CN109060103A - 一种带自校验、自诊断功能的智能水听器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带自校验、自诊断功能的智能水听器及其控制方法，所述装置包括电源转换模块、微处理器模块、转换开关模块、前置放大器模块等部件；所述方法包括智能水听器的控制流程、故障诊断方法。本发明有效解决了水听器现场在线校验难的问题，校验方法科学、准确，能够对系统中的水听器在线实施精准校验，极大提升了水声检测的自动化、智能化水平。

Description

一种带自校验、自诊断功能的智能水听器

技术领域

本发明属于水听器技术领域，具体涉及一种带自校验、自诊断功能的智能水听器。

背景技术

水听器是一种将水声信号转换成电信号的换能器，广泛用于水中通信、目标定位、跟踪等，是声纳的重要部件。但水听器的工作介质一般是液体(淡水或者海水)，工作环境比较恶劣，维修或者拆卸送检比较困难。同时水听器自身的状态对采集的信号有直接的影响。例如，水听器的灵敏度发生飘移、频响发生变化、线路发生断路、短路、或绝缘下降，采集的信号显然会失真，如果不能及时发现并排除传感器故障，对分析的结果将产生严重的影响，导致错误的结论。尤其对于水下航行器，水听器的数量多并且分布范围广，拆卸送检的工作量将非常大，将会耗费大量的人力物力。因此需要研究能够现场在线对水听器进行校验的方法。专利“具有在线自标定功能的水听器(申请号：200610066307.7)”利用对压电晶体加高压激励的原理，可对水听器进行现场校验，但缺点非常明显：一是集成的元器件的数量较多，不利于水听器的集成；二是在线加高压非常危险，容易造成人员触电或者烧毁设备。专利“具有自校准功能的智能水听器(申请号：201310671258.X)”直接由水听器采集水声信号，完成模数转换后直接通过数字通信将结果发送给采集装置，缺点也非常明显：一是需要集成的元器件过多，造成水听器的体积过大；二是耗电量大，在水听器较多的场合供电电源的体积将会过大。因此，该专利虽然也称智能水听器，但没能够从根本上解决急需解决的问题。研究表明，水听器的故障主要发生在内部的电荷放大器上，因此对电荷放大器进行校验就检验了水听器的主要故障，基本上能够判断水听器性能是否正常。

发明内容

本发明为了解决水听器现场校验的难题提供一种带自校验、自诊断功能的智能水听器。

本发明公开带自校验、自诊断功能的智能水听器，包括电源转换模块、微处理器模块、转换开关模块、前置放大器模块、标准电容模块、压电晶体模块、通信电平转换模块。其中，微处理器模块与通信电平转换模块连接，并通过通信线与外部通信；微处理器模块还与电源转换模块、转换开关相连接，电源转换模块为微处理器模块提供电源，转换开关受微处理器模块控制；前置放大器模块的信号输入端通过转换开关与标准电容模块、压电晶体模块相连接，通过转换开关实现信号输入在两模块之间进行切换；其中，微处理器模块是核心，通过通信线实现与采集装置的信息交互，存储重要信息，根据采集装置的命令控制开关在标准电容模块与压电晶体模块之间进行切换。

电源转换模块：将+12V电源转换为+3.3V电源，供给低功耗微处理器模块；

微处理器模块：主要存储本水听器的一些重要信息，包括灵敏度、测量范围、参考频率、输出范围及校准信息等，并与采集装置通信，将存储的信息传输给采集装置或接受采集装置的命令改写存储信息，并根据采集装置的命令，将传感器在工作状态与校准状态之间进行切换，同时通过开关将前置放大器的信号输入源在压电晶体与标准电容模块之间进行切换；与采集装置进行通信握手，判断电源电路及通信线路的故障；存储必要的校验信息，对前置放大器是否正常进行判断；

转换开关模块：根据微处理器模块的指令，将前置放大器的信号输入源在压电晶体与标准电容模块之间进行切换；

前置放大器模块：将电荷信号转换为电压信号输出，提高信号的抗干扰能力；

标准电容模块：将自校验电压信号转换为模拟电荷信号送给前置放大器输出，采集装置通过对比两个信号的差异对水听器的前置放大器进行校验；由于电荷放大器只能对电荷信号进行放大，而标准电容模块模拟电荷放大器的输入，电容量的选择由C＝Q/U决定；

