專(zhuān)利名稱(chēng)：智能機(jī)器耳故障診斷系統(tǒng)的制作方法
智能機(jī)器耳故障診斷系統(tǒng)，是一種機(jī)器內(nèi)部故障的不解體診斷裝置。
利用機(jī)器發(fā)出的聲響，判斷機(jī)器狀態(tài)的方法，最原始是用一根細(xì)棒-聽(tīng)診棒，一端與被診斷機(jī)器接觸，用耳朵從另一端，聽(tīng)取機(jī)器內(nèi)部聲響，憑經(jīng)驗(yàn)判斷機(jī)器狀態(tài)。由于細(xì)棒傳送的信號(hào)極微弱，近年來(lái)出現(xiàn)將細(xì)棒信號(hào)放大，再送入耳機(jī)的機(jī)器聽(tīng)診器。聽(tīng)診棒和聽(tīng)診器，在機(jī)器診斷中得到應(yīng)用，為監(jiān)測(cè)機(jī)器狀態(tài)，防止發(fā)生重大事故，發(fā)揮一定作用。
然而，聽(tīng)診棒和聽(tīng)診器所聽(tīng)到的聲響，絕不是一般人所能聽(tīng)懂的，必須有相當(dāng)經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家才能診斷故障！聽(tīng)診棒和聽(tīng)診器也只適用于低噪聲環(huán)境，很多場(chǎng)合聽(tīng)不到，尤其強(qiáng)背景噪聲環(huán)境，信號(hào)被淹沒(méi)根本無(wú)法聽(tīng)到。
本發(fā)明的目的，是提供一種智能機(jī)器耳診斷系統(tǒng)，具有專(zhuān)家級(jí)的智能，在任何環(huán)境包括強(qiáng)背景噪聲環(huán)境中，能隨時(shí)監(jiān)聽(tīng)和判斷機(jī)器的狀態(tài)與故障。
該發(fā)明的特征在于，機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)在很強(qiáng)的噪聲里，能聽(tīng)清楚想聽(tīng)的信號(hào)，具有高清晰度;根據(jù)聽(tīng)到的信息，系統(tǒng)的智能器，能自動(dòng)報(bào)告機(jī)器狀態(tài)和異常部位。機(jī)器耳不需安裝，只一分鐘便可報(bào)告診斷結(jié)果。
系統(tǒng)由機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)和智能器構(gòu)成。


圖1為機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)的示意圖。1隔離環(huán)、2前罩、3前極、4耳體、5撐板、6後極、7阻尼孔。
隔離環(huán)1的結(jié)構(gòu)為環(huán)狀體，有內(nèi)層、外層和中間的夾層。隔離環(huán)的材料，內(nèi)、外層為軟橡膠或軟塑料，夾層為多孔材料。
阻尼孔直徑Φ0.5mm～1mm。數(shù)量為10個(gè)～15個(gè)。阻尼孔均布。
如圖1，機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)由三部分組成聲波接受器、電容變換器和隔離環(huán)。攜帶機(jī)器狀態(tài)的聲壓信號(hào)，由聲波接受器接受，致使前極相對(duì)後極位移。前極和後極構(gòu)成電容變換器，位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。隔離環(huán)和阻尼孔，把不希望聽(tīng)到的背景噪聲有效地衰減，使機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)清晰度提高。
機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)聲波接受器的接收特性聲信號(hào)為球面波時(shí)，前極3兩面的聲壓為，
式中，p1，p2-聲壓峰值;
ω-聲信號(hào)頻率;
k-波數(shù);
t-時(shí)間;
δ-聲波到達(dá)膜片兩面中心的路程差;
δ＝d+dcosθ＝d(1+cosθ)θ-聲波入射角(入射方向與膜片法線的夾角θ＝-π/2～π/2);
d-接收器的高度;
由于實(shí)際上kδ＜＜1，則前極3兩面的聲壓差，等于聲壓梯度與路程差乘積，由于p1＝p2＝p0，則P1-P2=(- (3p1)/(3r) )δ=［jkroporej(ω t - K r)+ropor2ej (ω t -Kr )］δ]]>=(jk+ 1/(r) ) (rOpO)/(r) ej(ωt-Kr)δ
