微波干燥設(shè)備火情監(jiān)控中的EMD和自功率譜分析

程曉輝+劉自然+陳仁權(quán)

摘 要：針對(duì)大型微波干燥設(shè)備火情監(jiān)控的需要以及火情照度信號(hào)的非平穩(wěn)隨機(jī)性的特點(diǎn)，提出了一種應(yīng)用EMD（經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解）方法將照度信號(hào)分解出IMF（本征模式分量）并作自功率譜分析，以此得到信號(hào)能量沿頻率軸線的動(dòng)態(tài)分布，從而實(shí)現(xiàn)微波腔體內(nèi)的火情監(jiān)控。經(jīng)過試驗(yàn)，僅需通過EMD方法分解得到少數(shù)IMF分量即可通過自功率譜中信號(hào)能量分布實(shí)現(xiàn)火花事件判定，充分驗(yàn)證了上述方法在火情監(jiān)控中的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：EMD；IMF分量；自功率譜；火情監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP227 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）21-0026-02

引言

微波干燥技術(shù)以其容易控制、干燥迅速均勻、節(jié)能高效等特點(diǎn)，得到廣泛而迅速的應(yīng)用和發(fā)展。在實(shí)際干燥工作過程中被干燥物料某些成分在微波腔體內(nèi)由于極強(qiáng)的極化作用產(chǎn)生的火星爆閃、迸發(fā)火花等現(xiàn)象為安全生產(chǎn)帶來極大的火災(zāi)隱患。因此，在微波干燥設(shè)備火情監(jiān)控中準(zhǔn)確檢測(cè)提取火花信息直接關(guān)系到火情監(jiān)控的準(zhǔn)確性和及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息的可靠性。

微波干燥設(shè)備的微波腔體處于亮度較低的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，當(dāng)產(chǎn)生火星爆閃或是火花時(shí)產(chǎn)生的照度變化在照度信號(hào)波形中呈現(xiàn)非平穩(wěn)隨機(jī)性，提取相應(yīng)的火花信息成為火情預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文提出IMF分量的自功率譜分析方法應(yīng)用在火情監(jiān)控中，此種方法結(jié)合EMD分解和自功率譜分析的優(yōu)點(diǎn)，利用EMD分解得到的IMF分量經(jīng)過自功率譜分析，有效的提取火花事件的特征信息。

1 基于IMF分量的自功率譜分析

1.1 IMF分量求取

EMD方法分解基于信號(hào)局部特征尺度將信號(hào)分解成本征模態(tài)函數(shù)，其計(jì)算需滿足兩個(gè)條件，即在數(shù)據(jù)段內(nèi)極值點(diǎn)數(shù)量與過零點(diǎn)相等以及在任以時(shí)間點(diǎn)上局部極大值所確定的上包絡(luò)線與局部極小值確定的下包絡(luò)線均值為零。將信號(hào)分解成IMF，首先找出原始信號(hào)x（t）極值點(diǎn)并擬合出該信號(hào)上、下包絡(luò)線，計(jì)算出上、下包絡(luò)線均值m1（t），由此計(jì)算出新數(shù)據(jù)序列h1（t）為：

（1）

在理想狀態(tài)若h1（t）為IMF則其為原始信號(hào)第一個(gè)IMF分量，之后檢測(cè)h1（t）是否滿足本征模態(tài)函數(shù)的基本條件。若不滿足則將其視為次級(jí)原始信號(hào)重復(fù)上述計(jì)算n次直到滿足為止，在每次的運(yùn)算過程中得到本征模式函數(shù)ci（t）；若滿足基本條件則停止進(jìn)行運(yùn)算，在此將同級(jí)原始信號(hào)函數(shù)減去IMF分量得到該級(jí)IMF分量的殘余量rn（t）。按照上述方法可以將一個(gè)數(shù)據(jù)分解成n個(gè)本征模式函數(shù)與殘余量rn（t）之和：