压电晶体模块：将声压信号转换为电荷信号送给前置放大器输出。

通信电平转换模块：与内部模块通信时采用TTL电平，与外部通信时采用485电平，完成电平的转换，提高通信的可靠性；

所述带自校验、自诊断功能的智能水听器的控制方法包括以下步骤：

步骤1：系统上电后，采集装置首先根据通信协议向智能传感器发出握手信号，智能传感器正常收到后发出应答信号，如果采集装置收到应答信号，则转下一步，否则判断为传感器故障；

步骤2：读取水听器的一些重要信息，包括灵敏度、测量范围、参考频率、输出范围及校准信息等，完成必要的系统采集参数配置，为后续采集工作做好准备；

步骤3：采集装置发出校验指令，智能水听器收到后，将前置放大器的输入端切换至标准电容模块，准备好后向采集装置发出应答信号，此时采集装置可发出模拟校验信号，同时采集前置放大器的输出信号并记录保存，并将校验记录发送给智能水听器，以备校验用；完成后采集装置再向水听器发出采集指令，智能水听器收到后将前置放大器的输入端切换至压电晶体模块并向采集装置发出应答信号，此时采集装置可以采集实际的水声信号。

步骤4：采集装置再次发出校验指令，智能水听器收到后，将前置放大器的输入端切换至标准电容模块，准备好后向采集装置发出应答信号，此时采集装置可发出模拟校验信号，同时采集前置放大器的输出信号并记录保存，并将校验记录发送给智能水听器，智能水听器将本次校验结果与原存储的结果进行对比，判断两次结果的差值是否超出给定的阈值，超出阈值判为不合格，没超出阈值判为合格，从而实现对前置放大器、信号线及采集装置发出的校验信号三者的整体校验；智能水听器将校验结果通过通信方式发送给采集装置，告知目前传感器的状态，由采集装置决定正常采集或者标记传感器故障。

对前置放大器发出的校验信号采取扫频的方式，在整个需要采集的信号频段中，其频点的选取采用取三分之一倍频程各个频段中心频率值的方法，从而保证了有限个校验频点的普遍性，实现对整个信号频段有效校验。

例如，信号的分析频率范围0～20KHz，查三分之一倍频程表格可以得到43个频段和43个中心频率，可以选择这43个中心频率进行扫频校验。

对智能水听器的前置放大器的校验采取单频点校验与多频点校验相结合的方法进行，具体分为三步进行：

第一次校验采集的n个单频点电压：V₁、V₂、......、V_n；

第二次校验采集的n个单频点电压：V₁′、V₂′、......、V_n′；

第一步，粗校验，计算第一次n个点均值和第二次n个点均值的百分比误差，并判断是否超出百分比误差阈值δ：

|(V₁+V₂+....+V_n)/n-(V₁′+V₂′+......+V_n′)/n|/[(V₁+V₂+....+V_n)/n]≤δ％，

δ为预设的百分比误差阈值；

第二步，半精校验，计算第一次5个点均值和第二次5个点均值的百分比误差，每次向后移动一位，并判断是否超出百分比误差阈值δ，直至最后一个移至n点：

|(V_i+1+V_i+2+....+V_i+5)/5-(V′_i+1+V′_i+2+......+V′_i+5)/5|/[(V_i+1+V_i+2+....+V_i+5)/5]≤δ％i＝0,1,......n-5，δ为预设的百分比误差阈值；