= (1+jKr)/(r) P1δ由此得前極3受到的等效作用力F為，F(xiàn)＝(P1-P2)S＝ (1+jkr)/(r) P1δS故變換因子gg＝ (1+jkr)/(r) δS＝ (1+jkr)/(r) Sd(1+cosθ)或g＝j(luò)skd(1+cosθ) (1+jkr)/(jkr)變換因子的模｜g｜為，
由上式得到，變換因子的頻響特性，為與聲信號(hào)頻率成線性增長(zhǎng)特性。然而，在kr很小時(shí)的近場(chǎng)，對(duì)聲信號(hào)的低頻部分，由于
項(xiàng)，產(chǎn)生低頻提升特性，此稱(chēng)為”近區(qū)低頻提升效應(yīng)“。
總結(jié)上述分析，系統(tǒng)的聲波接收器，具有如下特性1、頻響特性曲線為隨頻率增高線性上升。由于被診斷機(jī)器內(nèi)狀態(tài)信息的高頻成分，在傳遞過(guò)程中，損失比低頻成分大，因此，利用聲波接收器高頻線性上升特性，可有效地接收高頻成分和提高高頻分量信噪比的。
2、聲波接收器在近場(chǎng)工作，頻響特性具有近場(chǎng)低頻提升效應(yīng)。由于被診斷機(jī)器低頻輻射較弱，因此，聲波接收器的低頻提升效應(yīng)，提高了低頻成分的信噪比。
3、聲波接收器具有心形單向指向性。對(duì)來(lái)自周?chē)膹?qiáng)背景噪聲，單向指向性有很強(qiáng)地衰減作用，有效地提高了信噪比。
電容變換器的特性電容變換器的輸出電壓為UL，UL=ZZ+1jω Ct oU]]>或UL=RR+1jωCtoU=U1+1j ω RCto]]>式中，Z-Cp、Rj、Ri的并聯(lián)阻抗;
R-Rj、Ri的并聯(lián)電阻。Rj為電容變換器電阻、Ri輸入放大器電阻。得到電容變換器聲壓靈敏度EDED= (UL)/(P)=UjCMSdO(1+CPCto)1(1-f2f2o)+j ω CMRM11+1jω RCto]]>式中-CM前極剛性和兩極間空氣剛性;
RM后極對(duì)前極的等效力阻。
取其模｜ED｜，便得到聲壓靈敏度與頻率關(guān)系的頻響特性，｜ED｜=
UjCMSdO(1+CpCto)1(1-f2f2O)2+(ω CMRM)211+(1ω RCto)2]]>由此式可見(jiàn)，為獲得寬而平直的頻響特性，必須1(1-f2/f2O)2+(ω CMRM)2≈1]]>(1)11+(1/ω RCt o)2≈1]]>(2)(1)式表明，電容變換器力學(xué)與聲學(xué)部分對(duì)頻響的影響。滿足上式必須
為使CM小，必須前極繃得很緊;為提高fo，必須前極質(zhì)量MM很小，即前極必須很薄?？刂频刃Яψ鑂M，則可使上限頻率擴(kuò)展到20KHz～200KHz?？梢?jiàn)，電容傳聲器的頻率上限，主要由其力學(xué)與聲學(xué)部分決定。
式(2)表明，電容變換器電學(xué)部分對(duì)頻響的影響。滿足式(2)，則必須R＞＞ 1/(ωCto)電容變換器的頻率下限fLfL= 1/(2πRCto)可見(jiàn)，R決定頻響特性的下限頻率。Cto一般為1000PF左右，則R應(yīng)設(shè)計(jì)為MΩ數(shù)量級(jí)。
綜上分析，可得如下結(jié)論1、電容變換器聲壓靈敏度，與極化電壓Uj成正比;且取決于結(jié)構(gòu)參量S、CM、d0、Cto、Cp等。
2、電容變換器頻響的頻率上限，由其力學(xué)和聲學(xué)部分決定。
3、電容變換器頻響的頻率下限，由其電學(xué)部分決定。
隔離環(huán)特性1、噪聲吸收吸聲體的吸聲，用吸聲系數(shù)α表征α=1-β=1- (Ir)/(Ii) = (Ii-Ir)/(Ii)式中，β-吸聲體的聲能反射系數(shù);
Ii-入射到吸聲體表面的聲強(qiáng);
Ir-從吸聲體反射出來(lái)的聲強(qiáng);
可見(jiàn)，α表示單位時(shí)間內(nèi)，吸聲體單位面積吸收聲能的能力。
多孔材料吸聲體的吸聲機(jī)理，是在孔洞中的空氣介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)，在聲波作用下振動(dòng)，而產(chǎn)生黏滯性摩擦，吸聲體材料本身，也在聲波作用下發(fā)生形變，產(chǎn)生內(nèi)摩擦，從而消耗了聲波的能量，產(chǎn)生吸聲效應(yīng)。多孔材料吸聲特征為，α隨聲頻而提高。
由此可得結(jié)論多孔材料吸聲體，可有效地吸收高頻噪聲?？晌毡尘霸肼曋?00Hz以上的頻率分量。
2、噪聲隔聲隔聲是阻隔空氣介質(zhì)傳播至機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)的強(qiáng)背景噪聲。
強(qiáng)背景噪聲在空氣介質(zhì)中傳播時(shí)，當(dāng)遇到機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)的隔聲體，一部分能量被反射出去，一部分被隔聲體吸收，還有一部分穿透隔聲體。
