CN109470354A - 自驱动船舶振动监测及故障诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自驱动船舶振动监测及故障诊断系统，包括：声学及振动传感装置，处理模块，CAN总线和控制计算机；其中，声学及振动传感装置为一收集声波能量的摩擦纳米发电机，在有声波或者与振动物体直接接触的条件下，可输出电能；处理模块所需的电能可由声学及振动传感装置供应，传感装置与处理模块组合构成自驱动的振动传感及故障诊断器；CAN总线将各个振动传感及故障诊断器与控制计算机连接，形成通信网络；控制计算机被配置为接收传感器发出的信号，判断机械设备是否正常运行，并作出控制。本发明所用传感装置灵敏度高，可实时反应机械振动的频率振幅及其变化情况，并通过通信网络至计算机处理，对船舶机械进行实时振动监测及故障诊断。

Description

自驱动船舶振动监测及故障诊断系统

技术领域

本发明涉及船舶机械故障诊断技术领域，具体而言，尤其涉及一种高灵敏度、自驱动船舶振动监测及故障诊断系统。

背景技术

每一个船舶上都装配有大量的机械装置，其中用于驱动这些装置的动力源以及船舶的动力源，在工作过程中都会产生自己的机械振动，这些机械振动有时很轻微，人无法直接识别；但是机械机构的振动如果异常就代表机械存在故障可能，因此研发一个能够有高灵敏度，检测机械结构轻微振动的故障诊断系统是非常必要的。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种有高灵敏度，检测机械结构轻微振动的故障诊断系统。

本发明采用的技术手段如下：

一种自驱动船舶振动监测及故障诊断系统，包括：包括声学及振动传感装置，处理模块，CAN总线和控制计算机；

其中：

所述声学及振动传感装置为一收集声波能量的摩擦纳米发电机，在有声波或者与振动物体直接接触的条件下，可输出电能；

所述摩擦纳米发电机包括：亥姆霍兹共振腔、带声孔铝膜、导电油墨印刷电极FEP膜和固定底盖。

所述亥姆霍兹共振腔为双管亥姆霍兹共振腔，包括双细管与下开口腔体，集中储存声波能量并放大声波振动；

所述带声孔铝膜，铝膜表面均匀分布密集圆孔，铝膜为强电正性材料，固定于共振腔体下开口处；

所述导电油墨印刷电极FEP膜，FEP膜背部印刷导电油墨电极，固定于铝膜下方；

所述固定底盖，位于装置最·下方，将两膜与腔体牢固固定；

所述处理模块(主要部件为AD模块单片机等)被配置为：接收传感装置发出的信号并进行运算处理，通过信号监测机械设备运行状态，并对其是否产生故障作出判断；

其中，所述处理模块所需的电能可由声学及振动传感装置供应，传感装置与处理模块组合构成自驱动的振动传感及故障诊断器；

通过机械设备发出的声波或与机械设备直接接触，监测机械设备运行，并且其可为自身提供电能，无外部电路供电时仍可正常工作；

所述CAN总线将各个振动传感及故障诊断器与控制计算机连接，形成通信网络，使传各个感器产生的数据及时有效被控制计算机接收；

所述控制计算机为控制中心，被配置为接收传感器发出的信号，判断机械设备是否正常运行，并对其运行作出控制。

进一步地，改进的亥姆霍兹共振腔具有两个圆柱细管与一个立方共振腔体，腔内空气受到声波作用时，共振腔中的声学振动能量集中在管内空气的运动，腔体中的空气对此产生恢复力。相比于单管亥姆霍兹共振腔，其具有较宽的共振频率带，即在声波频率远离共振腔共振频率时，双管共振腔共振效果衰减较慢，使摩擦纳米发电机在较宽声波频率带具有良好的输出性能。

进一步地，铝为强电正性材料，导电性良好，自身可做电极。声孔将亥姆霍兹共振腔内的空气与两膜间的缝隙联通，使正负声压能够作用于FEP膜两侧。

进一步地，FEP膜电负性强，柔性好，与铝膜接触分离产生电荷转移。FEP膜自身为绝缘材料，在其背面印刷导电油墨电极，以将产生的电荷导出。FEP膜经过细砂纸打磨与高压电场极化处理，表面携带大量极化摩擦电荷，提高摩擦纳米发电机输出性能。