第三步，精校验，计算第一次和第二次每个点的百分比误差，并判断是否超出百分比误差阈值δ：

|V_i-V_i′|/V_i≤δ％，i＝1,2,......n，δ为预设的百分比误差阈值；

判据：三者都满足才判为校验合格，只要一个不满足则判为校验不合格，三者为“相或”的关系。

在判定精度满足要求的基础上，对检测值的变化趋势做出预测，其方法为：

计算前后两次采样值的差值，如果大于0，则记为1；如果等于0，则记为0；如果小于0，则记为-1，即构造函数：

计算的值，显然最大值为b＝n，最小值为a＝-n。

对基本论域x进行论域变换，将其变换到模糊论域，公式为：

式中m为离散度。

这里取m＝3，将模糊论域分为7档：

{-3，-2，-1，0，1，2，3}

对应的语言变量为：

{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}

采用三角形隶属函数建立模糊规则，通过极大-极小合成计算，实现检测值变化趋势的模糊预测。例如，如果检测结果一直为3，即检测结果一直为“正大”，则说明虽然结果没有超限，但检测值已经大到超限的边缘，提醒用户查找偏大的具体原因；如果检测结果一直为-3，即检测结果一直为“负大”，则说明虽然结果没有超限，但检测值已经小到超限的边缘，提醒用户查找偏小的具体原因；同理，如果检测结果一直为“负中”、“负小”、“零”、“正小”、“正中”中的一个，则说明检测结果没有超限，而且检测值偏差也不大，用户可正常使用；如果虽然检测结果未超限，但跳变较大，则说明检测结果不稳定，提醒用户引起注意。

附图说明

图1是本发明带自校验、自诊断功能的智能水听器结构示意图。

图2是本发明带自校验、自诊断功能的智能水听器控制流程图。

图3是本发明采用的模糊预测三角形隶属函数图。

图4是普通水听器结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步的说明：

图1所示,本发明带自校验、自诊断功能的智能水听器，包括:

电源转换模块：将+12V电源转换为+3.3V电源，供给低功耗微处理器模块；采用LDO线性稳压器实现电压调节，仍选择TI的TPS7A41线性稳压器，满足低功耗、小型化要求，便于集成。

微处理器模块：主要存储本水听器的一些重要信息，包括灵敏度、测量范围、参考频率、输出范围及校准信息等，并与采集装置通信，将存储的信息传输给采集装置或接受采集装置的命令改写存储信息，并根据采集装置的命令，将传感器在工作状态与校准状态之间进行切换，同时通过开关将前置放大器的信号输入源在压电晶体与标准电容模块之间进行切换；与采集装置进行通信握手，判断电源电路及通信线路的故障；存储必要的校验信息，对前置放大器是否正常进行判断。该模块应选用小型化、低功耗的微控制器，功能上要求具备通信接口、内部集成flash及IO接口等，可选用恩智浦的型号为MKL26Z128CAL4R单片机，便于集成。

转换开关模块：根据微处理器模块的指令，将前置放大器的信号输入源在压电晶体与标准电容模块之间进行切换。该转换开关不能影响信号质量，应选择功耗低、导通电阻小的元器件，可以选择TI的TS5A3160模拟信号开关，其封装为SC-70，体积小，导通电阻只有1Ω，对信号没有损伤，静态电流500nA，功耗低，导通可承受200mA电流，负载能力强；

前置放大器模块：将电荷信号转换为电压信号输出，提高信号的抗干扰能力；

标准电容模块：将自校验电压信号转换为模拟电荷信号送给前置放大器输出，采集装置通过对比两个信号的差异对水听器的前置放大器进行校验；由于电荷放大器只能对电荷信号进行放大，而标准电容模块模拟电荷放大器的输入，电容量的选择由C＝Q/U决定；不同材质的电容特性不同，其中压电陶瓷电容适用于本应用场合。

压电晶体模块：将声压信号转换为电荷信号送给前置放大器输出。

通信电平转换模块：与内部模块通信时采用TTL电平，与外部通信时采用485电平，完成电平的转换，提高通信的可靠性。基于低功耗、小型化的要求，采用基于贴片封装的SP3485芯片设计通信电路。

所述的带自校验、自诊断功能的智能水听器的控制方法包括以下步骤：

步骤1：系统上电后，采集装置首先根据通信协议向智能传感器发出握手信号，智能传感器正常收到后发出应答信号，如果采集装置收到应答信号，则转下一步，否则判断为传感器故障；

