CN112393800A - 一种声振信号联合的监测装置 - Google Patents

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CN112393800A CN202011175232.2A CN202011175232A CN112393800A CN 112393800 A CN112393800 A CN 112393800A CN 202011175232 A CN202011175232 A CN 202011175232A CN 112393800 A CN112393800 A CN 112393800A
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刘祖斌
邱颖楠
赵逸平
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Abstract

一种声振信号联合的监测装置，包括：底座，其底部固装在待测设备上，电路板安装在其上；壳体，拆卸式安装在底座的上部；电路板，包括监测模块与控制模块；监测模块包括声波采集装置及振动采集装置；以及控制模块，设置在电路板上，由单片机构成，所述单片机通过焊接的方式安装在电路板上，单片机的信号输入端通过电路分别与声波采集装置的信号输出端、振动采集装置的信号输出端电连接，单片机的信号输出端通过数据线与待测设备的主控制器电连接；所述单片机通过变压器与外部电源相连，用于对单片机进行供电。本发明的有益效果是：利用声音与振动两种信号对设备进行联合监测，使监测装置的监测更加全面、有效、精准，提前判断对象故障。

Description

一种声振信号联合的监测装置
技术领域
本发明涉及一种声振信号联合的监测装置，属于监测装置领域。
背景技术
随着人们生活水平的提高，大家对于安全越来越重视、对生活品质要求越来越高。人类在大量使用机械作业的现代化过程中，伴随而来会产生各种各样机械的振动和声音，而这些振动和声音信号可以反映机械运行的状态。针对于此，国内外学者已经提出了多种声音与振动监测技术以获取机械设备的运行状态信息，相应的硬件设备也日趋完善。
但是，关于声振信号联合监测的技术研究相对较少，对应的硬件设备几乎没有，目前声音和振动的监测硬件全都是分离的，测量过程也是分离的。目前国内外对于可以同时监测声音与振动信息的单个硬件的研究查找不到公开资料，几乎所有研究和应用都是采用单声信号或单振动信号监测，这样的技术面临状态判断精度受限，应用场景受限，监测成本过大等问题，因此难以实现广泛的工业。
发明内容
本发明的内容在于设计一种声振信号联合监测装置，用于同时在线监测声音与振动两种信号，使机械设备的状态监测更加全面、精准和经济，实现提前判断对象故障，提前进行保养和维护，减少因故障或停产带来的社会经济损失，对于工业数字化智能化升级具有重要的意义。本发明可应用于工业设备、桥梁、建筑等方面，具有广泛的通用性。
本发明所述的一种声振信号联合的监测装置，其特征在于，包括：
底座，其底部固定安装在待测设备结构上，电路板安装在其上。
壳体，拆卸式安装在底座的上部，壳体内部中空形成中空腔，壳体侧面设计有可与中空腔连通的声波采集孔，用于使外部声波穿透壳体被内部的声波采集装置采集；侧面还设有通线孔，供各种接线通过。
以及电路板，形状为圆形，包括监测模块与控制模块；其中：
监测模块，包括声波采集装置及振动采集装置，所述声波采集装置、所述振动采集装置均安装在电路板上，并且声波采集装置的声波采集前端对准壳体底部的声波采集孔，用于接收从声波采集孔穿透的声波；所述声波采集装置的信号输出端、所述振动采集装置的信号输出端通过电路与控制模块相应的信号输入端电连接，用于将采集的声波信号以及振动信号传输给控制模块进行处理。
控制模块设置在电路板上，由单片机构成，所述单片机通过焊接的方式安装在电路板上，单片机的信号输入端通过电路分别与所述声波采集装置的信号输出端、所述振动采集装置的信号输出端电连接，并且所述的单片机的信号输出端通过数据线与待测设备的主控制器电连接，用于将接收的声波信号和振动信号传输至主控制器以进行分析处理；所述单片机通过外部变压器与外部电源相连，用于对单片机进行供电。