进一步地，固定底盖与共振腔体具有相同的长宽尺寸，将铝膜与FEP膜牢固固定于共振腔体，并且使FEP膜随声波振动性能良好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例的系统结构图。

图2为本发明一个实施例的声波及振动传感装置分解结构图。

图3为本发明一个实施例的声波及振动传感装置在不同声波频率下输出的开口电压示意图。

图4为本发明一个实施例的声波及振动传感装置对不同电容充电的电压曲线示意图。

图5是本发明一个实施例的声波及振动传感装置为负载供电电路图。

图6是本发明一个实施例的声波及振动传感装置监测柴油机振动图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种自驱动船舶振动监测及故障诊断系统，包括：包括声学及振动传感装置，处理模块，CAN总线和控制计算机；

其中：

所述声学及振动传感装置为一收集声波能量的摩擦纳米发电机，在有声波或者与振动物体直接接触的条件下，可输出电能；

所述摩擦纳米发电机包括：亥姆霍兹共振腔1、带声孔铝膜2、导电油墨印刷电极FEP膜3和固定底盖4。

所述亥姆霍兹共振腔为双管亥姆霍兹共振腔1，包括双细管1.1与下开口腔体1.2，集中储存声波能量并放大声波振动；

所述带声孔铝膜2，表面均匀分布密集圆孔，铝膜为强电正性材料，固定于下开口腔体1.2下开口处；

所述导电油墨印刷电极FEP膜3，FEP膜背部印刷导电油墨电极，固定于带声孔铝膜下方；

所述固定底盖4，位于装置最下方，将两膜(导电油墨印刷电极FEP膜和带声孔铝膜)与腔体牢固固定；

所述处理模块(主要部件为AD模块单片机)被配置为：接收传感装置发出的信号并进行运算处理，通过信号监测机械设备运行状态，并对其是否产生故障作出判断；

其中，所述处理模块所需的电能可由声学及振动传感装置供应，传感装置与处理模块组合构成自驱动的振动传感及故障诊断器；

通过机械设备发出的声波或与机械设备直接接触，监测机械设备运行，并且其可为自身提供电能，无外部电路供电时仍可正常工作；

所述CAN总线将各个振动传感及故障诊断器与控制计算机连接，形成通信网络，使传各个感器产生的数据及时有效被控制计算机接收；

所述控制计算机为控制中心，被配置为接收传感器发出的信号，判断机械设备是否正常运行，并对其运行作出控制。

如图2所示，本发明中设计的共振腔内腔尺寸73mm×73mm×40mm，细管内径5mm，长32mm。亥姆霍兹共振腔的作用在于使进入其内的声波达到共振状态，在腔体内储存声波能量，更好的消耗并利用声波能量推动TENG(摩擦摩擦纳米发电机)工作，提高声波TENG(摩擦纳米发电机)输出性能与输出效率。

铝为正电性很强的一种材料，并且较易取材，易于处理，成本较低，导电性能良好，自身可做电极，是制备摩擦纳米发电机的良好材料。在45mm×45mm×0.2mm的铝膜上，均匀分布约200个直径1mm的声孔。声孔的作用为将亥姆霍兹共振腔内的空气与两膜(导电油墨印刷电极FEP膜和带声孔铝膜)间的缝隙联通，使正负声压能够作用于FEP膜两侧。

FEP膜电负性强，并且具有很好的柔性，是制备摩擦纳米发电机的良好材料。声波TENG(摩擦纳米发电机)选用了厚度50微米的FEP膜，有效工作面积45mm×45mm。但FEP材料本身为绝缘体，需要在其表面附一层导电电极。本文采用导电油墨印刷的方法，在FEP膜表面附一层厚度约为6微米的导电油墨电极，在有效工作范围测得对角电阻约130欧。FEP膜通过采用10000目砂纸打磨，在膜表面产生微结构，增加与铝膜间的接触面积与接触应力，同时FEP材料在摩擦及高压电场处理后极易产生并储存大量极化摩擦电荷，使得FEP膜与铝膜在接触分离的过程中产生更多的电荷转移，从而提高了声波TENG(摩擦纳米发电机)的输出性能。