步骤2：读取水听器的一些重要信息，包括灵敏度、测量范围、参考频率、输出范围及校准信息等，完成必要的系统采集参数配置，为后续采集工作做好准备；

步骤3：采集装置发出校验指令，智能水听器收到后，将前置放大器的输入端切换至标准电容模块，准备好后向采集装置发出应答信号，此时采集装置可发出模拟校验信号，同时采集前置放大器的输出信号并记录保存，并将校验记录发送给智能水听器，以备校验用；完成后采集装置再向水听器发出采集指令，智能水听器收到后将前置放大器的输入端切换至压电晶体模块并向采集装置发出应答信号，此时采集装置可以采集实际的水声信号。

步骤4：采集装置再次发出校验指令，智能水听器收到后，将前置放大器的输入端切换至标准电容模块，准备好后向采集装置发出应答信号，此时采集装置可发出模拟校验信号，同时采集前置放大器的输出信号并记录保存，并将校验记录发送给智能水听器，智能水听器将本次校验结果与原存储的结果进行对比，判断两次结果的差值是否超出给定的阈值，超出阈值判为不合格，没超出阈值判为合格，从而实现对前置放大器、信号线及采集装置发出的校验信号三者的整体校验；智能水听器将校验结果通过通信方式发送给采集装置，告知目前传感器的状态，由采集装置决定正常采集或者标记传感器故障。

所述步骤中带自校验、自诊断功能的智能水听器校验的具体方法为：

采集装置向智能水听器先后2次发出校验指令，第一次采集结果发送给智能水听器并存储以备校验用；第二次采集结果发送给智能水听器，由智能水听器进行对比校验，并将结果发送给采集装置。

其中，对前置放大器发出的校验信号采取扫频的方式，在整个需要采集的信号频段中，其频点的选取采用取三分之一倍频程各个频段中心频率值的方法，从而保证了有限个校验频点的普遍性，实现对整个信号频段有效校验。例如，信号的分析频率范围0～20KHz，查三分之一倍频程表格可以得到43个频段和43个中心频率，可以选择这43个中心频率进行扫频校验。

对智能水听器的前置放大器的校验采取单频点校验与多频点校验相结合的方法进行，具体分为三步进行：

第一次校验采集的n个单频点电压：V₁、V₂、......、V_n；

第二次校验采集的n个单频点电压：V₁′、V₂′、......、V_n′；

第一步，粗校验，计算第一次n个点均值和第二次n个点均值的百分比误差，并判断是否超出百分比误差阈值δ：

|(V₁+V₂+....+V_n)/n-(V₁′+V₂′+......+V_n′)/n|/[(V₁+V₂+....+V_n)/n]≤δ％，

δ为预设的百分比误差阈值；

第二步，半精校验，计算第一次5个点均值和第二次5个点均值的百分比误差，每次向后移动一位，并判断是否超出百分比误差阈值δ，直至最后一个移至n点，并判断是否超出百分比误差阈值δ：

|(V_i+1+V_i+2+....+V_i+5)/5-(V′_i+1+V′_i+2+......+V′_i+5)/5|/[(V_i+1+V_i+2+....+V_i+5)/5]≤δ％i＝0,1,......n-5，δ为预设的百分比误差阈值；

第三步，精校验，计算第一次和第二次每个点的百分比误差，并判断是否超出百分比误差阈值δ：

|V_i-V_i′|/V_i≤δ％，i＝1,2,......n，δ为预设的百分比误差阈值；

判据：三者都满足才判为校验合格，只要一个不满足则判为校验不合格，

三者为“相或”的关系。

在判定精度满足要求的基础上，对检测值的变化趋势做出预测，其方法为：

计算前后两次采样值的差值，如果大于0，则记为1；如果等于0，则记为0；如果小于0，则记为-1，即构造函数：

计算的值，显然最大值为b＝n，最小值为a＝-n。

对基本论域x进行论域变换，将其变换到模糊论域，公式为：

式中m为离散度。

这里取m＝3，将模糊论域分为7档：

{-3，-2，-1，0，1，2，3}

对应的语言变量为：

{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}

采用三角形隶属函数建立模糊规则，通过极大-极小合成计算，实现检测值变化趋势的模糊预测。例如，如果检测结果一直为3，即检测结果一直为“正大”，则说明虽然结果没有超限，但检测值已经大到超限的边缘，提醒用户查找偏大的具体原因；如果检测结果一直为-3，即检测结果一直为“负大”，则说明虽然结果没有超限，但检测值已经小到超限的边缘，提醒用户查找偏小的具体原因；同理，如果检测结果一直为“负中”、“负小”、“零”、“正小”、“正中”中的一个，则说明检测结果没有超限，而且检测值偏差也不大，用户可正常使用；如果虽然检测结果未超限，但跳变较大，则说明检测结果不稳定，提醒用户引起注意。

