CN115219132B - 一种介电双稳装置及无源自传感故障诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于故障诊断技术设备领域，尤其涉及一种介电双稳装置及无源自传感故障诊断系统。介电双稳装置包括信号增强结构和激励传导结构。信号增强结构包括介电弹性体膜和定位件，定位件的一端固定连接介电弹性体膜的膜表面，定位件的另一端固定设置。激励传导结构用于将振源的振动激励传导至介电弹性体膜，以驱动介电弹性体膜相对其与定位件的连接点进行往复的弹性形变，且介电弹性体膜能够产生与振动激励相关的电信号。本发明通过非线性的介电双稳装置的随机共振，使介电弹性体膜产生与振动激励相关的电信号，使湮没在噪声信号内的故障信号得到放大和增强，便于后续对故障信号进行分析和诊断，且无需对介电双稳装置提供电源输入。

Description

一种介电双稳装置及无源自传感故障诊断系统

技术领域

本发明属于故障诊断技术设备领域，尤其涉及一种介电双稳装置及无源自传感故障诊断系统。

背景技术

现如今，在科学技术日益发展的背景之下，我国在制造业的发展进入了高速阶段，因此故障诊断在制造领域的重要性愈发突出。故障诊断是一种了解和掌握机器在运行过程中的状态，确定其整体或局部正常或异常，早期发现故障及其原因，并能预报故障发展趋势的技术。设备故障诊断是对系统运行状态和异常情况做出判断，并为设备故障维修提供依据。在对设备进行故障诊断之前，首先需对其进行检测，在发生故障时，对故障类型、故障部位及原因进行诊断，最终给出解决方案，进行故障维修。目前的故障诊断技术主要是从振动监测、噪声监测、电信号监测等方式获取数据进行分析的，具体处理方法包括随机共振，盲反褶积方法，数据挖掘，递归神经网络等。

但是，在故障发生的早期阶段，设备信号中的故障特征微弱，再加上各种因素带来的干扰，使得故障信号极易发生故障漏判或误判。

因此，如何获取并放大微弱故障特征是设备早期故障诊断的重点和难点。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种介电双稳装置，旨在解决如何对设备作业过程中的故障信号进行增强的问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：

第一方面，提供一种介电双稳装置，其包括：

信号增强结构，包括介电弹性体膜和定位件，所述定位件的一端固定连接所述介电弹性体膜的膜表面，所述定位件的另一端沿背离所述介电弹性体膜的方向延伸并固定设置；以及

激励传导结构，连接所述介电弹性体膜的边缘，并用于将振源的振动激励传导至所述介电弹性体膜，以驱动所述介电弹性体膜相对其与所述定位件的连接点进行往复的弹性形变，且所述介电弹性体膜能够产生与所述振动激励相关的电信号。

在一些实施例中，所述激励传导结构包括具有弹性恢复力并用于传导所述振动激励的弹性件，所述弹性件设置有多个，各所述弹性件的一端均连接所述介电弹性体膜的边缘并沿所述介电弹性体膜的周向间隔布置，各所述弹性件的另一端沿背离所述介电弹性体膜的方向延伸并固定设置。

在一些实施例中，所述信号增强结构还包括振动组环，所述介电弹性体膜位于所述振动组环内且所述介电弹性体膜的边缘连接所述振动组环的内环侧面，各所述弹性件的一端均连接所述振动组环。

在一些实施例中，所述振动组环包括第一面环以及第二面环，各所述弹性件的一端均连接所述第一面环和所述第二面环，所述第一面环与所述第二面环层叠设置，且所述介电弹性体膜的边缘位于所述第一面环和所述第二面环之间，所述第一面环和所述第二面环相向夹紧所述介电弹性体膜的边缘。

在一些实施例中，所述弹性件包括固定设置的第一底座、连接所述振动组环的第二底座以及具有弹性恢复力且两端分别连接所述第一底座和所述第二底座的管簧。

在一些实施例中，所述弹性件还包括相对所述第一底座设置的第一固定板以及相对所述底座设置的第二固定板，所述管簧的两端分别连接所述第一固定板和所述第二固定板。

在一些实施例中，所述第二底座设有限位槽，所述振动组环部分位于所述限位槽并连接所述限位槽的槽壁。

在一些实施例中，所述弹性件布置有四个，四个所述弹性件沿所述介电弹性体膜的周向等弧度布置，且所述定位件的一端连接所述介电弹性体膜的中心位置。

在一些实施例中，所述定位件包括第一定位盘、第二定位盘以及两端分别连接所述第一定位盘和所述第二定位盘的定位柱，所述介电弹性体膜连接所述第一定位盘，所述第二定位盘固定设置。

