专利名称：一种故障检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电子仪器技术领域，尤其涉及一种采用声音识别定位故障、用于大型机械的故障警报和故障定位的故障检测装置。
背景技术：
大型机械的结构通常比较复杂，对维修技术人员的要求高，而大型机械一般数量较少，为大型机械极少出现的故障专门配置一个技术人员成本太高，为此，人们采取了安装故障检测装置的办法。目前已知的故障检测装置有I、中国专利公开文件CN200710047302“车辆轴承故障检测仪及故障检测方法”，该申请利用轴承故障时的声音特征来进行判断。所述的检测仪包括连接器，连接器具有与车轮轮轴孔相匹配的固定部件，连接器连接并固定于车轮上；驱动器，驱动器驱动连接器，带动车轮旋转，模拟车轮的行驶状态；分贝仪，测量车轮旋转时产生的声音，并分别显示其中高频、中频、低频分量的数值；电源模块，提供电源。该申请将检测的声音按照高频、中频、低频进行量化，根据量化的指标作为判断的标准，避免了依靠主观经验判断带来的不确定性。其不足之处是因为只分别显示其中高频、中频、低频分量的数值，所以对于高精度要求的故障识别不适用。2、中国专利公开文件CN200610037647“故障检测系统以及方法”，该申请用以对一电子设备进行故障检测，而所采取的电子设备设有至少二个具有第一及第二通断线路的开关单元，其中，所述的开关单元的第一通断线路与该电子设备电性连接，以提供该电子设备进行通断路的控制；该开关单元导通时，透过一检测信号产生模块输出一检测信号给该开关单元的第二通断线路信号输入端；接着借由一信号比较模块读取该检测信号以及该开关单元的第二通断线路信号输出端所输出的反馈信号，并比较该检测信号与该反馈信号是否为相同信号，若是，则输出一正常运作信号，并重复进行上述故障检测的流程，若否，则输出一故障信号。因此，透过该申请的故障检测系统，可大幅度提高故障检测效率，且易于实施。该申请的不足之处是只能检测含有开关单元的电子设备，适用面窄，不适合普及推广。
实用新型内容本实用新型的目的在于解决上述问题，提供一种故障检测装置，该装置利用声电转换原理，并以频谱分析为依据，能精确、快速地检测出待测机械的故障位置。为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案。一种故障检测装置，包括频谱检测模块、单片机、声源定位模块以及报警模块；所述频谱检测模块包括一麦克风，所述麦克风与所述单片机电性相连，用于检测待测机械发出的声音信号并将所述声音信号转化为电信号传送给所述单片机；所述单片机分别与所述麦克风、声源定位模块以及报警模块电性相连，用于向所述频谱检测模块发出控制信号，控制所述麦克风检测待测机械发出的声音信号，并对所述麦克风传送的电信号进行频谱分析，在所检测到的电信号的幅值变量与基准幅值变量相同时继续控制所述麦克风进行检测，在所检测到的电信号的幅值变量与基准幅值变量不相同时触发所述报警模块，同时使声源定位模块处于工作状态；所述声源定位模块包括一温度传感器和麦克风阵列，所述温度传感器用于记录在所检测到的电信号的幅值变量与基准幅值变量不相同时的环境温度，从而得出声速，所述麦克风阵列用于记录在所检测到的电信号的幅值变量与基准幅值变量不相同时，待测机械发出的声音信号到达所述麦克风阵列中不同麦克风的时间，得出时间差，进而得出待测机械故障点的平面投影位置；所述报警模块在所检测到的电信号的幅值变量与基准幅值变量不相同时发出警报信号，并显示待测机械故障点的平面投影位置。进一步，所述单片机包括一计时器，所述计时器每分钟向所述频谱检测模块发出控制信号，控制所述麦克风检测待测机械发出的声音信号。进一步，所述麦克风阵列包括至少3个麦克风。进一步，所述频谱检测模块中的麦克风和所述麦克风阵列中的麦克风均包括驻极体话筒和NE555芯片。进一步，所述报警模块包括一蜂鸣器和数码管，所述蜂鸣器用于在所检测到的电信号的幅值变量与基准幅值变量不相同时发出警报声；所述数码管用于显示待测机械故障点的平面投影位置。可选的，所述的蜂鸣器采用压电式蜂鸣器。本实用新型一种故障检测装置的积极效果是(I)检测精度高、适用检测故障的范围广；(2)操作简单，检测与定位都通过单片机完成，对于操作者的技术要求低；(3)设备结构简单，价格低廉。