本智能水听器增加的元器件数量少，同时选择体积小、功耗低的元器件，利于水听器的集成，因此体积、功耗与原来的普通水听器相差无几；但本智能水听器在性能方面得到了极大的提升，它适用于现场自校验，校验方法便于操作，能够对水听器主要功能部件进行实时、在线校验，大大提升了水声检测系统的自动化、智能化水平，校验较为全面，涵盖了与智能水听器相关的各个部分，校验方法科学，校验结果准确，能够及时发现故障水听器，可避免由于水听器故障造成的错误信号采集，从而避免了由此造成的误判。对于工作于液体介质中的水听器，其快速判断传感器是否故障的特点显得尤为突出。

Claims (4)

1.一种带自校验、自诊断功能的智能水听器，其特征在于包括:

包括电源转换模块、微处理器模块、转换开关模块、前置放大器模块、标准电容模块、压电晶体模块、通信电平转换模块。微处理器模块与通信电平转换模块连接，并通过通信线与外部通信；微处理器模块还与电源转换模块、转换开关相连接，电源转换模块为微处理器模块提供电源，转换开关受微处理器模块控制；前置放大器模块的信号输入端通过转换开关与标准电容模块、压电晶体模块相连接，通过转换开关实现信号输入在两模块之间进行切换；其中，微处理器模块是核心，通过通信线实现与采集装置的信息交互，存储重要信息，根据采集装置的命令控制开关在标准电容模块与压电晶体模块之间进行切换。

各模块的功能如下：

电源转换模块：将+12V电源转换为+3.3V电源，供给低功耗微处理器模块；

微处理器模块：主要存储本水听器的一些重要信息，包括灵敏度、测量范围、参考频率、输出范围及校准信息等，并与采集装置通信，将存储的信息传输给采集装置或接受采集装置的命令改写存储信息，并根据采集装置的命令，将传感器在工作状态与校准状态之间进行切换，同时通过转换开关将前置放大器的信号输入源在压电晶体与标准电容模块之间进行切换；与采集装置进行通信握手，判断电源电路及通信线路的故障；存储必要的校验信息，对前置放大器是否正常进行判断；

转换开关模块：根据微处理器模块的指令，将前置放大器的信号输入源在压电晶体与标准电容模块之间进行切换；

前置放大器模块：将电荷信号转换为电压信号输出，提高信号的抗干扰能力；

标准电容模块：将自校验电压信号转换为模拟电荷信号送给前置放大器输出，采集装置通过对比两个信号的差异对水听器的前置放大器进行校验；由于电荷放大器只能对电荷信号进行放大，而标准电容模块模拟电荷放大器的输入，电容量的选择由C＝Q/U决定；

压电晶体模块：将声压信号转换为电荷信号送给前置放大器输出。

通信电平转换模块：与内部模块通信时采用TTL电平，与外部通信时采用485电平，完成电平的转换，提高通信的可靠性。

2.根据权利要求1所述的带自校验、自诊断功能的智能水听器，其控制方法包括以下步骤：

步骤1：系统上电后，采集装置首先根据通信协议向智能传感器发出握手信号，智能传感器正常收到后发出应答信号，如果采集装置收到应答信号，则转下一步，否则判断为传感器故障；

步骤2：读取水听器的一些重要信息，包括灵敏度、测量范围、参考频率、输出范围及校准信息等，完成必要的系统采集参数配置，为后续采集工作做好准备；

步骤3：采集装置发出校验指令，智能水听器收到后，将前置放大器的输入端切换至标准电容模块，准备好后向采集装置发出应答信号，此时采集装置可发出模拟校验信号，同时采集前置放大器的输出信号并记录保存，并将校验记录发送给智能水听器，以备校验用；完成后采集装置再向水听器发出采集指令，智能水听器收到后将前置放大器的输入端切换至压电晶体模块并向采集装置发出应答信号，此时采集装置可以采集实际的水声信号。

