CN103558048A - Android平台上的虚拟式机械故障诊断仪和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了Android平台上的虚拟式机械故障诊断仪和方法，该诊断仪包括传感器模块、信号调理模块、数据采集模块、蓝牙或WIFI传输模块和Android设备以及设置在Android设备中的机械故障诊断系统；其特征在于：数据采集模块通过蓝牙或WIFI传输模块接收Android设备发出的控制指令，并按指令采集被测对象的信号；同时，数据采集模块通过蓝牙或WIFI传输模块将A/D转换后的数据传输给Android设备；设置在Android设备中的机械故障诊断系统包括有无线通讯功能模块、时域分析功能模块、频域分析功能模块、显示模块、存储模块、采集控制模块；本发明可通过Android设备在线、离线进行机械信号分析，以获得机械设备的振动特性；可广泛应用于机械故障诊断中。

Description

Android平台上的虚拟式机械故障诊断仪和方法

技术领域：

本发明涉及拟式机械故障诊断仪和方法，具体涉及Android平台上的虚拟式机械故障诊断仪和方法。

技术背景：

传统的机械故障诊断仪器，大部分是基于PC平台或硬件式仪器，存在携带不方便、现场使用连线过多、仪器修改不方便、可扩展性差等缺点。现在的机械故障诊断仪，在仪器的外形尺寸、携带的方便性、使用的便捷性上都提出了传统的机械故障诊断仪无法满足的要求。本专利提出一种灵活性强、功能强大、经济实用、方便携带、方便测试，又能高度集成测试功能的虚拟仪器，本专利在工业上可获得广泛的应用，在产业化的发展上具有良好的前景。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题提供Android平台上的虚拟式机械故障诊断仪和方法。

为了解决上述问题，本发明的第一个技术方案是，Android平台上的虚拟式机械故障诊断仪，包括传感器模块、信号调理模块、数据采集模块、蓝牙或WIFI传输模块和Android设备以及设置在Android设备中的机械故障诊断系统；

传感器模块采集被测对象的数据，将传感器采集的信号输出到信号调理模块；信号调理模块将信号进行滤波、放大，转换为电压信号输出到数据采集模块；

其特征在于：设置在Android设备中的机械故障诊断系统包括无线通讯功能模块、时域分析功能模块、频域分析功能模块、显示模块、存储模块、采集控制模块；

数据采集模块通过蓝牙或WIFI传输模块接收Android设备发出的控制指令，并按指令采集信号调理模块的信号；数据采集模块将采集的信号进行A/D转换；同时，数据采集模块通过蓝牙或WIFI传输模块将A/D转换后的数据传输给Android设备中的存储模块、时域分析功能模块和频域分析功能模块；

其中：无线通讯功能模块用于与蓝牙或WIFI传输模块建立通讯；

采集控制模块用于通过无线通讯功能模块向数据采集模块发出控制指令；

存储模块用于存储数据采集模块传送的数据以及存储时域分析功能模块和频域分析功能模块分析后的数据；方便用户以后对数据重新调用、分析、查询等操作，同时可以为数据回放做准备。

时域分析功能模块对收到的数据进行时域分析，并将分析结果显示；

频域分析功能模块对收到的数据进行频域分析，并将分析结果显示；

显示模块对数据进行显示。

本发明使用蓝牙或WIFI无线方式作为采集到的机械振动信号的传输方式，将信号发送到Android设备进行机械振动信号分析和故障分析，方便携带，并且不用过多的连线。

本发明可在线、离线进行机械振动信号分析，通过传感器对被测机械设备的信号采样，并通过Android设备对信号做进一步的分析以获得机械设备的振动特性，根据振动特性可以检测机械设备的工作状态，并判断是否存在机械故障。本发明克服了现有的基于PC平台虚拟机械故障仪器携带不方便、硬件式仪器修改不方便和测试仪器现场使用连线过多的不足。传感器采集到的信号的传输方式为使用蓝牙无线传输，克服了测试现场连线过多的缺点；可支持多个蓝牙无线采集节点，根据采集的需要连接不同的采集节点；Android设备采用基于Android操作系统的硬件设备，市场上的Android设备性能强劲、可根据不同计算性能需求采用不同性能和价位的设备，且携带方便；对采集到的信号进行处理由软件实现，只要是采用基于Android操作系统的硬件设备都可安装该信号处理软件，实现故障诊断，适应性强；并可根据不同需求修改软件，以实现不同的功能，弥补了硬件式仪器不方便修改的缺点。本发明具有功能强大、硬件支持多样、测试方便等特点，能向用户提供强大的功能库，以适应用户的各种测试需求。