图I是本实用新型一种故障检测装置的结构示意图；图2是本实用新型一种故障检测装置工作流程示意图；图3是本实用新型一种故障检测装置故障点定位示意图。图中的标号分别表示11、频谱检测模块；111、麦克风；12、单片机；13、声源定位模块；131、温度传感器；132、麦克风阵列；14、报警模块；141、蜂鸣器；142、数码管。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型一种故障检测装置做详细说明。参见图1，一种故障检测装置，包括频谱检测模块11、单片机12、声源定位模块13以及报警模块14。所述频谱检测模块11包括一麦克风111，所述麦克风111与所述单片机12电性相连，用于检测待测机械发出的声音信号并将所述声音信号转化为电信号传送给所述单片机12。所述麦克风111包括驻极体话筒和NE555芯片。其中，驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点；NE555芯片可以使发送的电信号为可调节，所以用户根据
4实际测量环境(例如，不同的机械结构)，在设定基准幅值变量时做相应调整。首先对所述频谱检测模块11的麦克风111进行初始化。待测机械在一定的工作场合正常使用时会发出一些声音，麦克风111检测得到正常状态下的声音信号后，将所述正常声音信号其转化为相应的电信号通过导线传递到单片机12，由单片机12进行频谱分析，得到基准幅值变量，之后麦克风111传送到单片机12的电信号经频谱分析后与基准幅值变量作对比，并根据比较结果进行相应的处理。因为任何一个电信号都可以利用傅里叶变换转换成N次谐波，取前三个谐波并将其转换合成为频域信号，得到所检测到电信号的幅值变量，所以记录这三个谐波的系数就是记录了这个电信号；如果要提高精度可以增加为取前四个谐波，只需相应地改变单片机的型号以提高单片机的性能。所述单片机12分别与所述麦克风111、声源定位模块13以及报警模块14电性相连。所述单片机12采用凌阳61型单片机，该单片机12具有低功耗、低电压以及指令系统功能强、效率高的优点。所述单片机12向所述频谱检测模块11发出控制信号，控制所述麦克风111检测待测机械发出的声音信号。所述单片机12包括一计时器，设定所述计时器每分钟向所述频谱检测模块11发出控制信号，控制所述麦克风111检测待测机械发出的声音信号，所述麦克风111将检测到的声音信号经过转化后变为电信号传送到单片机12中。所述单片机12将接收到的电信号进行傅里叶变换转换成N次谐波，取前三个谐波并将其转换合成为频域信号。所述单片机12对所述频域信号的幅值变量，与原先测得待测机械正常运行情况下的对应频谱信号(基准幅值变量)作对比，若相同则继续该循环(即继续控制所述麦克风111进行检测)；若不相同，单片机12发出触发信号，触发所述报警模块14 ;同时发出使能信号，使声源定位模块13处于工作状态。所述声源定位模块13包括一温度传感器131和麦克风阵列132。所述温度传感器131用于记录在所检测到的电信号的幅值变量与基准幅值变量不相同时的环境温度，从而得出声速；所述声速可以根据记录的温度采用单片机12通过查表法得出。因为固定温度的声速是确定的，且查表法比利用算法来计算声速的速度快。同时，所述麦克风阵列132记录待测机械发出的声音信号到达所述麦克风阵列132中不同麦克风的时间，得出时间差。单片机12通过所述声源定位模块13得出的声速和时间差，利用声达时间差法得出待测机械故障点的平面投影位置。其中，所述麦克风阵列132包括至少3个麦克风，所有所述麦克风均包括极体话筒和NE555芯片。在所述频谱检测模块11的麦克风111进行初始化时，所述麦克风阵列132中的所有麦克风也都要初始化，因为声音信号到达麦克风阵列132中各个麦克风的时间不同、能量不同，故任一个麦克风的声音模拟信号不同，所以到达麦克风阵列132中各个麦克风的声音信号转换的电信号也不同,所以初始化的时候,所有麦克风(包括麦克风111)都要初始化。所述报警模块14与单片机12电性相连，用于在所检测到的电信号的幅值变量与基准幅值变量不相同时发出警报信号，并显示待测机械故障点的平面投影位置。