所述壳体为一空心的圆柱，底座为一可与壳体底部螺纹连接的圆盘，并且所述底座上开有三个周向分布的通孔，用于安装固定电路板，并且可将底座与电路板共同安装在待测设备结构上。所述声波采集装置为麦克风传感器，通过SMD贴片方式固定在电路板上，用回流焊接的方法接入电路；所述数字麦克风传感器共采用三个，按照圆周均布的方式安装在电路板上并且尽可能靠近电路板边缘，电路板的直径可根据实际安装需要设计为50mm至150mm，此种方式布置三个数字麦克风传感器可以组成小型的环形麦克风阵列，使用麦克风阵列可以有效地抑制远场噪声，准确地采集到目标声信号，也可为后续需进行噪声源定位提供技术基础。
所述数字麦克风对应的壳体外壁对应设有声波采集孔，所述声波采集孔为三条并排的条形孔。
所述振动采集装置为数字加速器传感器，通过SMD贴片方式固定在电路板上，用回流焊接的方法接入电路；所述数字加速度传感器共采用一个，安装在电路板的中间位置。
所述的数字麦克风采用的是MEMS数字式音频传感器，例如意法半导体公司的MP34DT06J；所述的加速度传感器采用的是MEMS三轴加速度传感器，例如亚德诺半导体公司的ADXL345型号，用于对设备的三个方向进行振动信号采样。
所述单片机采用的是闪存微控制器，针对控制要求不同，可选用意法半导体公司的STM32系列等，用于控制数字麦克风和加速度传感器的工作，具体控制方法如下：
首先初始化单片机的定时器、终端、工作状态和串口等；然后设定单片机的定时器工作方式1，设定定时时间为1s，如此单片机每隔1s就对数字麦克风传感器和加速度传感器收集到的信号进行一次采样，保证对信号有很好的跟随性，采样频率选择为40kHz；最后单片机将一个周期采样所得的信号打包通过6芯带屏蔽的数据线发送给主机进行处理。
本发明的工作原理是：以工业机械设备或者桥梁、建筑等的声波信号与振动信号为原始数据，通过数字麦克风阵列采集声波信号，通过加速度传感器采集振动信号，通过I/O接口将采集的声波信号、振动信号送入单片机中，单片机通过6芯带屏蔽的数据线将数据发送到主机，主机运用相关算法对数据进行分析处理，实现对被测对象运行状态的监测。若被测对象处于异常状态，系统报警提醒远程工作人员及时排除故障，由此保证被测对象的正常运行。
本发明的有益效果是：利用声音与振动两种信号对设备进行联合监测，使监测装置的监测更加全面、有效、精准，提前判断对象故障，提前进行保养和维护，对机械设备或者建筑等对象的远程监测具有重要的意义。此外，本发明中的监测单元安装方便，通用性强，可用于多种监测场景。
附图说明
图1为本发明一种声振信号联合的监测装置的结构示意简图(不包含螺钉等标准件)；
图2为本发明电路板上麦克风传感器布置图；
图3为本发明一种声振信号联合的监测装置内部电路接线图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
参照附图：
实施例1本发明所述的一种声振信号联合的监测装置，包括：
底座2，其底部固装在待测设备结构上，上部开三个通孔，用于固定安装电路板3；
壳体1，拆卸式安装在底座2的上部，壳体1内部中空形成中空腔，侧面设有可与中空腔连通的通线孔11，用于供各种接线通过；壳体1侧面设有可与中空腔连通的声波采集孔12，用于使外部声音产生的声波穿透壳体被监测模块采集；
以及电路板3，包括设置在其上的监测模块与控制模块；其中：
监测模块包括声波采集装置以及振动采集装置，所述声波采集装置、所述振动采集装置均安装在电路板上，并且声波采集装置的声波采集前端对准壳体侧面的声波采集孔，用于接收从声波采集孔穿透的声波；所述声波采集装置的信号输出端、所述振动采集装置的信号输出端通过电路与控制机构相应的信号输入端电连接，用于将采集的声波信号以及振动信号传输给控制机构进行处理；