第二方面，本申请实施例还提供一种无源自传感故障诊断系统，其包括如上所述的介电双稳装置，所述无源自传感故障诊断系统还包括监测诊断装置，所述监测诊断装置从所述介电弹性体膜接收并分析所述电信号。

本申请的有益效果在于：通过将介电双稳装置设置于设备的内部或外部，设备在运行过程中将其自身的振动激励传递至激励传导结构，使激励传导结构驱动介电弹性体膜相对其与定位件的连接点进行往复的弹性形变，即介电弹性体膜与激励传导结构的连接点具有两个稳态，两个稳态分别位于介电弹性体膜与定位件的连接点的两侧，进而使非线性的介电双稳装置能够发生随机共振，且介电弹性体膜产生与振动激励相关的电信号，而通过将振动激励转化成电信号，使湮没在噪声信号内的故障信号得到放大和增强，便于后续对故障信号进行分析和诊断，且无需对介电双稳装置提供电源输入。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或示范性技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本申请实施例提供的介电双稳装置的立体结构示意图；

图2是图1的介电双稳装置的信号增强结构和激励传导结构的立体结构示意图；

图3是图1的介电双稳装置的剖视示意图；

图4是图1的另一实施例中介电双稳装置的剖视示意图；

图5是图1的弹性件的立体结构示意图；

图6是图5的弹性件的另一实施例中的立体结构示意图。

其中，图中各附图标记：

100、介电双稳装置；10、信号增强结构；11、介电弹性体膜；12、振动组环；13、定位件；20、激励传导结构；21、弹性件；211、第一底座；212、管簧；213、第二底座；214、第二固定板；215、第一固定板；216、限位块；217、限位槽；218、第一收容区间；219、第二收容区间；111、容置腔；121、第一面环；122、第二面环；131、第二定位盘；132、定位柱；133、第一定位盘；134、法兰盘；31、底板；32、顶板；33、侧板；30、箱体。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本申请。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1至图3，本申请实施例提供了一种介电双稳装置100，其包括信号增强结构10和激励传导结构20。可选地，介电双稳装置100可以放置于待监测设备内部或外部，以监测和获取该设备在使用过程中的实时故障信号，通过对故障信号的分析，从而诊断设备的运行的实时情况，能够在故障的早期进行发现和诊断。可以理解的是，待监测设备在运行过程中会产生振动，振动能够传导致介电双稳装置。

可选地，信号增强结构10包括介电弹性体膜11和定位件13。可选地，介电弹性体膜11是一种三层结构的可变电容，介电弹性体膜11包括介电弹性薄膜及柔性电极，介电弹性薄膜的两侧表面均涂覆有柔性电极。在输入电压条件下，外力作用使介电弹性薄膜发生形变，引起介电弹性薄膜的电容变化，电容的变化可以产生电流，进而将机械能转化为电能。可选地，定位件13的一端连接介电弹性体膜11的膜表面，定位件13的另一端沿背离介电弹性体膜11的方向延伸并固定设置；可以理解的是，定位件13连接介电弹性体膜11的表面，以沿定位件13的长度方向限制部分介电弹性体膜11的移动。可选地，介电弹性体膜11处于静止状态时，定位件13的长度方向垂直介电弹性体膜11的膜表面。

请参阅图2至图4，可选地，激励传导结构20连接介电弹性体膜11的边缘，并用于将振源的振动激励传导至介电弹性体膜11，以驱动介电弹性体膜11相对沿其与定位件13的连接点进行往复的弹性形变，即介电弹性体膜11相对连接点具有两个稳态，连接点位于两个稳态之间，从而使介电弹性体膜11进行非线性的运动，进而使介电双稳装置100能够随待监测设备发生随机共振。介电弹性体膜11外接启动电压后，在往复的弹性变形中能够产生与振动激励相关的电信号。可选地，电信号可以为电流信号、电压信号或电容信号；振动激励包括噪声信号和湮没在噪声信号内的故障信号。可以理解的是，介电双稳装置100在随机共振过程中，将振动激励转化成电信号，而介电弹性体膜11所产生的电信号能够对湮没在噪声信号内的故障信号进行放大和增强，便于后续对故障信号的分析和诊断。可选地，电信号的强度大小与介电弹性体膜11的形变量相关，通过提高介电弹性体膜11的形变量，可以提高电信号的强度。

