用于机电系统早期故障检测的高频声波传感设备及方法

本发明涉及故障检测领域，尤其是涉及用于机电系统早期故障检测的高频声波传感设备及方法。

背景技术：

1、机电系统一直处于高载荷、高运行等恶劣环境下运行，其故障发生率远远高于其他设备，在运行中任何一个零部件产生故障，都有可能产生严重故障，甚至造成严重的社会灾难以及经济损失。对于机电系统故障检测来说，目前常用的方法为振动检测法，但是这种基于振动故障信号分析的技术存在故障信息拾取能力不足的问题，且当通过振动故障信号检测到机电系统出现故障时，机电系统往往已经到了需要维修的地步，无法实现预防性维修保养。

2、机电系统常见故障通常为旋转机械故障、局部放电故障以及泄露等。对于旋转机械，当轴承出现早期失效时，会产生24k-50khz的故障信号，该信号会早于热量以及振动信号变化；对于局部放电，当电流从高压线路逸出时或从连接部位间隙上跳跃通过时，围绕它周围的空气分子被扰乱从而产生高频声波信号；对于泄露，当气体在压力状态通过泄漏点，在泄漏点位置会产生湍流，这个湍流中有很强的高频声波信号。因此检测这种高频声波信号能够有效检测机电系统的早期故障，并根据信号特征有效识别出机电系统故障类型，根据信号变化趋势对机电系统进行有效预防性维修保养。

3、伴随着科学技术的进步，高频声波技术的应用越来越广泛。经过对现有文献的检索发现，现阶段虽然出现了相应的高频声波检测设备，如监测电力设备局部放电的柔性压电超声传感系统(202110829022.9)，一种超声检测方法和系统(200710178019.5)，但现在技术中利用高频声波进行故障检测存在着检测故障单一、系统庞大、检测效率不高的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种检测机电系统早期故障的高频声波传感设备及方法，能够检测机电系统如旋转机械、电力设备等出现早期故障时产生的高频声波信号，具有故障检测类型丰富、检测频率多样、便携高效等优点，能够有效确定机电系统的早期故障，实现机电系统的预防性维修保养。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、第一方面，一种高频声波传感设备，用于检测机电系统早期故障，包括：信号传感单元、幅值控制单元、外差降频单元、功率放大模块、播放装置、嵌入式微控制器、数模转换模块、旋转编码器模块、液晶显示模块和上位机模块；

4、其中，信号传感单元，用于将机电系统早期故障产生的微幅级的高频声波信号转换成电信号；

5、幅值控制单元，用于将信号传感单元输出的微弱高频声波感应电信号进行不失真的放大；

6、外差降频单元，用于将经过幅值控制单元放大后的感应电信号由高频搬移至音频范围；

7、功率放大模块，用于将音频信号功率进行放大，驱动播放装置；

8、嵌入式微控制器，用于采集经过外差降频单元降频后的高频声波电信号，对采集的音频信号进行预处理及特征提取，并无线传输至上位机，同时实时检测旋转编码器模块的状态，根据旋转编码器模块的状态实现对数模转换模块的控制，达到调整幅值控制单元增益以及混频器模块载波频率；

9、液晶显示模块，用于显示当前信号增益状态、载波频率信息以及当前高频声波信号分贝值信息。本设备的改进进一步在于，所述信号传感单元采用压电陶瓷高频声波换能器，其设计分为接触式换能器及扫描式换能器。接触式换能器采用金属棒状设计，前端设计有接触杆，接触杆采为尖端杆，用于减小与待测机电系统的接触面积，增强传感器信号测量指向性；扫描式传感器采用麦克风型设计，用于接收空气中传播的高频声波信号，比如压力泄露或电气放电产生的高频声波信号。通过直接接触或靠近待测机电系统以采集高频声波信号，能够实现将uv级的高频声波信号转换成电信号，所述信号传感单元的中心频率为40khz，工作带宽为20khz-100khz。所述压电陶瓷高频声波换能器通过连接器与设备连接，缩小设备体积，便于携带。