本发明的第二个技术方案是，利用Android平台进行机械故障诊断方法，其特征在于：包括如下步骤

A、在Android设备上安装机械故障诊断系统；该机械故障诊断系统包括无线通讯功能模块、时域分析功能模块、频域分析功能模块、显示模块、存储模块和采集控制模块；

B、将被测对象与传感器模块连接，传感器模块连接信号调理模块，信号调理模块连接数据采集模块，数据采集模块与蓝牙或WIFI传输模块连接；

C、使Android设备与蓝牙或WIFI传输模块建立通讯；

D、通过采集控制模块对采集数据进行设置，通过无线通讯功能模块及蓝牙或WIFI传输模块向数据采集模块发出控制指令；

E、存储模块通过无线通讯功能模块及蓝牙或WIFI传输模块接收数据采集模块的数据，存储模块将收到的数据存储，显示模块对数据进行显示；

F、判断是否对数据采集模块传输的数据进行分析；当数据需进行时域分析时，由时域分析功能模块对数据进行时域分析，并将分析结果显示；当数据需进行频域分析时，频域分析功能模块对数据进行频域分析，并将分析结果显示；存储模块同时对时域分析功能模块和频域分析功能模块分析后的数据进行存储。

根据本发明所述的利用Android平台进行机械故障诊断方法的一

种优选方案，所述频域分析功能模块进行频域分析的方法为：

E11、读取数据，对数据初始化处理；

E12、对初始化后的数据进行频谱分析和解调分析；

E13、调用E12步的结果,并显示结果数据。

根据本发明所述的利用Android平台进行虚拟式机械故障诊断方法的另一种优选方案，所述显示模块对数据采集模块传送的数据进行显示的方法为：

E21、初始化显示控件；

E22、实例化绘图线程；

E23、判断收到开始指令？当收到开始指令后，进入E24步；

E24、剪切数据缓存到绘图缓存；

E25、锁定画布；

E26、获取当前屏幕尺寸，并根据当前屏幕尺寸画点；

E27、解锁并提交画布；

E28、清除部分或全部已绘数据；

E29、判断线程是否结束？当线程未结束，返回第E24步；当线程结束，进入第E30步；

E30、结束。

本发明所述的Android平台上的虚拟式机械故障诊断仪和方法的有益效果是：本发明可在线、离线进行机械信号分析，通过传感器对被测机械设备的信号采样，并通过Android设备对信号做进一步的分析以获得机械设备的振动特性，根据振动特性可以检测机械设备的工作状态，并判断是否存在机械故障；传感器采集到的信号通过蓝牙无线传输，克服了测试现场连线过多的缺点；可支持多个蓝牙无线采集节点，根据采集的需要连接不同的采集节点；Android设备采用基于Android操作系统的硬件设备，对采集到的信号进行处理和故障诊断由软件实现，适应性强；并可根据不同需求修改软件，以实现不同的功能；本发明具有功能强大、硬件支持多样、测试和携带方便等特点，能向用户提供强大的功能库，以适应用户的各种测试需求；可广泛应用于机械故障诊断中。

附图说明

图1是本发明所述的Android平台上的虚拟式机械故障诊断仪的原理框图。

图2是本发明所述的Android平台上的虚拟式机械故障诊断仪的流程图。

图3是本发明中频域分析功能模块流程图。

图4是本发明中显示模块的流程图。

图5是本发明中时域分析功能模块流程图。

图6为本发明数据采集模块流程图。

具体实施方式

参见图1和图6，Android平台上的虚拟式机械故障诊断仪，包括传感器模块1、信号调理模块2、数据采集模块3、蓝牙或WIFI传输模块4和Android设备5以及设置在Android设备中的机械故障诊断系统6；