请参阅图2至图4，通过将介电双稳装置100设置于设备的内部或外部，设备在运行过程中将其自身的振动激励传递至激励传导结构20，使激励传导结构20驱动介电弹性体膜11相对其与定位件13的连接点进行往复的弹性形变，即介电弹性体膜11与激励传导结构20具有两个稳态，两个稳态分别位于介电弹性体膜11与定位件13的连接点的两侧，进而使非线性的介电双稳装置100能够发生随机共振，且介电弹性体膜11产生与振动激励相关的电信号，而通过将振动激励转化成电信号，使湮没在噪声信号内的故障信号得到放大和增强，便于后续对故障信号进行分析和诊断，且无需对介电双稳装置提供电源输入。

可选地，可以通过压电陶瓷发电、电磁感应发电或摩擦发电而对介电弹性体膜提供初始电压。

请参阅图2至图4，可选地，激励传导结构20包括具有弹性恢复力的弹性件21，弹性件21设置有四个，各弹性件21的一端均连接介电弹性体膜11的边缘并沿介电弹性体膜11的周向间隔布置。可选地，介电弹性体膜11沿其周向分为四个区域，各区域内均连接有一弹性件21。各弹性件21的另一端沿背离且平行介电弹性体膜11的方向延伸并固定设置；其中，各弹性件21在外部振动激励的作用下，带动介电弹性体膜11发生弹性形变。可以理解的是，介电弹性体膜11所产生的电信号与弹性件21受到的振动激励有关，即与待监测设备的运行情况有关。

请参阅图2至图4，可以理解的是，介电弹性体膜11所产生的电信号的相关参数与振动激励相关。可选地，介电弹性体膜11通过往复的弹性形变而将振动激励转化成电流信号。

可以理解的是，介电双稳装置100通过介电弹性体膜11弹性形变所产生电流，还能为自身提供电能，无需再接外部的电源。

在一些实施例中，信号增强结构10还包括振动组环12，介电弹性体膜11位于振动组环12内且介电弹性体膜11的边缘连接振动组环12的内环侧面，各弹性件21的一端均连接振动组环12，并沿振动组环12的周向间隔布置。

可选地，其中两弹性件21沿竖直方向布置，另外两个弹性件21沿某一水平面布置。介电双稳装置100沿竖直方向放置于待监测设备内，从而可以使各弹性件21能够将待监测设备的振动激励传导振动组环12，并驱动振动组环12相对介电弹性体膜11与定位件13的连接点进行往复移动并带动介电弹性体膜11相应的进行往复移动。可以理解的是，振动组环12同样也具有两个稳态，即介电双稳装置100为双稳态结构。

请参阅图2至图4，其中，双稳态结构指的是在一个动力系统中，受到外在激励时，可从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态，在两个稳定位置之间实现大范围跃迁，从而实现大的位移响应输出。本实施例中，在设备的振动激励下，振动组环12沿某一水平面进行往复振动，即振动组环12具有第一极限振动位置和第二极限振动位置，定位件13和介电弹性体膜11的连接处位于第一极限位置和第二极限位置之间。振动组环12从第一极限位置翻转至第二极限位置，或从第二极限位置翻转至第一极限位置时，能进行最大的位移响应，从而使介电弹性体膜11进行最大的弹性形变，从而增加电能的输出。

请参阅图2至图4，可以理解的是，振动组环12位于第一极限位置时，定位件13对介电弹性体膜11产生一个朝向第二极限位置的作用力，使振动组环12朝第二极限位置移动；振动组环12位于第二极限位置时，定位件13对介电弹性体膜11产生一个朝向第一极限位置的作用力，使振动组环12朝第一极限位置移动，从而构成一个双稳非线性动力学模型。

在一些实施例中，振动组环12包括第一面环121以及第二面环122，各弹性件21的一端均连接第一面环121和第二面环122，第一面环121与第二面环122层叠设置，且介电弹性体膜11的边缘位于第一面环121和第二面环122之间，第一面环121和第二面环122相向夹紧介电弹性体膜11的边缘。

请参阅图2至图4，可选地，第一面环121和第二面环122均由金属材料制成，比如不锈钢或铝合金。可选地，第一面环121的形状和第二面环122的形状适配，其可以为圆形面环、椭圆形面环或多边形面环，本实施例中，第一面环121和第二面环122均为圆形面环并通过螺纹结构进行可拆卸地连接，即通过在第一面环121和第二面环122的环表面均开设通孔，再将螺栓的一端穿设对应的两通孔并与螺母进行螺锁。介电弹性体膜11的形状也为圆形，且介电弹性体膜11的边缘夹持于第一面环121和第二面环122之间。