所述报警模块14可以包括一蜂鸣器141和数码管142，所述蜂鸣器141用于在所检测到的电信号的幅值变量与基准幅值变量不相同时发出警报信号；所述蜂鸣器141可以采用压电式蜂鸣器，压电式蜂鸣器是一种电声转换器件，将压电材料粘贴在金属片上，当压电材料和金属片两端施加上一个电压后，因为压电效应，蜂鸣片就会产生机械变形而发出声响。所述数码管142用于显示待测机械故障点的平面投影位置，例如交替显示故障点的平面投影的坐标来显示待测机械故障点的平面投影位置。由此，可以实现待测机械的故障定位，为技术人员对故障的排除提供依据。参见图2，本实用新型一种故障检测装置工作流程示意图。首先，初始化所述频谱检测模块11的麦克风111 (如图中所示麦克风4，以下简称麦克风4)、以及所述麦克风阵列132中所有麦克风(以3个麦克风为例，如图中所示麦克风
I、麦克风2以及麦克风3)，得到相应的麦克风的信号初始值。单片机12的计时器每分钟向麦克风4发出控制信号，控制其检测待测机械发出的声音信号，经过转化后变为电信号传送到单片机12中。所述单片机12将接收到的电信号进行傅里叶变换转换成N次谐波，取前三个谐波并将其转换合成为频域信号。所述单片机12对所述频域信号的幅值变量，与原先测得待测机械正常运行情况下的基准幅值变量作对比(即将麦克风4的工作值与麦克风4的信号初始值做对比)，若相同则继续该循环(即继续控制麦克风4对待测机械发出的声音信号进行检测)；若不相同，单片机12发出触发信号，触发所述报警模块14的压电式蜂鸣器发出蜂鸣报警声；同时发出使能信号，使声源定位模块13处于工作状态。所述声源定位模块13的温度传感器131记录下在所检测到的电信号的幅值变量与基准幅值变量不相同时的环境温度，并通过单片机12采用查表法得出声速；同时，麦克风1、2、3分别记录非正常声音信号到达自身的时间，将此时麦克风1、2、3得到的非正常信号的值与各自的信号初始值对比得出故障点。参见图3，本实用新型一种故障检测装置故障点定位示意图。把三维的故障点投影在二维平面上，然后用二维算法来计算故障点，得出的是一个平面二维坐标，故障点就在这个点所在的垂直直线上。以3个麦克风为例，如图中所示麦克风I、麦克风2以及麦克风3，假设麦克风I所在位置为A点(即坐标原点)、麦克风2所在位置为B点以及麦克风3所在位置为C点，3个麦克风设置成等腰直角三角形模式(即AC=AB)，S点即为三维的故障点在二维平面上的投影，S点与坐标轴X的夹角为Θ。根据三角余弦定理可得关系式SC2=SA2+AC2 — 2 · SA · AC · Cos (90 — Θ )(I)[0041 ] SB2=SA2+AB2 — 2 · SA · AB · Cos θ (2)假定通过本实用新型的所述温度传感器131得到的当前环境中的声速为V，且麦克风I和麦克风2接收到的待测机械发出的声音信号的时延差为τ ，麦克风I和麦克风3接收到的待测机械发出的声音信号的时延差为τ Α。，则SA、SB、SC的关系为SC=SA+V . Tac(3)95=SA+V · Tab(4)故障点S的方向角为Sin Θ =[ SA2+ I — (SA+ ν · τ Ac) 2] / (2 · SA)(5)Cos Θ =[ SA2+ I - (SA+ v · τ AB) 2] / (2 · SA)(6)结合公式(I)、(2)、(3)、(4)，然后利用万能公式，分别列出d，e，f (d，e，f分别是一元二次方程的系数)，然后算出SA，再利用公式(5)、(6)，得出S点的x，y值。具体公式如下其中 Longtriangle 代表长，Trianglewidth 代表宽。[0049]d=4*pow ((Longtriangle)木(Trianglewidth)，2) _4*pow (v^Longtriangled (timeC-timeA), 2) ^^pow (Trianglewidth^v^ (timeB-timeA), 2);e=_4*(pow(Longtriangle, 2)^pow(v*(timeC-timeA)，3)-pow (Longtriangle^Trianglewidth, 2)(timeC-timeA)+pow(Trianglewidth, 