隔聲體的特性，用透聲系數(shù)τ或隔聲量TL描述τL= (Iτ)/(Ii) (dB)式中，Iτ-穿透隔聲體的聲強(qiáng);
Ii-入射到隔聲體的聲強(qiáng);
TL＝10lg 1/(τ) (dB)
雙層隔聲體隔聲機(jī)理，是聲波透射入第一層隔聲體后，進(jìn)入兩隔聲體間的中間層，該層的聲阻抗與隔聲體聲阻抗相差很大，聲波在它們的分界面處，會(huì)產(chǎn)生明顯的衰減，因而，雙層隔聲體的隔聲量TL顯著提高。
智能器的組成單元如圖2所示。由變換器、診斷對(duì)象選擇單元、采集單元、聽(tīng)到判斷單元、運(yùn)算單元、診斷單元和顯示器等構(gòu)成。
其中變換器為高輸入阻抗放大器，采集單元由A/D板和采集模塊構(gòu)成，顯示器采用微機(jī)黑白、彩色或液晶顯示器，診斷對(duì)象選擇單元、聽(tīng)到判斷單元、運(yùn)算單元、診斷單元均由相應(yīng)模塊組成。
如圖2，機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)輸出的信號(hào)，首先由變換器變換為電壓信號(hào)，經(jīng)診斷對(duì)象選擇單元后，由采集單元采樣，聽(tīng)到判斷單元對(duì)采得信號(hào)審查，信號(hào)中噪聲占主要成分時(shí)，審查為聽(tīng)不到，返采集單元重新采樣，直到審查合格聽(tīng)到為止。聽(tīng)到信號(hào)送運(yùn)算單元，再送診斷單元復(fù)審，發(fā)現(xiàn)為非診斷對(duì)象信息時(shí)，返回重新采集，復(fù)審合格，自動(dòng)判斷機(jī)器狀態(tài)或異常部位。診斷結(jié)果由顯示器顯示。
運(yùn)算單元中的數(shù)學(xué)模型為，PJ=Σi = onf2is(fi)Σi = onS(fi),]]>QD=Σi = 1nX4i(Σi = 1nX2i)2]]>診斷單元中識(shí)別函數(shù)為，
診斷單元模塊工作原理通常某一狀態(tài)A的特征向量x是D(D＝1，2，…)維的，狀態(tài)A由組成x的D個(gè)特征參量xi(i＝1，2，…，D)所唯一地確定。
每個(gè)特征參量對(duì)于狀態(tài)A的隸屬度，可由隸屬函數(shù)計(jì)算出，于是，有D個(gè)隸屬度μA(x1)，μA(x2)，…，μA(xD)為了用它們進(jìn)行識(shí)別，必須予以相應(yīng)的加權(quán)處理，它們各自的權(quán)數(shù)，應(yīng)該是D個(gè)特征參量在識(shí)別中，各自所起作用的定量描述。設(shè)D個(gè)權(quán)數(shù)為α1，α2，…，αD，則，Σi = 1Dαi=1]]>這里的關(guān)鍵是權(quán)數(shù)αi的確定。
權(quán)數(shù)αi用下式得到，αi= (Ji)/(J1+J2+…+JD) (i=1,2,…,D)
式中，Ji(i＝1，2，…，D)是D個(gè)特征參量xi(i＝1，2，，D)的有效性判據(jù)。
于是，加權(quán)處理后的隸屬度為，μA(x)=Σi = 1DαiμA(xi)]]>狀態(tài)識(shí)別原則設(shè)全體被識(shí)別的對(duì)象，特征向量x的集合為論域U，U中的A狀態(tài)模糊子集A～、B狀態(tài)模糊子集B～、……等多個(gè)狀態(tài)模糊子集，
……現(xiàn)對(duì)隨時(shí)提出的一個(gè)確定的特征向量xO∈U予以識(shí)別，按最大隸屬原則，μy(xO)＝max〔μA(xO)，μB(xO)，μC(xO)，μD(xO)，…〕(y＝A，B，C，D，…)則判定xO屬于隸屬度值最大的y狀態(tài)模糊子集y～。
狀態(tài)程度識(shí)別設(shè)特征向量x的集合為論域U，U中A狀態(tài)模糊子集為A～，對(duì)于實(shí)數(shù)λ∈〔0，1〕，A～的λ水平截集AλAλ＝｛x｜x∈U μA(x)≥λ｝這實(shí)際上是按給定的界值λ(0≤λ≤1)，在模糊子集A～中，把隸屬度μA(x)≥λ的元素，挑選出來(lái)而得到的普通集合。
λ值可以由試驗(yàn)確定和自學(xué)習(xí)修正。
于是，對(duì)于A狀態(tài)可進(jìn)一步識(shí)別狀態(tài)程度。如令λ＝s，為嚴(yán)重故障立即停機(jī)程度，則As＊＝｛x｜x∈U μA(x)≥s｝狀態(tài)異常警告密切注視程度為，A＃s＝｛x｜x∈U μA(x)＜s｝等等。
