余分量能夠反映振動的趨勢，而去除噪聲后振動趨勢與被測對象的重量具有線性關系，該線性關系由系統(tǒng)自整定過程得出，因此被測對象的重量可以通過EMD分解之后的剩余分量來進行標定。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術(shù)人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。