CN117941215A - 声学信号感测装置、及采用其的机械特性监测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
声学信号感测装置(100)、及采用其的机械特性监测系统(200)和方法(300)。声学信号感测装置(100)，包括：声学传感器阵列(102)，包括布置为阵列的多个声学传感器；保持部(104)，保持部(104)上布置声学传感器；以及电模块(106)，设置在保持部(104)上，电模块(106)包括通信单元、无线单元和信号处理单元中的至少一项。
Description
本公开通常涉及机械特性监测技术领域，更具体地，涉及声学信号感测装置、及采用其的机械特性监测系统和方法。
开关设备的误操作或者出现故障是产生意外电网维护的主要原因。
根据电网操作员的记录，开关设备，例如AIS(敞开式开关设备(Air Insulated Switchgear))、GIS(气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated Switchgear))和CB(断路器(Circuit Breaker))，占了电网设备总故障率的大多数，而其中大多故障发生在机械系统上。
开关设备产品和电网的可靠性等级相比以前的技术已经大大提高，已经开发了很多基于不同技术的监测系统，由于开关设备而引起的维护已经明显下降，然而在电网中仍然存在一些问题。也就是说，对于稳定、可预测并且精确的机械特性监测的需求并没有减少。
目前对开关设备的机械特性监测主要采用以下几种方法。
1、基于线圈的电流分析的状态监测。
线圈电流信号包含操作机构中的二次电路(包括辅助开关等)、线圈、机械锁定装置等的状态信息。如果与线圈动作关联的电路断路器部件异常，线圈电流将相应地改变。
电流分析是最常用的解决方案，已经被证明能够有效地识别与电磁致动系统有关的故障。然而，当操作机构的锁定装置被线圈触发并断开，线圈不再参与机构主体之后的运动过程，则操作机构的机械状态不能再在线圈电流信号中反映；并且有些机械特性变化，比如螺栓松动难以在线圈电流上反映。
2、接触运动行为的直接测量，比如行程对时间曲线。
在这种方案中，在操作机构中、或者在附近或者具有足够空间的其他位置处安装物理加速度传感器或编码器，具有较好的可行性和感测的可靠性。
这种方案可以直接监测开关设备沿着致动维度的机械特性，但是很难得到其他维度 的机械特性，同时，由于传感器安装在操作机构主体上，对操作机构的机械和电子都有潜在的风险。
3、振动监测
基于“声学指纹”的状态监测是基于振动信号。
与上面所述的接触运动行为信息相比，这种方案可以从振动信号(所谓的声学指纹)得到更多细节，并且使用高级的AI算法来识别状态特征。
除了行程信息，通过该方案可以得到更多的机械特征细节，目前是状态监测领域新的研究方向。
然而，这种方案无法覆盖所有的机械特征细节，并且对于传感器的安装条件有一些特殊要求。传感器不是直接安装在致动机构(移动部件)上，而是安装在机械系统上，因此不是真正的非接触安装。
发明内容
在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
有鉴于此，本发明提出了一种声学信号感测装置，以及利用该声学信号感测装置对开关装置进行机械特性监测的系统和方法。
根据本公开的一个方面，提供了一种声学信号感测装置，包括：声学传感器阵列，包括布置为阵列的多个声学传感器；保持部，用于布置所述声学传感器；以及电模块，设置在所述保持部上，所述电模块包括通信单元、无线单元和信号处理单元中的至少一项
可选地，在上述方面的一个示例中，所述声学传感器是麦克风。
可选地，在上述方面的一个示例中，所述声学传感器布置为矩形阵列、螺旋形阵列和十字形阵列中的一项。
根据本公开的另一方面，提供了一种机械特性监测系统，包括：待监测设备、上位机和根据以上所述的声学感测装置，其中，所述声学感测装置从所述待监测设备接收声学信号，并将接收到的声学信号发送给所述上位机，所述上位机对所述声学信号进行处理，并提取信号特征。
可选地，在上述方面的一个示例中，机械特性监测系统还包括：云服务器，所述云服务器从所述上位机接收所述信号特征，基于所述信号特征对所述待监测设备进行状态诊断、故障分析以及故障预测中的至少一项。
