基于声学传感器阵列的齿轮箱故障信号采集装置的制作方法

本实用新型涉及一种基于声学传感器阵列的齿轮箱故障信号采集装置。

背景技术：

当前，人类面临能源危机和环境问题日益突出，能源节约和可再生能源开发利用越来越受到重视。风力发电作为可再生能源发电方式的主要方式之一，近年来日益蓬勃发展。随着我国风电装机容量快速增加，风电大型机组技术在成熟化和产品商品化同时，也面临提高并网风力发电机组运营效率，减少机组部件故障率的强大市场需求。

在风电传动系统中齿轮箱是重要部件，齿轮箱的运行是否正常，直接影响到整个机械系统的工作。风力发电机组齿轮箱经常工作在高速、重载、特殊介质等恶劣条件下，且要求运行过程中具有高的平稳性和可靠性。近年来，随着风力发电机组的单机容量的不断增大，以及机组的投放时间的逐渐积累，由于制造误差装配不良、润滑不良、超载、操作失误等方面原因导致的齿轮箱故障时有发生，维护人员投入其中的工作量也呈上升趋势，严重时会因齿轮箱故障或损坏造成机组长期停运事件，由此带来的直接和间接损失很大。美国西屋公司的GEN-AID系统使得克萨斯州的七台发电机组的强迫停机率由1.4％降到0.2%，平均可用率从95.2%升高到96.1%；英国CEGB公司下属的550MW和660MW发电机因机组故障每年损失750万英镑，应用故障诊断技术后，通过对机组振动故障原因的5次正确分析，就获得了直接经济效益293万英镑。由此可见，研究齿轮箱故障分析技术具有重要的经济意义。

从目前情况来看，通过声信号研究齿轮箱故障检测还很少，而且在对声信号的采集过程中，难免会遇到噪声等其他的干扰，这就增加了检测故障的难度。以此，目前对声信号的采集过程中声信号采集质量相对不理想的问题是在齿轮箱的故障检测过程中应当予以考虑并解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种基于声学传感器阵列的齿轮箱故障信号采集装置，采用声学传感器阵列，能够有效地减少噪声干扰，提供采集声信号的准确性，解决现有技术中存在的对声信号的采集过程中，难免会遇到噪声等其他的干扰，这就增加了检测故障的难度的问题。

本实用新型的技术解决方案是：

一种基于声学传感器阵列的齿轮箱故障信号采集装置，包括声学传感器阵列、前置放大电路、主控制器、存储模块、WIFI通讯模块和上位机，声学传感器阵列的输出端连接前置放大电路的输入端，前置放大电路的输出端连接主控制器的信号输入端，主控制器分别连接存储模块、WIFI通讯模块，主控制器通过WIFI通讯模块与上位机通讯，声学传感器阵列包括四个内圈驻极体麦克风和四个外圈驻极体麦克风，四个内圈驻极体麦克风分别设于齿轮箱的前面、后面、左面和右面各一个，且四个内圈驻极体麦克风设于同一平面上，四个外圈驻极体麦克风分别设于齿轮箱的切面对角线的延伸线各一个，且四个外圈驻极体麦克风设于同一平面上。

进一步地，主控制器采用STM32F103RCT6芯片。

进一步地，四个内圈驻极体麦克风和四个外圈驻极体麦克风均设于同一平面上，四个外圈驻极体麦克风与齿轮箱的间距分别大于四个内圈驻极体麦克风与齿轮箱的间距。

进一步地，四个内圈驻极体麦克风分别设于齿轮箱的前面、后面、左面和右面的中位线处。

进一步地，四个外圈驻极体麦克风与齿轮箱等距设置。

本实用新型的有益效果是：该种基于声学传感器阵列的齿轮箱故障信号采集装置，采用声学传感器阵列，能够有效地减少噪声干扰和放大麦克风阵列信号。该种基于声学传感器阵列的齿轮箱故障信号采集装置，具有良好的隐蔽性、能够消除语音噪声、不易受干扰、声源跟踪及定位等优点，所以其在提高声信号处理质量的同时，也具有相当广泛的应用。

附图说明

图1是本实用新型实施例基于声学传感器阵列的齿轮箱故障信号采集装置的说明框图；

图2是实施例中声学传感器阵列与齿轮箱的位置关系示意图；

其中：1-声学传感器阵列，2-前置放大电路，3-主控制器，4-存储模块，5-WIFI通讯模块，6-上位机，7-齿轮箱。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。