控制模块设置在电路板上，为一单片机33，所述单片机通过焊接的方式安装在电路板上，单片机的信号输入端通过电路分别与所述声波采集装置的信号输出端、所述振动采集装置的信号输出端电连接，并且所述的单片机的信号输出端通过数据线与待测设备的主控制器电连接，用于将接收的声波信号和振动信号传输至主控制器以进行分析处理；所述单片机通过外部变压器与外部电源相连，用于对单片机进行供电。
所述壳体1为一空心的圆柱，底座2为一可与壳体底部螺接的圆盘，底座上设有三个通孔，用于安装电路板3。
所述声波采集装置包括三个麦克风传感器31，且数字麦克风的信号输出端与所述单片机的信号输入端电连接，用于将声波数据传输给单片机；
所述数字麦克风对应的壳体侧面对应设有声波采集孔，所述声波采集孔为三条竖直并排的条形孔。
所述振动采集装置为加速器传感器32，且加速器传感器焊接在电路板上，其信号输出端通过电路与所述单片机的相应信号输入端电连接，用于将采集的振动信号传输给单片机进行处理。
所述单片机33、数字麦克风传感器31与加速度传感器32三者之间的电路接线如图3所示。加速度传感器的VCC引脚接电源实现供电；SDO、SDA为串行输入引脚，与单片机的I/O(P1口)引脚相接，实现振动信号的输入；INT1、INT2为中断输出引脚，接入单片机中，可以在单片机对振动信号采样时停止输入后续的信号，达到节能的效果；SCL为时钟引脚，可以与单片机设定好的时钟同步，即前述单片机每隔20ms采样一次，振动传感器每隔20ms输入一次信号。三个数字麦克风传感器的Vdd引脚接电源实现供电；DOUT为信号输出引脚，与单片机的I/O(P0口)引脚相接，实现声波信号的输入；CLK可以同步时钟信号输入，达到与单片机同步工作的效果，也即单片机每隔20ms对声波信号采样一次，数字麦克风也每隔20ms输入一次声波信号。为各部件的GND引脚都必须接地，保证系统的安全运行。
所述的数字麦克风采用的型号是MP34DT06J，采用HCLGA封装；所述的加速度传感器采用的是ADXL345型号，用于对设备的三个方向进行振动信号采样；所述单片机的型号为STM32F103，用于控制数字麦克风和加速度传感器的工作。
实施例2本实施例所述的一种声振信号联合监测装置，包括：壳体1、底座2、设置在底座上的电路板3，，整个装置通过变压器外接电源实现供电。
电路板3作为整个监测装置的核心部分，主要包括监测模块与控制模块两部分。
所述监测模块包括数字麦克风31、加速度传感器32与6芯带屏蔽的数据线，所述数字麦克风传感器共采用三个，按照圆周均布的方式安装在电路板上并且尽可能靠近电路板边缘，分布圆的直径Φ为95mm，此种方式布置三个数字麦克风传感器可以组成小型的环形麦克风阵列，使用麦克风阵列可以有效地抑制远场噪声，准确地采集到目标声信号，也可为后续需进行噪声源定位提供技术基础。
所述控制模块为单片机33，型号为STC89C52，通过焊接的方式固定在电路板3上。另外单片机分别与三个数字麦克风和加速度传感器连接，用于控制监测单元内的四个传感器的工作。
三个所述的数字麦克风传感器31的输出端与单片机的输入端相接，加速度传感器32的输出端与单片机的输入端相接，用于将待测设备的声波信号和振动信号，另外通过6芯带屏蔽的数据线将监测机构采集的信号传输到待测设备的主控制器中进行分析处理。
所述的加速度传感器32采用的是ADXL345型号，这是一个三轴加速度传感器，可分别对设备的三个方向进行振动信号采样，并且无需数模转换，直接数字量输出。
所述的麦克风传感器31采用的型号是MP34DT06J，采用HCLGA封装，具有体积小、低失真、成本低、适用广泛等优点。
壳体1采用ABS材料，外形为圆柱形，壳体的下端敞开，上端面设有通线孔，且在安装后正对三个数字麦克风的位置分别开三条细竖孔以便外部声音传入壳体内，可被麦克风采集；底座2设计成圆盘状，材料采用40号钢，可更好地传递振动，让加速度传感器采集更准确的振动信号。所述壳体与底座之间通过螺纹连接，拆装维护方便。底座与设备外壁或内壁通过螺钉连接。
实施例3本发明一种声振信号联合的监测装置，包括壳体1、底座2、设置在底座上电路板3，其中电路板3包括监测模块与控制模块两部分。
