声振温传感器及其工作方法与流程

本发明涉及多功能传感器，特别是指一种声振温传感器及其工作方法。

背景技术：

1、声音信号、振动信号、温度信号在设备运维中起着重要的作用，通过分析以上信号可以实现对设备运行状态的诊断，预测潜在的故障。通过分析设备运行时产生的声音和振动可以识别出设备可能存在的故障，例如，机械设备运行中的异常声音可能表明部件磨损或松动，而振动的异常可能表明存在不平衡或轴承问题。振动信号和声音信号可以用于分析预测设备故障的发生时间和严重程度，从而实现预测性维护。通过监测振动信号、声音信号的频率和特征值的变化，可以提前发现潜在问题，并在设备出现故障之前进行维修，减少停机时间，延长设备寿命。

2、目前市场上已有声振温一体式传感器，其工作方法是将采集到的原始信号传输至服务器后，在云端进行处理分析。由于声音、振动的数据量较大，在信号没有明显的异常时，大数据量传输会占用较多的网络资源，同时会增加传感器的功耗，导致传感器寿命的降低。

3、实用新型专利cn215811218u公开了一种无线声振温传感器，cn220322430u公开了一种集声音振动温度一体化的无线传感器装置，cn213336244u公开了一种振动温度声音一体化无线传感器，这些专利均是利用声音传感器、温度传感器、加速度传感器构成的传感单元，实现对声音、温度、振动的同时采集，它们只是实现了对三者信号的采集和传输，没有对传感器的工作方法展开具体描述，也没有涉及对信号的处理和判断；发明专利cn114203210b公开了一种用于水轮机组的声音振动温度信号同步采集方法及装置，其重点讲述了数据的采样方法和存储方法，也是将采集的声音、振动、温度信号原始数据打包后发送到云平台。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种声振温传感器及其工作方法，以减少网络资源的占用和流量费用，降低传感器的功耗。

2、为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

3、一方面，本发明提供一种声振温传感器，包括处理器、用于采集声音信号的麦克风传感器、用于采集振动信号的加速度传感器和用于采集温度信号的热电堆传感器，其中：

4、所述麦克风传感器和加速度传感器直接连接至所述处理器，所述热电堆传感器经用于将温度模拟信号放大的信号调理电路后连接至所述处理器；

5、所述处理器连接有用于将数据传输至云端的通信模块；

6、所述声振温传感器还包括电源模块，所述电源模块经线性稳压电路降压后为所述处理器、麦克风传感器、加速度传感器、热电堆传感器和通信模块供电。

7、进一步的，所述电源模块采用四节4.2v 18650锂电池并联；

8、和/或，所述麦克风传感器采用inmp441；

9、和/或，所述加速度传感器采用adxl357；

10、和/或，所述热电堆传感器采用syp10-b68；

11、和/或，所述处理器采用esp32 wrover模组；

12、和/或，所述通信模块采用ec200s 4g cat1模组。

13、进一步的，所述麦克风传感器与处理器采用iis接口连接；

14、和/或，所述加速度传感器与处理器采用spi接口连接；

15、和/或，所述热电堆传感器经信号调理电路调理后，通过adc接口与处理器连接；

16、和/或，所述处理器与通信模块采用uart串口连接。

17、另一方面，本发明提供上述声振温传感器的工作方法，包括：

18、步骤s101：采集声音信号、振动信号和温度信号；

19、步骤s102：计算声音信号和振动信号的时域特征值；

20、步骤s103：对声音信号和振动信号作fft；

21、步骤s104：计算声音信号和振动信号的频域特征值；

22、步骤s105：根据预先设置的轻量化故障诊断模型，分析特征值，报告故障等级；

23、步骤s106：根据故障等级，选择是否上报数据，并动态调整上报数据时间间隔。

24、进一步的，所述步骤s101包括：

25、设置麦克风传感器采样频率为8192hz，采样点数为8192，对麦克风传感器进行采样，通过动态内存分配malloc申请一个长度为8192的float数组，用来暂时存储声音信号，对声音信号执行时域特征值计算、fft和频域特征值计算，释放声音信号数组，存储声音时频域特征值；