步骤4：采集装置再次发出校验指令，智能水听器收到后，将前置放大器的输入端切换至标准电容模块，准备好后向采集装置发出应答信号，此时采集装置可发出模拟校验信号，同时采集前置放大器的输出信号并记录保存，并将校验记录发送给智能水听器，智能水听器将本次校验结果与原存储的结果进行对比，判断两次结果的差值是否超出给定的阈值，超出阈值判为不合格，没超出阈值判为合格，从而实现对前置放大器、信号线及采集装置发出的校验信号三者的整体校验；在判定精度满足要求的基础上，对检测值的变化趋势做出智能预测；智能水听器将校验结果通过通信方式发送给采集装置，告知目前传感器的状态，由采集装置决定正常采集或者标记传感器故障。

3.进一步，在权利要求2的步骤3、步骤4中，对前置放大器发出的校验信号采取扫频的方式，在整个需要采集的信号频段中，其频点的选取采用取三分之一倍频程各个频段的中心频率值的方法，从而保证了有限个校验频点的普遍性，实现对整个信号频段有效校验；对智能水听器的前置放大器的校验采取单频点校验与多频点校验相结合的方法进行，具体分为三步：

第一次校验采集的n个单频点电压：V₁、V₂、......、V_n；

第二次校验采集的n个单频点电压：V′₁、V′₂、......、V′_n；

第一步，粗校验，计算第一次n个点均值和第二次n个点均值的百分比误差，并判断是否超出百分比误差阈值δ：

|(V₁+V₂+....+V_n)/n-(V′₁+V′₂+......+V′_n)/n|/[(V₁+V₂+....+V_n)/n]≤δ％，δ为预设的百分比误差阈值；

第二步，半精校验，计算第一次5个点均值和第二次5个点均值的百分比误差，每次向后移动一位，并判断是否超出百分比误差阈值δ，直至最后一个移至n点：

|(V_i+1+V_i+2+....+V_i+5)/5-(V′_i+1+V′_i+2+......+V′_i+5)/5|/[(V_i+1+V_i+2+....+V_i+5)/5]≤δ％i＝0,1,......n-5，δ为预设的百分比误差阈值；

第三步，精校验，计算第一次和第二次每个点的百分比误差，并判断是否超出百分比误差阈值δ：

|V_i-V′_i|/V_i≤δ％，i＝1,2,......n，δ为预设的百分比误差阈值；

判据：三者都满足才判为校验合格，只要一个不满足则判为校验不合格，三者为“相或”的关系。

4.更进一步，在权利要求2的步骤4中，在判定精度满足要求的基础上，对检测值的变化趋势做出智能预测，具体方法为：

第一次校验采集的n个单频点电压：V₁、V₂、......、V_n；

第二次校验采集的n个单频点电压：V′₁、V′₂、......、V′_n；

计算前后两次采样值的差值，如果大于0，则记为1；如果等于0，则记为0；如果小于0，则记为-1，即构造函数：

计算的值，显然最大值为b＝n，最小值为a＝-n。

对基本论域x进行论域变换，将其变换到模糊论域，公式为：

式中m为离散度。

这里取m＝3，将模糊论域分为7档：

{-3，-2，-1，0，1，2，3}

对应的语言变量为：

{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}

采用三角形隶属函数建立模糊规则，通过极大-极小合成计算，实现检测值变化趋势的模糊智能预测。具体包括以下三种预测结果：

预测结果1：通过模糊推理智能预测检测值的变化趋势，如果预测结果稳定为“负中”、“负小”、“零”、“正小”、“正中”中的一个，则说明检测结果没有超限，而且检测值偏差也不大，用户可正常使用；

预测结果2：通过模糊推理智能预测检测值的变化趋势，如果预测结果稳定为“负大”或“正大”，则说明虽然检测结果没有超限，但检测值偏差已经接近阈值，用户应该查找偏小或偏大的具体原因；

预测结果3：通过模糊推理智能预测检测值的变化趋势，如果预测结果不稳定，即预测结果跳变较大，则说明虽然检测结果没有超限，但检测值不稳定，提醒用户引起注意。