实施例

一种基于声学传感器阵列的齿轮箱故障信号采集装置，包括声学传感器阵列1、前置放大电路2、主控制器3、存储模块4、WIFI通讯模块5和上位机6，声学传感器阵列1的输出端连接前置放大电路2的输入端，前置放大电路2的输出端连接主控制器3的信号输入端，主控制器3分别连接存储模块4、WIFI通讯模块5，主控制器3通过WIFI通讯模块5与上位机6通讯，声学传感器阵列1包括四个内圈驻极体麦克风和四个外圈驻极体麦克风，四个内圈驻极体麦克风分别设于齿轮箱7的前面、后面、左面和右面各一个，且四个内圈驻极体麦克风设于同一平面上，四个外圈驻极体麦克风分别设于齿轮箱7的切面对角线的延伸线各一个，且四个外圈驻极体麦克风设于同一平面上。

该种基于声学传感器阵列的齿轮箱故障信号采集装置，采用声学传感器阵列1，能够有效地减少噪声干扰和放大麦克风阵列信号。该种基于声学传感器阵列的齿轮箱故障信号采集装置，具有良好的隐蔽性、能够消除语音噪声、不易受干扰、声源跟踪及定位等优点，所以其在提高声信号处理质量的同时，也具有相当广泛的应用。

实施例中，主控制器3协调前置放大电路2、存储模块4、WIFI通讯模块5。主控制器3采用STM32F103RCT6芯片，STM32F103RCT6系列芯片至少具有2个模数变换器，为了提高系统采样率，可以使用模数变换器双重模式，这样使得STM32进行高精度定位算法处理信号成为可能。前置放大电路2即模拟信号预处理模块，必须具备增益高、信噪比高、频率范围宽、性价比高等特征，存储模块4包括SD卡存储模块4和CH376U盘存储模块4。

四个内圈驻极体麦克风和四个外圈驻极体麦克风均设于同一平面上。四个外圈驻极体麦克风与齿轮箱7的间距分别大于四个内圈驻极体麦克风与齿轮箱7的间距。四个内圈驻极体麦克风分别设于齿轮箱7的前面、后面、左面和右面的中位线处。四个外圈驻极体麦克风与齿轮箱7等距设置。

实施例通过将分别内圈驻极体麦克风置于齿轮箱7装置的上前、后、左、右四个面上，再用四个外圈驻极体麦克风置于它的四周，用声学传感器阵列1对齿轮箱7工作时产生的声音进行采集，可以做到有效地消除噪声干扰，减小误差，然后通过一个前置放大电路2，对声学传感器阵列1的输出信号放大，使之在主控制器3内置的模数变换器能接受的电压范围内，随后通过SD卡存储模块4在本地并用WIFI通讯模块5传输到上位机6的数据库，最后进行特征提取，并判断哪种故障导致齿轮箱7出现问题。

如图2，实施例中采用驻极体麦克风作为声学传感器构成线性阵列，内圈驻极体麦克风S1、S2、S3、S4分别置于齿轮箱7前后左右四个面上，用于采集声信号，再利用四个外圈驻极体麦克风S5、S6、S7、S8置于齿轮箱7的四周，拉开一定距离，用来采集噪声。那么左侧采集的声信号S2’=S2-（S5+S7）/2，右侧采集的声信号S4’=S4-（S6+S8）/2，上方采集的声信号S1’=S1-（S5+S6）/2，下方采集的声信号S3’=S3-（S7+S8）/2，所以整个阵列模块采集的声信号为（S1’+S2’+S3’+S4’）/4，其中，S1、S2、S3、S4分别表示前后左右采集到的齿轮箱内部的声信号的频率，S5-S8分别表示四周采集到的齿轮箱周围附近的干扰源或噪声源的频率，S1’、S2’、S3’、S4’分别为最终齿轮箱采集到的上方、左侧、下方、右侧的声信号频率。这样就做使得信号采集的准确性提高，误差减小。

该种基于声学传感器阵列的齿轮箱故障信号采集装置的具体实现过程如下：

首先打开本装置的电源，由于最大不失真输出的电压幅度为5V，且两级放大电路级联，实施例可采用对称双电源±10V供电。这个时候可以开始用声学传感器阵列1采集声音，阵列布置按照图2的要求进行安置。随后把麦克风的输出信号置于前置放大电路2的输入端，经过示波器的观测，如果达到要求就可以将输出结果接到主控制器3STM32内的置模数变换器处，最后就存储到存储模块4U盘或SD卡中，并用WIFI通讯模块5传输到上位机6显示，并由上位机6实现特征提取。

实施例中，前置放大电路2选择uA747通用型双放大器，SR=0.5V/us,电路放大级数为2，能够放大1000倍，最大不失真输出电压幅度控制在5V。首先经过二阶RC高通滤波电路，滤出300Hz以上的信号，经过一级放大后，通过二阶RC低通滤波电路，使得300-3400Hz的信号才能通过，再经过二级放大后，便能达到要求，可以满足AD的范围，送入主控制器3。

主控制器3采用STM32F103RCT6芯片是一款32位增强型MCU,采用ARM公司的cortex-M3内核，拥有512KFlash、64KSRAM、丰富的I/O口、3个ADC,最高工作频率为72MHz。