图3示出了根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机在不同频率声波下所输出的开口电压。每条曲线其激励声波具有相同的振幅，自下至上声波振幅逐渐增大，其声压级分别为78.5-81.5dB，83.3-86.1dB，87.6-89.1dB，91.5-93.8dB。

从图4中可以看出，开口电压的输出随着声波振幅的增大而增大，在声波振幅相同时，电压在某一频率处达到最高，远离此最佳频率时电压逐渐降低。在频率为100Hz，声压级为78.5dB的声波激励下，开口电压的输出约为15V，在声压级为91.5dB时，开口电压输出约为58V，输出性能较好。

图4示出了根据本发明一个实施例的声波及振动传感装置在声波频率为80Hz，声压级为91.5dB时的充电容曲线。

从图4中可以看出，47微法的电容在声波及振动传感装置供电下从0V充电至2V仅用约10s时间，1000微法电容从0V充电至2V约需要280s时间，可见声波及振动传感装置对电容具有良好的充电能力。并且声波及振动传感装置输出的电能在电容中储存后可直接向小型传感器供电，可使温度传感器持续工作。声波及振动传感装置输出的电能可直接向LED灯供电，可同时并持续点亮60盏LED。

图5示出了本发明一个实施例的声波及振动传感装置为负载供电电路图。声波及振动传感装置为一收集声波及振动能量的摩擦纳米发电机，其输出为交流电，频率与声波或机械振动频率保持一致。摩擦纳米发电机输出的电能通过整流桥整流后变为直流电，可将电能储存于并接的电容中，电容充电后可直接向负载供电。

图6示出了本发明一个实施例的声波及振动传感装置监测柴油机振动图。最初柴油机处于停止状态，传感装置几乎没有信号输出；柴油机起动的一瞬间，传感装置检测到振动并产生一个较高的电压输出；随着柴油机稳定运行，传感装置输出电压稳定，其波形反应出柴油机振动的频率振幅等情况；柴油机停止过程中，传感装置再次产生一个渐高的电压，而后迅速降低至无信号状态。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种自驱动船舶振动监测及故障诊断系统，其特征在于，包括：包括声学及振动传感装置，处理模块，CAN总线和控制计算机；

其中：

所述声学及振动传感装置为一收集声波能量的摩擦纳米发电机，在有声波或者与振动物体直接接触的条件下，可输出电能；

所述摩擦纳米发电机包括：亥姆霍兹共振腔、带声孔铝膜、导电油墨印刷电极FEP膜和固定底盖。

所述亥姆霍兹共振腔为双管亥姆霍兹共振腔，包括双细管与下开口腔体，集中储存声波能量并放大声波振动；

所述带声孔铝膜，铝膜表面均匀分布密集圆孔，铝膜为强电正性材料，固定于共振腔体下开口处；

所述导电油墨印刷电极FEP膜，FEP膜背部印刷导电油墨电极，固定于铝膜下方；

所述固定底盖，位于装置最下方，将两膜与腔体牢固固定；

所述处理模块被配置为：接收传感装置发出的信号并进行运算处理，通过信号监测机械设备运行状态，并对其是否产生故障作出判断；

其中，所述处理模块所需的电能可由声学及振动传感装置供应，传感装置与处理模块组合构成自驱动的振动传感及故障诊断器；

通过机械设备发出的声波或与机械设备直接接触，监测机械设备运行，并且其可为自身提供电能，无外部电路供电时仍可正常工作；

所述CAN总线将各个振动传感及故障诊断器与控制计算机连接，形成通信网络，使传各个感器产生的数据及时有效被控制计算机接收；

所述控制计算机为控制中心，被配置为接收传感器发出的信号，判断机械设备是否正常运行，并对其运行作出控制。