26、设置加速度传感器x轴采样频率为4096hz，采样点数为4096，通过动态内存分配malloc申请一个长度为4096的float数组，用来暂时存储x轴振动信号，对x轴振动信号执行时域特征值计算、fft和频域特征值计算，释放x轴振动信号数组，存储x轴振动信号时频域特征值；

27、设置加速度传感器y轴采样频率为4096hz，采样点数为4096，通过动态内存分配malloc申请一个长度为4096的float数组，用来暂时存储y轴振动信号，对y轴振动信号执行时域特征值计算、fft和频域特征值计算，释放y轴振动信号数组，存储y轴振动信号时频域特征值；

28、设置加速度传感器z轴采样频率为4096hz，采样点数为4096，通过动态内存分配malloc申请一个长度为4096的float数组，用来暂时存储z轴振动信号，对z轴振动信号执行时域特征值计算、fft和频域特征值计算，释放z轴振动信号数组，存储z轴振动信号时频域特征值；

29、设置热电堆传感器连续循环采样16次，取平均值，定义一个长度为16的float数组和一个float变量，用来存储温度数据。

30、进一步的，所述步骤s102中，所述时域特征值包括平均幅值、绝对平均幅值、方差、标准差、峰值、均方根、方根幅值、裕度、偏斜度、峭度中的至少一个或多个；

31、和/或，所述步骤s103中，采用不限点数的fft算法；

32、和/或，所述步骤s104中，所述频域特征值包括幅值、前n个最大频率点、重心频率、均方频率、均方根频率、频率方差、频率标准差中的至少一个或多个。

33、进一步的，所述步骤s105中，所述轻量化故障诊断模型分为四个子模型，分别为子模型1、子模型2、子模型3和子模型4；

34、所述步骤s105包括：

35、子模型1输入设备的正常时域特征值ts(o)和设备当前的时域特征值ts(n)，根据经验法则，对比ts(o)和ts(n)输出故障等级为q1；

36、子模型2输入设备的上一轮的时域特征值ts(n-1)和设备当前的时域特征值ts(n)，通过计算输出故障等级q2；

37、子模型3输入设备的正常频域特征值tp(o)和设备当前的频域特征值tp(n)，根据经验法则，对比tp(o)和tp(n)输出故障等级q3；

38、子模型4输入设备的上一轮的频域特征值tp(n-1)和设备当前的频域特征值tp(n)，通过计算输出故障等级q4。

39、进一步的，所述子模型1和子模型2中，时域特征值只对裕度、偏斜度和峭度分析；所述子模型3和子模型4中，频域特征值只对前n个最大频率点分析。

40、进一步的，所述步骤s106包括：

41、取所述q1、q2、q3和q4中最大值作为qmax，若qmax不为0，则降低上报数据时间间隔；

42、和/或，取所述q1、q2、q3和q4中最大值作为qmax，若qmax降低，则增加上报数据时间间隔；

43、和/或，取所述q1、q2、q3和q4中最大值作为qmax，若qmax为0，则上报数据时间间隔恢复默认值。

44、进一步的，所述步骤s106之后包括：

45、步骤s107：进入待机，等待下次工作。

46、本发明具有以下有益效果：

47、本发明的声振温传感器及其工作方法，适用于装备行业的设备运维监测。声振温传感器在硬件上由声音传感器、加速度传感器、温度传感器、处理器、通信模块和电源构成。传感器内置fft和时频域特征值提取算法，在边缘侧实现信号的预处理，减少数据的传输量，降低网络资源的消耗。下放轻量化故障诊断模型，对特征值进行分析，给出故障严重程度等级，对故障等级综合评判，根据设备的实际情况选择上报原始数据或者预处理后的特征值数据，动态调整传感器上报时间间隔，改变了传感器固定时间上报的工作模式，在一定程度上也提高了传感器的工作寿命。