请参阅图5至图6，在一些实施例中，弹性件21包括固定设置的第一底座211、连接振动组环12的第二底座213以及具有弹性恢复力且两端分别连接第一底座211和第二底座213的管簧212。可选地，至少有一个第一底座211连接待监测设备，四个第二底座213沿振动组环12的周向等弧度布置。

请参阅图5至图6，在一些实施例中，弹性件21还包括相对第一底座211设置的第一固定板215以及相对底座设置的第二固定板214，管簧212的两端分别连接于第一固定板215和第二固定板214。

可选地，第一固定板215的一端朝第一底座211弯曲延伸并连接第一底座211，第一固定板215和第一底座211之间形成供部分管簧212收容的第一收容区间218，第一固定板215的另一端插入管簧212内，以连接管簧212，管簧212的一端部分收容于第一收容区间218。

请参阅图5至图6，可选地，第二固定板214的一端朝第二底座213弯曲延伸并连接第二底座213，第二固定板214和第二底座213之间形成供部分管簧212收容的第二收容区间219，第二固定板214的另一端插入管簧212内，以连接管簧212，管簧212的一端部分收容于第二收容区间219。

请参阅图5至图6，可以理解的是，通过调节管簧212位于第一收容区间218和/或第二收容区间219内的长度，可以调节管簧212的预紧长度，以适配不同的振动激励。可以理解的是，通过改变管簧的预紧长度，可以使管簧驱动振动环组获得最合适的跃迁位移响应输出，同时介电弹性体膜产生合适的形变量，以适配不同的振动激励。

可选地，可以收集和储存介电弹性体膜在弹性形变过程中所产生的电能，从而可以对其他设备提供电能。

可选地，为了增加双稳系统两侧稳定位置距离，增大跃迁位移响应输出以及介电弹性体膜11变形量，提高的电能输出效率和增加故障诊断的稳定性，可通过螺栓调节的方式更改弹簧的预紧长度达成。

请参阅图5至图6，在一些实施例中，第二底座213设有限位槽217，振动组环12部分位于限位槽217并连接限位槽217的槽壁。可选地，弹性件21还包括两限位块216，两限位块216均连接第二底座213并共同形成限位槽217，两限位块216通过螺纹结构而连接振动组环12。

请参阅图4，在一些实施例中，四个弹性件21沿介电弹性体膜11的周向等弧度布置，且定位件13连接介电弹性体膜11的中心位置。两非相邻设置的两定位件13之间的连线通过介电弹性体膜11的中心位置，从而可以使振动组环12于第一极限位置和第二极限位置之间平稳振动。

可以理解的是，弹性件21的数量也可以设置四个以上，此处不做限制，可以根据实际情况进行选择。

请参阅图3，在一些实施例中，定位件13包括第一定位盘133、第二定位盘131以及两端分别连接第一定位盘133和第二定位盘131的定位柱132，介电弹性体膜11连接第一定位盘133，第二定位盘131固定设置。

可选地，介电弹性体膜11可以胶粘于定位柱132的端面，或通过法兰盘134而连接于定位柱132的端面。法兰盘134开设有定位孔，介电弹性体膜11对应定位孔的位置开设有过孔，定位柱132的端面开设有螺纹孔，连接螺栓的螺纹端依次穿过定位孔和过孔，并螺锁于螺纹孔内，从而将介电弹性体膜11夹紧于法兰盘134和定位柱132的端面之间，且连接螺栓和过孔的配合，可以限制介电弹性体膜11的局部发生移动。

请参阅图1至图3，在一些实施例中，介电双稳装置100还包括箱体30，箱体30具有容置腔111，定位件13以及各弹性件21均连接容置腔111的内壁。

请参阅图1至图3，可选地，箱体30包括平铺放置于待监测设备上的底板31、与底板31相对设置的顶部以及依次连接的四块侧板33，各侧板33的两端分别连接底板31和顶板32，且共同形成容置腔111。其中，两弹性件21的一端沿竖直方向分别连接底板31和顶板32，另外两弹性件21沿水平方向分别连接两侧板33，定位件13的一端沿水平方向连接其中另一侧板33。