监测模块主要负责采集电梯运行过程中的声波信号与振动信号并传输给主机进行分析，其包括三个数字麦克风31、加速度传感器32以及6芯带屏蔽的数据线(附图中省略)。
控制模块主要用于控制监测模块中的数字麦克风31和加速度传感器32的运行，为一单片机42，型号为STC89C52，其中单片机42与麦克风传感器31和加速度传感器32分别接通，52单片机通过外部变压器接入外部电源进行供电。
壳体1为圆柱形，内壁可方便排线，且在与底座2安装后正对三个数字麦克风31的位置开有三个小竖孔，便于数字麦克风31采集声波信号。
底座2为一圆盘，设有多个安装螺孔，通过相应的螺栓与电路板一同安装在设备表面。
加速度传感器32采用的是ADXL345型号，这是一个三轴加速度传感器，可分别对设备的三个方向进行振动信号采样，并且无需数模转换，直接数字量输出；麦克风传感器31采用的型号是MP34DT06J，采用HCLGA封装，具有体积小、低失真、成本低、适用广泛等优点。
本发明监测装置的工作流程为：首先如图1所示安装好各部件，壳体1暂时不旋在底座上。将底座2与电路板3一起安装在待测设备表面，用螺钉固定住，通过变压器接入电源，各线路接好，然后再将壳体1通过螺纹旋在底座2上。基本步骤到此已经结束，随后工作人员只需远程观察主控制器上获得的已分析好的数据，发现警报并及时处理。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.一种声振信号联合的监测装置，其特征在于，包括：
底座，其底部固装在待测设备结构上，电路板安装在其上；
壳体，拆卸式安装在底座的上部，壳体内部中空形成中空腔，侧面有可与中空腔连通的通线孔，用于供各种接线通过；壳体侧面设有可与中空腔连通的声波采集孔，用于使外部声波穿透壳体被采集装置采集；
以及电路板，包括监测模块与控制模块；其中：
监测模块包括声波采集装置及振动采集装置，所述声波采集装置、所述振动采集装置均安装在电路板上，并且声波采集装置的声波采集前端对准壳体底部的声波采集孔，用于接收从声波采集孔穿透的声波；所述声波采集装置的信号输出端、所述振动采集装置的信号输出端通过电路与控制模块相应的信号输入端电连接，用于将采集的声波信号以及振动信号传输给控制模块进行处理；
控制模块设置在电路板上，由单片机构成，所述单片机通过焊接的方式安装在电路板上，单片机的信号输入端通过电路分别与所述声波采集装置的信号输出端、所述振动采集装置的信号输出端电连接，并且所述的单片机的信号输出端通过数据线与待测设备的主控制器电连接，用于将接收的声波信号和振动信号传输至主控制器以进行分析处理；所述单片机通过外部变压器与外部的电源相连，用于对单片机进行供电。
2.如权利要求1所述的一种声振信号联合的监测装置，其特征在于：所述壳体为一空心的圆柱，底座为一可与壳体底部螺纹连接的圆盘，并且所述底座上开有三个周向分布的通孔，用于安装固定电路板，并且可将底座与电路板共同安装在待测设备结构上。
3.如权利要求2所述的一种声振信号联合的监测装置，其特征在于：所述声波采集装置为麦克风传感器，通过SMD贴片方式固定在电路板上，用回流焊接的方法接入电路；所述数字麦克风传感器共采用三个，按照圆周均布的方式安装在电路板上。
4.如权利要求3所述的一种声振信号联合的监测装置，其特征在于：所述数字麦克风对应的壳体外壁对应设有声波采集孔，所述声波采集孔为三条并排的条形孔。
5.如权利要求2所述的一种声振信号联合的监测装置，其特征在于：所述振动采集装置为加速器传感器，且加速度传感器通过贴片方式安装在电路板上，其信号输出端通过电路与所述单片机的相应信号输入端电连接，用于将采集的振动信号传输给单片机进行处理。
6.如权利要求5所述的一种声振信号联合的监测装置，其特征在于：所述的数字麦克风采用的型号是MP34DT06J，采用HCLGA封装；所述的加速度传感器采用的是ADXL345型号，用于对设备的三个方向进行振动信号采样；所述单片机的型号为STM32F103，用于控制数字麦克风和加速度传感器的工作。
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