可选地，在上述方面的一个示例中，机械特性监测系统还包括：电流传感器、物理传感器和振动传感器中的至少一项，其中，所述电流传感器对所述待监测设备进行电流分析，所述物理传感器对所述待监测设备的致动机构的运动行为进行测量；所述振动传感器生成所述致动机构的振动信号。
根据本公开的另一方面，提供了一种机械特性监测方法，利用根据以上所述的声学感测装置，所述方法包括：声学感测装置从待监测设备接收声学信号，并将接收到的声学信号发送给上位机；所述上位机对所述声学信号进行处理，提取信号特征，并将所述信号特征发送给云服务器；以及所述云服务器基于所述信号特征对待监测设备进行状态诊断、故障分析或者故障预测中的任意一项。
与现有技术相比，本发明的技术方案至少具有以下优势中的一项。
声学传感器的阵列设计实现了对声学信号的三维测量和信号源定位，三维声学信号与传统的一维感测相比具有大量的机械信息，从而可以实现更精确的状态分析；
对于大多数情况，声学传感器阵列采用的是麦克风阵列，因此硬件成本很低；
根据本发明的声学信号感测装置可以在与待监测设备无接触的情况下对设备的声学信号进行感测，非接触安装使得其可以容易地应用于现有设备；
与采用物理传感器的解决方案相比，声学传感器没有安装位置和定位的要求，鲁棒性更好；
与视觉系统类似，声学系统是感知和描述三维工作的另一种方式，声学三维感测也需要计算资源和算法的支持，因此非常适合应用于具有边缘设备的环境中；
根据本发明的技术方案可以应用于需要机械特性监测的各种领域。
参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。附图中：
图1为根据本发明实施例的声学信号感测装置的示例性结构图；
图2示出了利用根据本发明实施例的声学信号感测装置来对设备进行机械特性监测的系统的示例性架构图；
图3为根据本发明实施例的机械特性监测方法的示例性过程的流程图。
其中，附图标记如下：
100：声学信号感测装置 102：声学传感器阵列
104：保持部 106：电模块
200：机械特性监测系统 202：待监测设备
204：上位机 206：云服务器
208：电流传感器等。 210：物理传感器
212：振动传感器 300：机械特性监测方法
S302、S304、S306：步骤
现在将参考示例实施方式讨论本文描述的主题。应该理解，讨论这些实施方式只是为了使得本领域技术人员能够更好地理解从而实现本文描述的主题，并非是对权利要求书中所阐述的保护范围、适用性或者示例的限制。可以在不脱离本公开内容的保护范围的情况下，对所讨论的元素的功能和排列进行改变。各个示例可以根据需要，省略、替代或者添加各种过程或组件。例如，所描述的方法可以按照与所描述的顺序不同的顺序来执行，以及各个步骤可以被添加、省略或者组合。另外，相对一些示例所描述的特征在其它例子中也可以进行组合。
如本文中使用的，术语“包括”及其变型表示开放的术语，含义是“包括但不限于”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“一实施例”表示“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”表示“至少一个其他实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象。下面可以包括其他的定义，无论是明确的还是隐含的。除非上下文中明确地指明，否则一个术语的定义在整个说明书中是一致的。
本发明提出了一种新的声学信号感测装置及利用这种声学信号感测装置来实现机械特征监测的系统和方法。
下面将结合附图来具体描述根据本公开的实施例的声学信号感测装置和机械特征监测系统和方法。
图1为根据本发明实施例的声学信号感测装置100的示例性结构图。
如图1所示，声学信号感测装置100包括声学传感器阵列102、保持部104和电模块106。
其中，声学传感器阵列102包括多个声学传感器，声学传感器例如可以是麦克风。多个声学传感器布置为阵列，具体地，根据声学信号感测装置应用于不同的设备，可以将多个声学传感器布置为矩形阵列、螺旋形阵列或者十字形阵列等形式。
保持部104是用于布置所述声学传感器的部件。例如，保持部104可以是基板、壳体、框架等上面可以安装声学传感器的部件。
