TWI681371B - 振動與聲波整合感測系統及方法 - Google Patents

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Abstract

一種振動與聲波整合感測系統及方法，係包括至少一振動感測模組，安裝定位在一標的物的至少一選定位置，該至少一振動感測模組包括一振膜組件，用以感測一標的物的至少一振動能量並據以產生至少一振動信號、以及感測該標的物的至少一聲波能量及/或環境聲波能量並據以產生至少一聲波信號。該振膜組件包括有一膜片。一信號處理電路，包括一振動信號迴路，連接於該至少一振膜組件，用以接收及傳送該至少一振動信號;一聲波信號迴路，連接於該至少一振膜組件，用以接收及傳送該至少一聲波信號。

Description

振動與聲波整合感測系統及方法
本發明係有關於一種信號感測技術，尤指一種用於感測振動與聲波的整合感測系統及方法。
為了因應各種產業領域需求，業者開發出各種不同的機器設計。由於各項產業技術不斷進展，業者都希望都能達到精密、完善、簡易的要求。因此，如何設計出能對機器設備或機件進行精確檢測的技術，即成為業者很重要的課題。
以目前各種產業所使用的機械手臂為例，當利用機械手臂對標的物品進行加工過程中，有可能會因為機械本身的異常或環境週遭的條件改變而導致整個加工產生問題，進而使物品成為不良品。又例如車輛在行進中，若車輛本身機件異常、不慎撞及物體或受到他車碰撞..等各種狀況。
現行技術中，若要檢測前述的各種狀況，一般是由人工定期檢查、保養來達成，雖然業界亦有利用例如溫度計、電流計、相位計、超音波、紅外線或其它檢知器來檢測異常狀況，但仍無法因應實際的需求。尤其是針對某些微量變化、聲頻範圍的感測方面，目前更是缺乏。
故，有必要提供一種可用來感測振動與聲波的感測系統及方法，以解決習用技術中所存在的問題。
本發明的一目的即是提供一種振動與聲波整合感測系統，以期當本發明安裝結合於標的物時，能對該標的物的本身運作狀態及週遭環境進行檢測。
本發明提供一種振動與聲波整合感測系統，係包括至少一振動感測模組，安裝定位在一標的物，該至少一振動感測模組包括一振膜組件，用以感測一標的物的至少一振動能量並據以產生至少一振動信號、以及感測該標的物的至少一聲波能量及/或環境聲波能量並據以產生至少一聲波信號。該振膜組件包括有一膜片。一信號處理電路，包括一振動信號迴路，連接於該至少一振膜組件，用以接收及傳送該至少一振動信號;一聲波信號迴路，連接於該至少一振膜組件，用以接收及傳送該至少一聲波信號。
本發明藉由一個或多個振動感測模組感測標的物的不同選定位置的不同振動能量和聲波能量及/或環境聲波能量，以精確檢測出該標的物的運作狀態或異常狀態，也可以檢測出標的物週遭環境的狀態，以供執行後續的處置程序。本發明可應用在各種不同應用領域，例如機械手臂、工具機、切割機、鑽孔機、鋸台、可移動裝置、車輛、家用產品...等各種不同標的物。
本發明應用在例如冰箱門未正常關閉時的壓縮機工作狀態、馬桶水箱或水管持續的漏水，所造成長時間異於平常的震動或聲音，只要簡單貼附的操作即可達到偵測的目的。
參閱圖1所示，其顯示本發明第一實施例振動與聲波整合感測系統的電路方塊圖。本發明的振動與聲波整合感測系統是由一個或多個振動感測模組1所組成。每一個振動感測模組1具有一基體11，適於安裝定位在一標的物的一選定位置。
一振膜組件12設置在該基體11中且位在對應於該基體11所開設的一開口111位置處。振膜組件12包括一膜片13，用以感測標的物的振動能量V並據以產生一振動信號S1、以及感測該標的物本身所產生的聲波能量U1及/或該標的物所在位置週遭的環境聲波能量U2並據以產生至少一聲波信號S2。