2)^pow(v*(timeB-timeA)，3)-pow(Longtriangle^Trianglewidth, 2)(timeB-timeA));f=_(pow(Longtriangle, 2)^pow (v*(timeC-timeA)，4)_2*pow (Longtriangle^Trianglewidth*v，2)* (pow ((timeC-timeA)，2)+pow ((timeB-timeA)，2))+pow (Longtriangle，2)^pow(Trianglewidth,4)+pow(Longtriangle, 4)^pow(Trianglewidth, 2) +pow(Trianglewidth，2)*pow(v*(timeB-timeA)，4));sa= (e-pow ((e*e_4*d*f)，0. 5)) / (_2*d);X=(sa^sa+Longtriangle^Longtriangle-(sa+v^(timeB-timeA)) *(sa+v^ (timeB-timeA) ))/ (Longtriangle*2);y= (sa^sa+Trianglewidth^Trianglewidth-(sa+v^(timeC-timeA)) *(sa+v^(timeC-timeA)))/(Trianglewidth*2);通过数码管交替显示故障点平面二维坐标的X，y坐标值，由此可知故障点在S(x，y)所在的垂直直线上。用户通过本实用新型可以既精确，又快速地测得待测机械的故障点，检测精度高、适用于任意大型机械，适用检测故障的范围广；操作简单，检测与定位都通过单片机完成，对于操作者的技术要求低；设备结构简单，价格低廉。以上所述仅是本实用新型的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种故障检测装置，其特征在于，包括频谱检测模块、单片机、声源定位模块以及报警模块；所述频谱检测模块包括一麦克风，所述麦克风与所述单片机电性相连，用于检测待测机械发出的声音信号并将所述声音信号转化为电信号传送给所述单片机；所述单片机分别与所述麦克风、声源定位模块以及报警模块电性相连，用于向所述频谱检测模块发出控制信号，控制所述麦克风检测待测机械发出的声音信号；所述声源定位模块包括一温度传感器和麦克风阵列；所述报警模块在所检测到的电信号的幅值变量与基准幅值变量不相同时发出警报信号，并显示待测机械故障点的平面投影位置。
2.如权利要求I所述的一种故障检测装置，其特征在于，所述单片机包括一计时器，所述计时器每分钟向所述频谱检测模块发出控制信号，控制所述麦克风检测待测机械发出的声音信号。
3.如权利要求I所述的一种故障检测装置，其特征在于，所述麦克风阵列包括至少3个麦克风。
4.如权利要求I所述的一种故障检测装置，其特征在于，所述频谱检测模块中的麦克风和所述麦克风阵列中的麦克风均包括驻极体话筒和NE555芯片。
5.如权利要求I所述的一种故障检测装置，其特征在于，所述报警模块包括一蜂鸣器和数码管，所述蜂鸣器用于在所检测到的电信号的幅值变量与基准幅值变量不相同时发出警报声；所述数码管用于显示待测机械故障点的平面投影位置。
6.如权利要求5所述的一种故障检测装置，其特征在于，所述的蜂鸣器采用压电式蜂鸣器。
专利摘要一种故障检测装置，包括频谱检测模块、单片机、声源定位模块以及报警模块；频谱检测模块包括一麦克风，麦克风与单片机电性相连；单片机分别与麦克风、声源定位模块以及报警模块电性相连，用于控制麦克风检测待测机械发出的声音信号，并对麦克风传送的电信号进行频谱分析，在检测到故障发生时触发报警模块，同时使声源定位模块处于工作状态；声源定位模块包括温度传感器和麦克风阵列，温度传感器记录在故障发生时的环境温度得出声速，麦克风阵列记录故障发生时待测机械发出的声音信号到达麦克风阵列中不同麦克风的时间，得出时间差，进而得出待测机械故障点的平面投影位置；报警模块在故障发生时发出警报信号，并显示故障点的平面投影位置。
文档编号G01M99/00GK202735105SQ20122031687
公开日2013年2月13日 申请日期2012年7月3日 优先权日2012年7月3日
发明者陈倩倩, 陈盼晴, 陆永耕, 谢秋池, 傅超, 赵永刚, 陆昕杰 申请人:上海电机学院