10、本设备的改进进一步在于，所述幅值控制单元，其连接所述信号传感单元，包含初级放大模块、压控放大模块以及次级放大模块，能够根据需求调整高频声波感应信号幅值大小。为应对所述信号传感单元采集到的高频声波感应信号微弱以及工业现场环境恶劣造成干扰信号比较大的问题，所述初级放大模块采用电荷放大器，能够有效避免电缆电容的影响；所述压控放大模块能够根据控制电压的大小对经过所述初级放大模块放大输出的高频声波感应信号进行进一步的放大或衰减；所述次级放大模块为电压放大器，采用多级放大的电路结构，能够有效对微弱的高频声波感应电信号进行不失真的放大。

11、本设备的改进进一步在于，所述外差降频单元，其连接所述幅值控制单元，包含混频器模块以及低通滤波器模块。由于人耳可听声音范围在20-15khz，若想人耳听到机电系统早期故障所产生的高频声波信号，则需要对机电系统早期产生的高频声波信号进行降频处理；所述外差降频单元采用外差法降频，通过所述混频器模块将输入的高频声波感应信号与本地振荡源相乘，输出信号既包含两者的和频成分又包含两者的差频成分。所述低通滤波器截止频率设置在8khz，将所述混频器模块输出信号输入到所述低通滤波器模块中，即将和频成分滤除，保留人耳可以听到的差频成分，即音频成分。

12、本设备的改进进一步在于，所述功率放大模块，其连接所述外差降频单元，用于放大所述低通滤波器输出的音频成分的功率，驱动播放装置，方便工作人员监听机电系统早期故障产生的高频声波感应信号。

13、本设备的改进进一步在于，所述嵌入式微控制器，其连接所述外差降频单元，所述嵌入式微控制器内部包含模数转换模块、中央处理单元以及无线传输模块。所述模数转换模块连接所述低通滤波器模块，采集经过降频之后的高频声波电信号；所述中央处理单元对采集的音频信号进行预处理及特征提取，从而获取机电系统的早期故障特征；所述无线传输模块可以对所述模数转换模块采集的音频信号以及所述中央处理单元对音频信号处理提取的特征值无线传输至上位机；

14、本设备的改进进一步在于，所述数模转换模块，其连接所述嵌入式微控制器，所述嵌入式微控制器通过gpio端口控制所述数模转换模块输出两路控制电压信号。一路电压信号输入到所述幅值控制单元，用于控制高频声波感应信号增益；另一路电压信号输入到所述外差降频单元的混频器模块，用于控制所述混频器模块中本地振荡源的振荡频率，可以使得本地振荡源的振荡频率能够在20khz-100khz范围内调节。

15、本设备的改进进一步在于，所述旋转编码器模块，其连接所述嵌入式微控制器，所述旋转编码器模块具备左旋转、右旋转及按钮的功能。所述嵌入式微控制器能够实时检测所述编码器模块的状态，所述嵌入式微控制器根据所述编码器模块的状态实现对所述数模转换模块的控制，达到所述幅值控制单元增益可调以及所述混频器模块载波频率可调的目的。

16、本设备的改进进一步在于，所述液晶显示模块，其连接所述嵌入式微控制器，所述嵌入式微控制器能够将当前信号增益状态、载波频率信息以及当前高频声波信号分贝值等信息通过所述液晶显示模块显示出来，从而实现人机交互。

17、第二方面，一种高频声波传感方法，包括以下步骤：

18、应对机电系统不同故障检测环境选择扫描式传感器或接触式传感器，将机电系统早期故障产生的高频声波信号转换成电信号，其次通过幅值控制单元将传感器产生的微弱电信号进行放大，外差降频单元将幅值控制单元放大后的电信号进行频谱搬移，由高频搬移至低频(人耳可听的频率范围)，外差降频单元输出的低频电信号输入到功率放大模块，功率放大模块对低频电信号进行功率放大，输出给播放装置，由此工业巡检过程中就可以实时监听机电系统早期故障产生高频声波信号，期间，通过播放装置听到的声音以及液晶显示屏的示数来旋转编码器调整高频声波传感设备的增益及载波频率，所述高频声波检测设备将接收到的高频声波信号经过幅值控制单元和外差降频单元进行放大和降频，直至听到清晰的机电设备运行的声音以及液晶显示屏显示高频声波信号最大的分贝值。