传感器模块1采集被测对象的数据，将传感器采集的信号输出到信号调理模块2；信号调理模块2将信号进行滤波、放大，转换为电压信号输出到数据采集模块3；

其中：设置在Android设备中的机械故障诊断系统6包括无线通讯功能模块7、时域分析功能模块8、频域分析功能模块9、显示模块10、存储模块11、采集控制模块12；

数据采集模块3通过蓝牙或WIFI传输模块4接收Android设备5发出的控制指令，并按指令采集信号调理模块2的信号；数据采集模块3将采集的信号进行A/D转换；同时，数据采集模块3通过蓝牙或WIFI传输模块4将A/D转换后的数据传输给Android设备5中的存储模块11、时域分析功能模块8和频域分析功能模块9；

其中：无线通讯功能模块7用于与蓝牙或WIFI传输模块4建立通讯；

采集控制模块12用于通过无线通讯功能模块7向数据采集模块3发出控制指令；

存储模块11用于存储数据采集模块3传送的数据以及存储时域分析功能模块8和频域分析功能模块9分析后的数据；

时域分析功能模块8对收到的数据进行时域分析，并将分析结果显示；

频域分析功能模块9对收到的数据进行频域分析，并将分析结果显示；

显示模块10对数据进行显示。

其中，传感器模块包括ICP传感器以及普通传感器、位移传感器、速度传感器等，ICP传感器又包括传声器以及加速度振动传感器等；

Android设备可选用带Android系统的手机、平板电脑；数据采集模块可使用google公司开发的支持Android设备的硬件arduinoADK，并负责接受上位机Android设备发送的关于采样率、采样端口、开始采集和结束采集等命令；ADK是基于ATmega2560的微控制器电路板，ADK使用C语言编程，其开发平台ARDUINO IDE对串口、I/O口、内存等操作进行了封装，有EEPROM库、Ethernet库、GSM库、SD库、WIFI库等，并且由于全世界的arduino爱好者众多，所以有很多扩展电路板。由于其开发环境对底层的良好封装，故其编程比一般单片机快速。ADK自带有AD转换模块，其转换速度可达15ksps，有多个通道。通过接受Android设备的指令，可设置不同的采集通道。

Android设备平台软件部分采用eclipse3.7进行Java和Android SDK开发，并配置Android NDK进行Java和底层C++算法的JNI开发。运用面向对象(OOP)技术，采用模块化设计思路，可以方便的创建、修改和调试应用程序。

参见图2，利用Android平台进行机械故障诊断方法，包括如下步骤

A、在Android设备5上安装机械故障诊断系统6；该机械故障诊断系统6包括无线通讯功能模块7、时域分析功能模块8、频域分析功能模块9、显示模块10、存储模块11和采集控制模块12；

B、将被测对象与传感器模块1连接，传感器模块1连接信号调理模块2，信号调理模块2连接数据采集模块3，数据采集模块3与蓝牙或WIFI传输模块连接4；

C、使Android设备5与蓝牙或WIFI传输模块4建立通讯；

D、通过采集控制模块12对采集数据进行设置，通过无线通讯功能模块7及蓝牙或WIFI传输模块4向数据采集模块3发出控制指令；

E、存储模块11通过无线通讯功能模块7及蓝牙或WIFI传输模块4接收数据采集模块3的数据，存储模块11将收到的数据存储，显示模块10对数据进行显示；

F、判断是否对数据采集模块3传输的数据进行分析；当数据需进行时域分析时，由时域分析功能模块8对数据进行时域分析，并将分析结果显示；当数据需进行频域分析时，频域分析功能模块9对数据进行频域分析，并将分析结果显示；存储模块11同时对时域分析功能模块8和频域分析功能模块9分析后的数据进行存储。