请参阅图1至图3，本发明还提出了一种无源自传感故障诊断系统，该无源自传感故障诊断系统包括介电双稳装置100，该介电双稳装置100的具体结构参照上述实施例，由于本无源自传感故障诊断系统采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此同样具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

在一些实施例中，无源自传感故障诊断系统还包括监测诊断装置，监测诊断装置连接介电弹性体膜11，可选地，监测诊断装置的两个电极分别电性连接介电弹性体膜11的两柔性电极，通过监测介电弹性体膜11在弹性形变过程中所产生的电信号，而获取和分析设备的故障信号，再通过监测诊断装置对故障信号进行分析，从而能够诊断处待监测设备的早期故障。

可以理解的是，介电弹性体膜11可以对监测诊断装置提供电能，从而进行自供电，提高了无源自传感故障诊断系统的使用范围和使用场景。

可选地，无源自传感故障诊断系统还包括显示器，显示器用于显示故障诊断的相关信息。

可选地，本申请的实施例提供的无源自传感故障诊断系统，是基于介电弹性体膜11的电容可变性质以及双稳结构进行振动，完成能量收集并进行自供电，且结合双稳系统随机共振的特性增强振动激励中微弱的故障信号。监测诊断装置进而对介电双稳装置所输出的电信号进行提取和分析，从而完成微弱信号的故障诊断，实现待监测设备的自传感实时诊断，提高了诊断的便利性和准确性。

以上仅为本申请的可选实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种介电双稳装置，其特征在置包括：

信号增强结构，包括介电弹性体膜和定位件，所述定位件的一端固定连接所述介电弹性体膜的膜表面，所述定位件的另一端沿背离所述介电弹性体膜的方向延伸并固定设置；以及

激励传导结构，连接所述介电弹性体膜的边缘，并用于将振源的振动激励传导至所述介电弹性体膜，以驱动所述介电弹性体膜相对其与所述定位件的连接点进行往复的弹性形变，且所述介电弹性体膜能够产生与所述振动激励相关的电信号，所述激励传导结构包括具有弹性恢复力并用于传导所述振动激励的弹性件，所述弹性件设置有多个，各所述弹性件的一端均连接所述介电弹性体膜的边缘并沿所述介电弹性体膜的周向间隔布置，各所述弹性件的另一端沿背离所述介电弹性体膜的方向延伸并固定设置。

2.如权利要求1所述的介电双稳装置，其特征在于：所述信号增强结构还包括振动组环，所述介电弹性体膜位于所述振动组环内且所述介电弹性体膜的边缘连接所述振动组环的内环侧面，各所述弹性件的一端均连接所述振动组环。

3.如权利要求2所述的介电双稳装置，其特征在于：所述振动组环包括第一面环以及第二面环，各所述弹性件的一端均连接所述第一面环和所述第二面环，所述第一面环与所述第二面环层叠设置，且所述介电弹性体膜的边缘位于所述第一面环和所述第二面环之间，所述第一面环和所述第二面环相向夹紧所述介电弹性体膜的边缘。

4.如权利要求2所述的介电双稳装置，其特征在于：所述弹性件包括固定设置的第一底座、连接所述振动组环的第二底座以及具有弹性恢复力且两端分别连接所述第一底座和所述第二底座的管簧。

5.如权利要求4所述的介电双稳装置，其特征在于：所述弹性件还包括相对所述第一底座设置的第一固定板以及相对所述底座设置的第二固定板，所述管簧的两端分别连接所述第一固定板和所述第二固定板。

6.如权利要求4所述的介电双稳装置，其特征在于：所述第二底座设有限位槽，所述振动组环部分位于所述限位槽并连接所述限位槽的槽壁。

7.如权利要求1-6任意一项所述的介电双稳装置，其特征在于：所述弹性件布置有四个，四个所述弹性件沿所述介电弹性体膜的周向等弧度布置，且所述定位件的一端连接所述介电弹性体膜的中心位置。

8.如权利要求1-6任意一项所述的介电双稳装置，其特征在于：所述定位件包括第一定位盘、第二定位盘以及两端分别连接所述第一定位盘和所述第二定位盘的定位柱，所述介电弹性体膜连接所述第一定位盘，所述第二定位盘固定设置。

9.一种无源自传感故障诊断系统，其特征在于，包括如权利要求1-8任意一项所述的介电双稳装置，所述无源自传感故障诊断系统还包括监测诊断装置，所述监测诊断装置从所述介电弹性体膜接收并分析所述电信号。

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