19、本方法的进一步改进在于，如果是为了确认泄露故障，选用扫描式传感器，通过连接器与检测设备相连接，将扫描式传感器指向检测区，如若机电系统发生泄露故障，扫描式传感器会把机电系统因泄露产生的湍流中的高频声波信号转换成电信号，初始时，通过调节旋转编码器调整高频声波传感设备的幅值控制单元增益至最高，调节外差降频单元的载波频率,逐步调小幅值控制单元增益，接近被怀疑的泄露点并轻微地在各个方向来回移动，如果泄漏地点在该位置，扫描式传感器感应出来的电信号会增强，液晶显示屏显示超声分贝值增加；当移开时泄露位置时播放装置输出的声音信号强度会降低，液晶显示屏显示高频声波分贝值减小。可不断降低幅值控制单元增益并移动设备靠近被怀疑的泄漏点，直到能确定泄漏点；

20、如果是为了检测局部放电故障，与检测泄露方法类似，区别于在于播放装置听到的不是冲击声，而是裂纹或嗡嗡声。

21、本方法的进一步改进在于，如果是为了检测轴承故障，选用接触式传感器，通过连接器与检测设备相连接，将接触式传感器接触轴承座，接触式传感器会把机电系统轴承运转产生的高频声波信号转换成电信号，通过调节旋转编码器调整高频声波传感设备的幅值控制单元增益至最高，调节外差降频单元的载波频率,逐步调小幅值控制单元增益以及调节外差降频单元的载波频率，用播放装置监听轴承声音信号的质量以作合适的判断；首先采集正常轴承运转信号建立轴承故障早期预警基线标准；其次在实际检测过程中观测液晶显示屏显示的高频声波分贝值，超过一定阈值则表示轴承出现早期故障(例如超过基线8db表示轴承出现预失效或者欠润滑，超过基线12db已经确定轴承出现早起故障)；为明确故障类型，可将高频声波传感设备与上位机连接进行无线通信，通过上位机对机电系统运行数据进行采集，通过机械故障诊断技术进行进一步的故障分析，判别出旋转机械欠润滑、过润滑、润滑污染、微磨破损具体故障类别。

22、上述方案中，所述上位机对机电系统进行故障分析主要分为以下步骤：

23、s1：所述上位机对采集到数据进行首先进行七点三次平滑滤波，用最小二乘法对逼近输入数据的三次多项式系数进行求解，以减少噪声对后续特征提取和分类的影响，其具体计算如下

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31、其中，yn为滤波平滑前的数据，yn为滤波平滑后的数据。

32、s2：分帧处理，设置每帧长度m，数据n被分为n/m帧，再对每一帧数据进行特征提取减少计算时间；

33、s3：主成分分析降维，提取数据的主要特征分量，减少分帧后数据的维度，减少计算时间；

34、s4：emd分解，在得到的本征模函数(imf分量)中计算选取包含能量值信息较高的n组imf分量，提升局部特征分析效果。

35、s5：熵值计算，对每一帧信号的每一组imf分量计算近似熵，样本熵，排列熵和小波熵值。

36、s6：支持向量机分类，对处理后的信号进行故障分类判别。

37、上述方案中，在所述s2中，设置每帧长度m要大于200。

38、上述方案中，在所述s6中，支持向量机设置函数为径向基核函数，在分类时设置gamma和c两个超参数为最优状态。

39、由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

40、本发明提供的高频声波传感设备体积小巧，方便携带，检测频率多样，适用于工业巡检，具有较强的抗环境噪声干扰能力，既融合了现代机械故障诊断技术，又保留了传统的听诊技术，使得机电系统早期故障判别更加准确高效，便于机电系统的预防性维修保养。

41、本发明提供的高频声波传感设备具备扫描式和接触式高频声波波换能器，能够应对各种机电系统故障检测环境，具有灵敏度高、指向性好、检测速度快等优点，检测过程简单，应用场景广泛。

42、本发明提供的高频声波传感方法解决传统故障诊断分析方法局部特征分析效果差，分类准确率不高的问题，提供了一种基于主成分分析和emd分解的多种熵值融合的故障诊断方法，有效缩短计算时间，提高故障判别准确率。