参见图3，所述频域分析功能模块进行频域分析的方法为：

E11、采用Java语言编程，读取数据，对数据初始化处理；

E12、采用C/C++语言编程，对初始化后的数据进行频谱分析和解调分析；

E13、采用Java语言编程，调用E12步的结果,并显示结果数据。

其中，频谱分析将连续的时间域函数变换成连续的频率域函数，从而观察信号的频率分布，同样也可以将频率域函数变换到时间域，观察信号的波形特征。

在齿轮箱的故障诊断中，齿轮、滚动轴承或轴发生集中或分布性的故障，对其振动信号进行频谱分析后，频谱图上一般都会出现以齿轮的啮合频率、齿轮的固有频率或滚动轴承内、外环的固有频率为中心频率，以齿轮所在轴的转频或滚动轴承通过频率为调制频率的调制边频带。从信号中提取调制信息，分析其强度和频次就可以判断齿轮箱故障的部位和损伤程度，这一分析过程称为解调。

考虑到算法的效率和通用性，频谱分析和解调分析采用AndroidNDK编程，Java语言负责数据的读取和处理结果的显示，具体的数据的处理，则采用C/C++编写的算法来实现。

Android NDK编程的步骤：

①Windows环境下，需要安装Cygwin。Cygwin是一套在Windows下模拟Linux编译环境的工具集。

②安装Android NDK。

③eclipse中配置Android NDK的开发环境。

④编写和调用NDK程序。

编写NDK程序时，需要遵守约定的命名规范和流程，注意调用算法后，需要手动释放资源。

参见图4，所述显示模块进行显示的方法为：

E21、初始化显示控件

E22、实例化绘图线程

E23、判断收到开始指令？当收到开始指令后，进入E24步；

E24、剪切数据缓存到绘图缓存；

E25、锁定画布；

E26、获取当前屏幕尺寸，并根据当前屏幕尺寸画点；

E27、解锁并提交画布；

E28、清除部分或全部已绘数据；

E29、判断线程是否结束？当线程未结束，返回第E24步；当线程结束，进入第E30步

E30、结束

在仪器设计过程中，需要显示控件，对数据加以显示，以方便使用户直观、有效的了解仪器分析的记过。显示模块负责显示带有坐标的波形图、经过傅立叶变换和希尔伯特变换解调后的频谱图。对于采集到的信号的波形图，由于数据采集模块部分可由不同性能和类型的采集卡来实现，故需要用户手动指定显示波形的幅值范围。

由于数据采集模块的不同，所以显示区域的波形幅值上限和下限根据用户指定的不同而不同。由于采样率的不同，导致数据在屏幕的显示随时间的位移有所不同。本发明考虑到快速实时显示的需要，故对于已显示过的数据根据数据缓冲区的长度不同而清除不同的长度。当绘图缓冲区的数据长度超过两倍屏幕宽度像素数时，将显示过得数据从绘图缓冲区全部清除，以适应较快的采样速度；当绘图缓冲区的数据长度超过屏幕的宽度像素数但是小于两杯屏幕的宽度像素数时，将清除掉绘图缓冲区和屏幕宽度像素数的差值，以适应较慢的采样速度；当绘图缓冲区的数据长度比屏幕宽度像素数小时，不对绘图缓冲区做清除处理。

故本发明具有适应不同规格采集卡和根据不同采样速率而具有不同显示速度的灵活性。

另外，时域分析功能模块的流程参见图5，时域分析功能模块负责显示一定长度的数据的统计指标，如峰峰值、峭度、方差的统计数据。在齿轮箱的故障诊断中，有量纲和无量纲指标的综合运用能较好的判断齿轮箱的运行和健康状态，但是有量纲和无量纲指标的应用方式有差别。有量纲的指标一般随着齿轮箱的不同而不同，有量纲指标对于不同种类和大小的齿轮箱不具有可对比性。但是对于不同种类和大小的齿轮箱，无量纲指标在一定情况下可以进行对比。

有量纲的统计特征值进行振幅分析时，得到的结果不但与机电设备的状态有关，而且与及其的运行参数（如转速、载荷等）有关，所以在设备故障诊断进行比较时，必须保证运行参数基本一致和测点一致。

这些统计数据可做成图的形式，进行趋势分析，对齿轮箱故障进行更好的预测。

上面对本发明的具体实施方式进行了描述，但是，本发明保护的不仅限于具体实施方式的范围。

Claims (4)