一信號處理電路2連接於該振膜組件12。信號處理電路2中包括一振動信號迴路21，用以接收及傳送該振動信號S1。振動信號迴路21包括一振動信號放大電路211，連接於該振膜組件12，用以接收該振膜組件12感測到的該標的物的振動信號S1;一振動信號濾波電路212，連接於該振動信號放大電路211，用以對該至少一振動信號S1進行濾波;一類比至數位轉換器213，連接於該振動信號濾波電路212，用以將該濾波後的該振動信號S1轉換成數位型式的數位振動信號。
信號處理電路2中尚包括一聲波信號迴路22，用以接收及傳送該聲波信號S2。該聲波信號迴路22包括一聲波信號放大電路221，連接於該振膜組件12，用以接收該振膜組件12感測到的週遭環境的至少一聲波信號S2;一聲波信號濾波電路222，連接於該聲波信號放大電路221，用以對該至少一聲波信號S2進行指定頻率範圍濾波;一類比至數位轉換器223，連接於該聲波信號濾波電路222，用以將該濾波後的該聲波信號S2轉換成數位型式的數位聲波信號。
該信號處理電路2中還包括一處理單元23，該處理單元23連接於該振動信號迴路21和該聲波信號迴路22，用以接收該振動信號S1和該聲波信號S2。
振動與聲波整合感測系統中可包括一電能單元3，用以供應工作電能予振膜組件12、處理單元23及其它電路組件。依應用的型式或使用者的需求，電能單元3亦可改由一外界電能經由連接至振動感測模組1的電力導線以供應該工作電能。
振膜組件12是一個可以經由膜片13感測到外界振動能量及聲音能量的組件。例如，圖2顯示振膜組件12可包括一感應線圈14及一對應的磁性體15，當膜片13感測到外界振動能量及聲音能量時可由感應線圈14產生一感應電壓送至信號處理電路2。
圖3顯示另一型式的振膜組件12可包括一個與膜片13平行間隔配置的背板16，當膜片13感測到外界振動能量及聲音能量時，膜片13與背板16間產生微量的電容變化而產生一感應電壓送至信號處理電路2。
參閱圖4所示，其顯示本發明第二實施例振動與聲波整合感測系統的電路方塊圖。本實施例的電路組成構件與第一實施例大致相同，故相同元件乃標示相同的元件編號，以資對應。在本實施例中，信號處理電路2更包括一加速度感測器24，其係電連接於該處理單元23，該加速度感測器24感測到標的物的一加速度信號S3時，產生一啟動信號至該處理單元23，再由處理單元23控制一開關元件31，用以啟動該振膜組件12和信號處理電路2，如此可以達到省電的目的。
此外，信號處理電路2亦可包括一角加速度感測器25，其係電連接於該處理單元23，該角加速度感測器25感測到標的物的一角加速度信號S4時，產生一啟動信號至該處理單元23，再由處理單元23控制一開關元件31，用以啟動該振膜組件12和信號處理電路2。
本發明依應用的型式或使用者的需求，加速度感測器24和角加速度感測器25可以內建在振動與聲波整合感測系統中，也可以配置在振動與聲波整合感測系統的外部。
處理單元23在接收振動信號S1和聲波信號S2後，可以習知的資料儲存裝置予以儲存或以有線/無線方式予以輸出至一外界裝置(例如中央控制台、電腦、手持裝置、遠端伺服器、網路儲存器...等)。例如，處理單元23可連接一無線發射器4，即可將該振動信號S1和聲波信號S2以無線傳送的方式傳送出。
前述兩個實施例中，是以分開的振動信號迴路21和聲波信號迴路22分別接收及傳送振動信號及聲波信號，在實際製作時，亦可以整個該振動信號迴路21和聲波信號迴路22成為一單一迴路以接收及傳送振動信號及聲波信號，然後再於處理單元23將接收的振動信號及聲波信號以軟體程式技術予以區分及處理。
圖5顯示本發明的應用例一。在此應用例中，標的物5是一機器手臂，在標的物5的一個或多個選定位置處，分別安裝設置一振動感測模組1，以組成本發明的振動與聲波整合感測系統。藉由各個振動感測模組1感測標的物5的不同選定位置的不同振動能量V和聲波能量U1及/或環境聲波能量U2，可檢測出該標的物5的運作狀態或異常狀態(例如機件故障)，也可以檢測出標的物5週遭環境的狀態，以供執行後續的處置程序。圖5所示的實施例中，係在標的物5的三個不同位置分別安裝一個振動感測模組1，而該三個振動感測模組1的安裝角度係使三個振動感測模組1中的膜片13分別指向X、Y、Z軸三個方向,如此可分別感測該標的物5在X、Y、Z三個軸向的振動狀況及指向聲波。