电模块106设置在保持部104上，电模块104包括通信单元、无线单元和信号处理单元中的至少一项。其中，信号处理单元可以对声学传感器检测到的声学信号进行预处理，无线单元对声学信号感测装置100无线供电，通信单元可以将预处理的声学信号发送出去。
可以理解，在另一个实例中，也可以通过有线方式对声学信号感测装置100进行供电，或者电模块106不对声学信号进行预处理，因此，通信单元、无线单元和信号处理单元是电模块106可选的单元。
开关设备的所有机械问题都可以通过声音来反映，根据本发明的声学信号感测装置，采用声学传感器阵列，不同于单点声学采样，其可以提供三维声场扫描，同时可以对特定的声音采样进行定位；相比于其它传感器，声学传感器阵列提供了更详细的声音信息。
利用根据本发明实施例的声学信号感测装置的上述特性，例如可以对开关设备的局部放电进行检测和定位。
图2示出了利用根据本发明实施例的声学信号感测装置来对设备进行机械特性监测的系统200的示例性架构图。
机械特性监测系统200包括待监测设备202、上位机204和声学感测装置100。
待监测设备200例如可以是开关设备、断路器、接触器等。
可以理解，根据本发明的机械特性检测系统可以用于任何需要进行机械特性监测的设备，而不限定于以上所述的设备类型。
声学感测装置100可以安装在待监测设备202附近，而无需接触该设备的致动机构。例如，可以将声学感测装置100安装在开关柜的柜门上。
声学感测装置100从待监测设备202接收声学信号，并将接收到的声学信号发送给 上位机204。
上位机204对接收到的声学信号进行处理，并提取信号特征。这些信号特征可以表征待监测设备202的机械特性。
在一个示例中，机械特性监测系统200还可以包括云服务器206，上位机204将提取的信号特征发送给云服务器206，云服务器206基于所述信号特征对待监测设备202进行状态诊断、故障分析或者故障预测等。
多声道高清声学信号的处理需要较大的计算资源，其数据大小与视频数据相当，因此，在根据本发明实施例的机械特性监测系统200中，利用边缘计算更加合适，因此上位机204优选是边缘设备。
在一个示例中，机械特性监测系统200还可以包括电流传感器208、物理传感器210和振动传感器212等中的一项或多项。
其中，电流传感器208用于获取待监测设备的电流数据进行电流分析；物理传感器210例如是重力传感器，用于对待监测设备的致动机构的运动行为进行直接测量，获取运动数据；振动传感器212可以生成振动信号，来进行振动监测。
根据本发明实施例的机械特性监测系统，可以将基于声学信号提取的信号特征与利用电流传感器、物理传感器和振动传感器等所提取的信号特征相结合，从而能够识别更多种类的机械特性的改变，具有更好的准确度和稳定性。
图3为根据本发明实施例的机械特性监测方法300的示例性过程的流程图。
如图3所示，首先，在步骤S302中，声学感测装置从待监测设备接收声学信号，并将接收到的声学信号发送给上位机。
优选地，声学感测装置中的信号处理单元先对接收到的声学信号进行预处理，再将经过预处理的声学信号发送给上位机。
接着，在步骤S304中，上位机对声学信号进行处理，提取信号特征，并将信号特征发送给云服务器。
上位机可以采用已有的模型和算法来提取信号特征，本发明对于所采用的具体模型和算法不做限定，在此不再详述。
接着，在步骤S306中，云服务器基于所述信号特征对待监测设备进行状态诊断、故障分析或者故障预测等操作。
与现有技术相比，本发明的技术方案至少具有以下优势中的一项。
声学传感器的阵列设计实现了对声学信号的三维测量和信号源定位，三维声学信号与传统的一维感测相比具有大量的机械信息，从而可以实现更精确的状态分析；
对于大多数情况，声学传感器阵列采用的是麦克风阵列，因此硬件成本很低；
根据本发明的声学信号感测装置可以在与待监测设备无接触的情况下对设备的声学信号进行感测，非接触安装使得其可以容易地应用于现有设备；
与采用物理传感器的解决方案相比，声学传感器没有安装位置和定位的要求，鲁棒性更好；
与视觉系统类似，声学系统是感知和描述三维工作的另一种方式，声学三维感测也需要计算资源和算法的支持，因此非常适合应用于具有边缘设备的环境中；
根据本发明的技术方案可以应用于需要机械特性监测的各种领域。