1.Android平台上的虚拟式机械故障诊断仪，包括传感器模块（1）、信号调理模块（2）、数据采集模块（3）、蓝牙或WIFI传输模块（4）和Android设备（5）以及设置在Android设备中的机械故障诊断系统（6）；

传感器模块（1）采集被测对象的数据，将传感器采集的信号输出到信号调理模块（2）；信号调理模块（2）将信号进行滤波、放大，转换为电压信号输出到数据采集模块（3）；

其特征在于：设置在Android设备中的机械故障诊断系统（6）包括无线通讯功能模块（7）、时域分析功能模块（8）、频域分析功能模块（9）、显示模块（10）、存储模块（11）和采集控制模块（12）；

数据采集模块（3）通过蓝牙或WIFI传输模块（4）接收Android设备（5）发出的控制指令，并按指令采集信号调理模块（2）的信号；数据采集模块（3）将采集的信号进行A/D转换；同时，数据采集模块（3）通过蓝牙或WIFI传输模块（4）将A/D转换后的数据传输给Android设备（5）中的存储模块（11）、时域分析功能模块（8）和频域分析功能模块（9）；

无线通讯功能模块（7）用于与蓝牙或WIFI传输模块（4）建立通讯；

采集控制模块（12）用于通过无线通讯功能模块（7）向数据采集模块（3）发出控制指令；

存储模块（11）用于存储数据采集模块（3）传送的数据以及存储时域分析功能模块（8）和频域分析功能模块（9）分析后的数据；

时域分析功能模块（8）对收到的数据进行时域分析，并将分析结果显示；

频域分析功能模块（9）对收到的数据进行频域分析，并将分析结果显示；

显示模块（10）对数据进行显示。

2.利用Android平台进行机械故障诊断方法，其特征在于：包括如下步骤

A、在Android设备（5）上安装机械故障诊断系统（6）；该机械故障诊断系统（6）包括无线通讯功能模块（7）、时域分析功能模块（8）、频域分析功能模块（9）、显示模块（10）、存储模块（11）和采集控制模块（12）；

B、将被测对象与传感器模块（1）连接，传感器模块（1）连接信号调理模块（2），信号调理模块（2）连接数据采集模块（3），数据采集模块（3）与蓝牙或WIFI传输模块连接（4）；

C、使Android设备（5）与蓝牙或WIFI传输模块（4）建立通讯；

D、通过采集控制模块（12）对采集数据进行设置，通过无线通讯功能模块（7）及蓝牙或WIFI传输模块（4）向数据采集模块（3）发出控制指令；

E、存储模块（11）通过无线通讯功能模块（7）及蓝牙或WIFI传输模块（4）接收数据采集模块（3）的数据，存储模块（11）将收到的数据存储，显示模块（10）对数据进行显示；

F、判断是否对数据采集模块（3）传输的数据进行分析；当数据需进行时域分析时，由时域分析功能模块（8）对数据进行时域分析，并将分析结果显示；当数据需进行频域分析时，频域分析功能模块（9）对数据进行频域分析，并将分析结果显示；存储模块（11）同时对时域分析功能模块（8）和频域分析功能模块（9）分析后的数据进行存储。

3.根据权利要求2所述的利用Android平台进行机械故障诊断方法，其特征在于：所述频域分析功能模块（9）进行频域分析的方法为：

E11、读取数据，对数据初始化处理；

E12、对初始化后的数据进行频谱分析和解调分析；

E13、调用E12步的结果,并显示结果数据。

4.根据权利要求2或3所述的利用Android平台进行机械故障诊断方法，其特征在于：所述显示模块（10）进行显示的方法为：

E21、初始化显示控件；

E22、实例化绘图线程；

E23、判断收到开始指令吗？当收到开始指令后，进入E24步；

E24、剪切数据缓存到绘图缓存；

E25、锁定画布；

E26、获取当前屏幕尺寸，并根据当前屏幕尺寸画点；

E27、解锁并提交画布；

E28、清除已绘数据；

E29、判断线程是否结束？当线程未结束，返回第E24步；当线程结束，进入第E30步；

E30、结束。

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