[发明专利]振动式流量计特征信号提取方法

权利要求书

1.一种基于改进集总平均经验模态分解的振动式流量计特征信号提取方法，其特征在于通过波形匹配的自适应端点延拓法对采集到的振动式流量计流量振动信号进行端点延拓处理，用三次 B 样条法对采集的振动信号进行包络线拟合，然后进行 MEEMD 分解得到若干 IMF 分量，对 IMF 分量和原信号进行相关分析，选择真实的 IMF 分量，最后对 IMF分量进行 HHT 变换，得到流量信号的 Hilbert 时频谱和边际谱，即得到振动式流量计流量振动信号的信号特征；

流体振动式流量计信号特征提取方法的具体步骤如下：

步骤1：合理的布置传感器；

步骤2：采用波形匹配的自适应端点延拓法对信号两端进行延拓，信号的延拓包括左延拓和右延拓，其中，对信号两端进行左延拓的具体步骤如下：设原始信号为；

步骤2.1：确定左端点处的极大值点和极小值点，分别记为、，记从左端点到的距离为L, 将这段波形记为；

步骤2.2：设为原始信号的极大值的集合，以作为参考点，计算相同长度上波形与匹配度；

步骤2.3：设,若 , 为一常数，则取处长度为 L 且包含极大值与极小值的一段子波，作为原始信号的左延拓，延拓完毕，否则转4)；

步骤2.4：在原始信号端点处直接指定极大值点，即取最靠近左端点的两个极大值点的平均值作为极大值点，取最靠近左端点的两个极小值点的平均值作为极小值点；

步骤3：在 MEEMD 分解之前，采用三次 B 样条插值法拟合包络线，具体步骤如下：

步骤3.1：构造三次 B 样条曲线的方程为：

式中为控制顶点，即原始信号的极值点；为三次规范 B 样条的基函数，是由节点矢量序列 U 所决定的三次分段多项式；

步骤3.2：确定节点矢量：

设原始信号的极值点为控制顶点，将控制顶点连接构成控制多边形，则控制多边形的边长，边长总长度为, 节点矢量可表示为：

为了采用统一的计算方法，符合 B 样条曲线的局部性质要求，在计算过程中控制多边形的边由相应 K 条边的和来代替；定义域内节点区间的长度为：

上式中节点矢量表达式分母规范化后可表示为：

K 次 B 样条插值曲线的节点矢量规范化分母为：

由以上分析可知，K 次 B 样条拟合曲线的所有节点值为：

参数化后的节点矢量可表示为：

步骤3.3：将节点值代入 1) 中的方程便可求得三次 B 样条拟合包络线方程；

步骤4：进行 MEEMD 分解;

MEEMD分解是在原始信号中加入一组幅值和标准差一致、方向相反的白噪声，再重复进行EEMD和EMD分解，以减少EMD分解的模态混淆和EEMD分解的计算量与残余分量；具体步骤如下：

步骤4.1：向原始信号中所加入的白噪声均方根值应接近待分解的内部噪声，或不超过待分解信号均方根值的 0.3 倍；

步骤4.2：设向待分解信号中所加入的绝对值相等、方向相反的一组白噪声为和，分别对其进行 EEMD 分解：

上式中的和为EEMD分解过程中得到的 2 组 IMFs 分量；

步骤4.3：取和的平均值：

步骤4.4：将以下列的 EMD 分解方式进行分解：

上式中表示经过 EMD 分解后得到的 IMF 分量；表示剩余残余分量的叠加；

步骤4.5：经过 MEEMD 的分解后，原始信号可表示为：

上式中的表示最终得到的 IMF 分量；表示最终得到的残余分量；

步骤5：采用互相关分析筛选法剔除虚假分量, 对IMF分量和原信号做相关分析，剔除偏离原始分量程度较大的 IMF 分量，设两者得到的相关系数为, 设阈值，为大于 1的实数；

当时，保留第 i 个 IMF 分量；

当时，剔除第 i 个 IMF 分量，并将其加到残余分量部分；

步骤6：将 MEEMD 分解得到的 IMF 分量进行 HHT 变换，可以得到 Hilbert 时频谱与边际谱，通过谱分析可得到瞬时频率 f, 即为流体振动式流量计流量信号的特征；并且频率 f 满足以下关系式：

上式中的 d 为旋涡发生体的宽度；St 为斯特劳哈尔系数，与 d 及流体雷诺数 Re 有关；

再由公式：

上式中 A 为旋涡发生体的过流截面积；为瞬时流量，为累积流量；由以上各式便能够求得流体振动式流量计的瞬时流量和累积流量。