從上述運(yùn)算可知：IMF分量包含有原始信號(hào)不同頻率成分，殘余分量則表示了原始信號(hào)的一種新趨勢(shì)。

1.2 IMF分量的自功率譜分析

由于自相關(guān)函數(shù)Rx（τ）反映了在不同時(shí)刻同一隨機(jī)樣本間的波形相似程度，而當(dāng)τ為0時(shí)，自相關(guān)函數(shù)Rx（τ）的傅里葉變換自功率譜密度函數(shù)Sx（f）譜線與頻率軸f所包圍的面積反映了信號(hào)的平均功率，同時(shí)表明了信號(hào)功率密度的分布。因此自功率譜可以突出火花產(chǎn)生時(shí)信號(hào)能量變化。

由于微波腔體內(nèi)部火花照度信號(hào)產(chǎn)生是非平穩(wěn)隨機(jī)過程，在整時(shí)程信號(hào)中設(shè)定一定時(shí)長時(shí)間窗，將每個(gè)時(shí)間窗內(nèi)照度信號(hào)作為一平穩(wěn)過程的樣本進(jìn)行EMD分解并對(duì)得到的IMF分量計(jì)算自功率譜。

2 IMF分量的自功率譜分析在火情監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

針對(duì)BDMW-S-F-80型單層連續(xù)式微波干燥機(jī)火情監(jiān)控系統(tǒng)中火花檢測(cè)的要求，采用CJMCU-101模擬光強(qiáng)度傳感器和最大采樣率100kHz的獨(dú)立A/D轉(zhuǎn)換器ADS8344進(jìn)行采集照度信號(hào)。采用DSP芯片TMS320C2812對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。微波腔體內(nèi)實(shí)測(cè)火花仿真照度信號(hào)的時(shí)域波形圖如圖1所示。

設(shè)置合適的時(shí)間窗的時(shí)間跨度，分別對(duì)無火花、單個(gè)火花、雙火花以及多個(gè)火花的火情信號(hào)進(jìn)行EMD分解，并分別提取第一階IMF分量，并對(duì)此IMF分量進(jìn)行自功率譜運(yùn)算，具體結(jié)果如圖2所示。

在圖2中無火花信號(hào)IMF分量的自功率譜Sx（f）波形呈現(xiàn)尖峰狀且寬度極窄并且其幅值在10-6g的量綱范圍，說明信號(hào)功率主要集中于較窄的頻率范圍之內(nèi)并且能量較小； 在產(chǎn)生火花之后伴隨著火花數(shù)量的增多信號(hào)IMF分量的自功率譜幅值從10-3g的量綱范圍逐步下降，但寬度呈現(xiàn)10倍到百倍的增大，其頻率成分從集中于10Hz左右擴(kuò)展到10Hz到500Hz范圍，即在功率譜中反映出信號(hào)產(chǎn)生了在無火花信號(hào)不存在的頻率成分，并且在無火花時(shí)的集中于98Hz左右的頻率成分由于能量微弱在進(jìn)行EMD方法分解過程中達(dá)到可以忽略的程度。綜上所述，設(shè)備在無火花正常運(yùn)行時(shí)在微波腔體內(nèi)的照度信號(hào)及其IMF分量和自功率譜線都處于相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)并且其幅值較小；在微波腔體內(nèi)產(chǎn)生火花時(shí)，伴隨火花數(shù)量增多，照度信號(hào)產(chǎn)生更多的頻率成分且其能量以及在頻率軸線上的分布范圍隨之?dāng)U大。

3 結(jié)束語

EMD方法可以根據(jù)時(shí)間尺度自適應(yīng)的將非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)分解為具有可突出表現(xiàn)信號(hào)局部特征和時(shí)變特性的IMF分量，對(duì)IMF分量的自功率譜運(yùn)算分析可以根據(jù)信號(hào)在頻率軸的能量分布鮮明的識(shí)別出火花的產(chǎn)生以及標(biāo)識(shí)出火花能量的大小。經(jīng)過試驗(yàn)表明，此種方法在火情監(jiān)控中監(jiān)測(cè)火花等火情具有極高的準(zhǔn)確性、合理性和有效性。

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