应当理解的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式来描述，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。例如，对于上述关于装置的实施例、关于计算设备的实施例以及关于机器可读存储介质的实施例而言，由于它们基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
上文对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
上述各流程和各系统结构图中不是所有的步骤和单元都是必须的，可以根据实际的需要忽略某些步骤或单元。上述各实施例中描述的装置结构可以是物理结构，也可以是逻辑结构，即，有些单元可能由同一物理实体实现，或者，有些单元可能分别由多个物理实体实现，或者，可以由多个独立设备中的某些部件共同实现。
上面结合附图阐述的具体实施方式描述了示例性实施例，但并不表示可以实现的或者落入权利要求书的保护范围的所有实施例。在整个本说明书中使用的术语“示例性”意味着“用作示例、实例或例示”，并不意味着比其它实施例“优选”或“具有优势”。出于提供对所描述技术的理解的目的，具体实施方式包括具体细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施这些技术。在一些实例中，为了避免对所描述的实施例的概念造成难以理解，公知的结构和装置以框图形式示出。
本公开内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本公开内容。对于本领域普通技术人员来说，对本公开内容进行的各种修改是显而易见的，并且，也可以在不脱离本公开内容的保护范围的情况下，将本文所定义的一般性原理应用于其它变型。因此，本公开内容并不限于本文所描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
- 声学信号感测装置(100)，包括：声学传感器阵列(102)，包括布置为阵列的多个声学传感器；保持部(104)，所述保持部上布置所述声学传感器；以及电模块(106)，设置在所述保持部上，所述电模块包括通信单元、无线单元和信号处理单元中的至少一项。
- 如权利要求1所述的装置(100)，其中，所述声学传感器是麦克风。
- 如权利要求1所述的装置(100)，其中，所述声学传感器布置为矩形阵列、螺旋形阵列和十字形阵列中的一项。
- 机械特性监测系统(200)，包括：待监测设备(202)、上位机(204)和根据权利要求1-3中任意一项所述的声学感测装置(100)，其中，所述声学感测装置(100)从所述待监测设备(202)接收声学信号，并将接收到的声学信号发送给所述上位机(204)，所述上位机(204)对所述声学信号进行处理，并提取信号特征。
- 如权利要求4所述的系统(200)，还包括：云服务器(206)，所述云服务器(206)从所述上位机(204)接收所述信号特征，并基于所述信号特征对所述待监测设备(202)进行状态诊断、故障分析以及故障预测中的至少一项。
- 如权利要求4所述的系统(200)，还包括：电流传感器(208)、物理传感器(210)和振动传感器(212)中的至少一项，其中，所述电流传感器(208)获取所述待监测设备(202)的电流数据，所述物理传感器(210)对所述待监测设备(202)的致动机构的运动行为进行测量获取运动数据；所述振动传感器(212)获取所述致动机构的振动信号，所述电流传感器(208)、所述物理传感器(210)和所述振动传感器(212)分别将其获取的数据发送至所述上位机(204)。
- 机械特性监测方法，采用根据权利要求1-3中任意一项所述的声学感测装置，所述方法包括：声学感测装置从待监测设备接收声学信号，并将接收到的声学信号发送给上位机；所述上位机对所述声学信号进行处理，提取信号特征，并将所述信号特征发送给云 服务器；以及所述云服务器基于所述信号特征对待监测设备进行状态诊断、故障分析或者故障预测中的任意一项。
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