圖6顯示本發明的應用例二。在此應用例中，標的物5是一可移動的車輛，在標的物5的一個或多個選定位置處，分別安裝設置一振動感測模組1，以組成本發明的振動與聲波整合感測系統。藉由各個振動感測模組1感測標的物5的不同選定位置的不同振動能量V及聲波能量U1及/或環境聲波能量U2，可檢測出該標的物5的運作狀態或異常狀態(例如是否受到碰撞)，也可以檢測出標的物5週遭環境的狀態，以供執行後續的處置程序。
圖7顯示本發明的流程圖。本發明在執行振動與聲波的感測時，其步驟包括: 步驟101:製備至少一振動感測模組，至少一振動感測模組包括一具有膜片的振膜組件及具有一振動信號迴路及一聲波信號迴路的信號處理電路; 步驟102:將至少一振動感測模組安裝定位於標的物的至少一選定位置; 步驟103:由振膜組件感測標的物的振動能量，並據以產生一振動信號; 步驟104:由振膜組件感測標的物的聲波能量及/或該標的物所在位置週遭的環境聲波能量，並據以產生至少一聲波信號; 步驟105:將振動信號通過振動信號迴路傳送、以及將該至少一聲波信號通過聲波信號迴路傳送。 步驟106:接收該振動信號和該聲波信號，並以有線或無線方式輸出至一外界接收裝置(例如中央控制台、電腦、手持裝置、遠端伺服器、網路儲存器...等)。
以上實施例僅為例示性說明本發明之結構設計，而非用於限制本發明。任何熟於此項技藝之人士均可在本發明之結構設計及精神下，對上述實施例進行修改及變化，唯這些改變仍屬本發明之精神及以下所界定之專利範圍中。因此本發明之權利保護範圍應如後述之申請專利範圍所列。
1‧‧‧振動感測模組
11‧‧‧基體
111‧‧‧開口
12‧‧‧振膜組件
13‧‧‧膜片
14‧‧‧感應線圈
15‧‧‧磁性體
16‧‧‧背板
2‧‧‧信號處理電路
21‧‧‧振動信號迴路
211‧‧‧振動信號放大電路
212‧‧‧振動信號濾波電路
213‧‧‧類比至數位轉換器
22‧‧‧聲波信號迴路
221‧‧‧聲波信號放大電路
222‧‧‧聲波信號濾波電路
223‧‧‧類比至數位轉換器
23‧‧‧處理單元
24‧‧‧加速度感測器
25‧‧‧角加速度感測器
3‧‧‧電能單元
31‧‧‧開關元件
4‧‧‧無線發射器
5‧‧‧標的物
S1‧‧‧振動信號
S2‧‧‧聲波信號
S3‧‧‧加速度信號
S4‧‧‧角加速度信號
U1‧‧‧聲波能量
U2‧‧‧環境聲波能量
V‧‧‧振動能量
圖1是本發明第一實施例的電路方塊圖。 圖2顯示圖1中振動感測組件的一實施例型式的示意圖。 圖3顯示圖1中振動感測組件的另一實施例型式的示意圖。 圖4是本發明第二實施例的電路方塊圖。 圖5顯示本發明的應用例一。 圖6顯示本發明的應用例二。 圖7顯示本發明的流程圖。
1‧‧‧振動感測模組
11‧‧‧基體
111‧‧‧開口
12‧‧‧振膜組件
13‧‧‧膜片
2‧‧‧信號處理電路
21‧‧‧振動信號迴路
211‧‧‧振動信號放大電路
212‧‧‧振動信號濾波電路
213‧‧‧類比至數位轉換器
22‧‧‧聲波信號迴路
221‧‧‧聲波信號放大電路
222‧‧‧聲波信號濾波電路
223‧‧‧類比至數位轉換器
23‧‧‧處理單元
3‧‧‧電能單元
31‧‧‧開關元件
S1‧‧‧振動信號
S2‧‧‧聲波信號
S3‧‧‧加速度信號
S4‧‧‧角加速度信號
U1‧‧‧聲波能量
U2‧‧‧環境聲波能量
V‧‧‧振動能量

Claims (8)

  1. 一種振動與聲波整合感測系統，用以感測一標的物的振動能量和該標的物所產生的聲波能量及/或該標的物所在位置週遭的環境聲波能量，該系統包括至少一振動感測模組，安裝定位在該標的物，該至少一振動感測模組包括：一振膜組件，定位在該標的物的一選定位置，用以感測該標的物的至少一振動能量並據以產生至少一振動信號、以及感測該標的物的至少一聲波能量及/或該環境聲波能量並據以產生至少一聲波信號，該振膜組件包括有一膜片；一信號處理電路，包括：一振動信號迴路，連接於該至少一振膜組件，用以接收及傳送該至少一振動信號；一聲波信號迴路，連接於該至少一振膜組件，用以接收及傳送該至少一聲波信號；一處理單元，連接於該振動信號迴路和該聲波信號迴路，用以接收該振動信號和該聲波信號；一加速度感測器，連接於該處理單元，用以感測該標的物的一加速度信號。
  2. 如請求項1所述之振動與聲波整合感測系統，其中該振動信號迴路包括：一振動信號放大電路，連接於該振動感測模組，用以接收該振動感測模組感測到的該標的物的振動信號；一振動信號濾波電路，連接於該振動信號放大電路，用以對該至少一振動信號進行濾波；一類比至數位轉換器，連接於該振動信號濾波電路，用以將該濾波後的該振動信號轉換成數位型式的數位振動信號。
  3. 如請求項1所述之振動與聲波整合感測系統，其中該聲波信號迴 路包括：一聲波信號放大電路，連接於該振動感測模組，用以接收該振動感測模組感測到的至少一聲波信號；一聲波信號濾波電路，連接於該聲波信號放大電路，用以對該至少一聲波信號進行指定頻率範圍濾波；一類比至數位轉換器，連接於該聲波信號濾波電路，用以將該濾波後的該聲波信號轉換成數位型式的數位聲波信號。
  4. 如請求項1所述之振動與聲波整合感測系統，其中該信號處理電路更包括：一角加速度感測器，其係結合在該標的物，並電連接於該處理單元，該角加速度感測器感測到該標的物的一角加速度信號時，產生一啟動信號至該信號處理電路，用以啟動該信號處理電路。
  5. 一種振動與聲波整合感測方法，用以感測一標的物的振動能量及該標的物所產生的聲波能量及/或該標的物所在位置週遭的環境聲波能量，該方法包括：(a)製備至少一振動感測模組，該至少一振動感測模組包括一具有膜片的振膜組件及具有一振動信號迴路及一聲波信號迴路的信號處理電路；(b)將該至少一振動感測模組安裝定位於該標的物的至少一選定位置；(c)由該振膜組件感測該標的物的振動能量，並據以產生一振動信號；(d)由該振膜組件感測該標的物的聲波能量及/或該環境聲波能量，並據以產生至少一聲波信號；(e)以一加速度感測器感測該標的物的一加速度信號；(f)將該振動信號通過該振動信號迴路傳送、以及將該至少一聲波信號通過該聲波信號迴路傳送。
  6. 如請求項5所述之振動與聲波整合感測方法，更包括以一角加速度感測器感測該標的物的一角加速度信號，以產生一啟動信號啟動該振動感測模組及該信號處理電路。
  7. 一種振動與聲波整合感測系統，用以感測一標的物的振動能量，該系統包括至少一振動感測模組，安裝定位在該標的物，該至少一振動感測模組包括：一振膜組件，定位在該標的物的一選定位置，用以感測該標的物的至少一振動能量並據以產生至少一振動信號，該振膜組件包括有一膜片；一信號處理電路，包括：一振動信號迴路，連接於該至少一振膜組件，用以接收及傳送該至少一振動信號；一處理單元，連接於該振動信號迴路，用以接收該振動信號；一加速度感測器，連接於該處理單元，用以感測該標的物的一加速度信號。
  8. 如請求項7所述之振動與聲波整合感測系統，其中該振動信號迴路包括：一振動信號放大電路，連接於該振動感測模組，用以接收該振動感測模組感測到的該標的物的振動信號；一振動信號濾波電路，連接於該振動信號放大電路，用以對該至少一振動信號進行濾波；一類比至數位轉換器，連接於該振動信號濾波電路，用以將該濾波後的該振動信號轉換成數位型式的數位振動信號。
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