智能機(jī)器耳診斷系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，例如①、象在危險(xiǎn)環(huán)境中需采用機(jī)械手一樣，在對(duì)人耳有極大損害的強(qiáng)背景噪聲環(huán)境中，可采用機(jī)器耳，以代替人耳聽(tīng)取機(jī)器內(nèi)部信息與判斷內(nèi)部狀態(tài)。
②、與振動(dòng)檢測(cè)診斷方法相比，智能機(jī)器耳快速、簡(jiǎn)便得多。所以，在采用振動(dòng)檢測(cè)診斷的領(lǐng)域，應(yīng)用智能機(jī)器耳可能更方便。
③、智能機(jī)器耳特別適用于工廠中，各種機(jī)械系統(tǒng)的離線多測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)、診斷與報(bào)警。
④、智能機(jī)器耳診斷系統(tǒng)很適用于各種大型回轉(zhuǎn)機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。
⑤、智能機(jī)器耳也很適用于，對(duì)各種車(chē)輛、飛機(jī)、艦艇的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。
本發(fā)明智能機(jī)器耳診斷系統(tǒng)有廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種智能機(jī)器耳，其特征在于機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)器是由1隔離環(huán)、2前罩、3前極、4耳體、5撐板、6後極、7阻尼孔等構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1的機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)器，其特征在于隔離環(huán)的結(jié)構(gòu)為環(huán)狀體，有內(nèi)層、外層和中間的夾層。
3.如權(quán)利要求1的機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)器，其特征在于隔離環(huán)的材料，內(nèi)、外層為軟橡膠或軟塑料，夾層為多孔材料。
4.如權(quán)利要求1的機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)器，其特征在于阻尼孔直徑Φ0.5mm～1mm。
5.如權(quán)利要求1的機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)器，其特征在于阻尼孔數(shù)量為10個(gè)～15個(gè)。
6.如權(quán)利要求1的機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)器，其特征在于阻尼孔均布。
7.一種智能機(jī)器耳，其特征在于機(jī)器耳智能器，由變換器、診斷對(duì)象選擇單元、采集單元、聽(tīng)到判斷單元、運(yùn)算單元、診斷單元和顯示器構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求7的機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)器，其特征在于運(yùn)算單元數(shù)學(xué)模型為，PJ=Σi = onf2is(fi)Σi = onS(fi),]]>QD=Σi = 1nX4i(Σi = 1nX2i)2]]>
9.如權(quán)利要求7的機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)器，其特征在于診斷單元識(shí)別函數(shù)為，
10.一種智能機(jī)器耳，其特征在于是由機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)器和機(jī)器耳智能器組成。
11.如權(quán)利要求10的機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)器，其特征在于機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)器是由1隔離環(huán)、2前罩、3前極、4耳體、5撐板、6後極、7阻尼孔等構(gòu)成。
12.如權(quán)利要求11的機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)器，其特征在于隔離環(huán)的結(jié)構(gòu)為環(huán)狀體，有內(nèi)層、外層和中間的夾層。
13.如權(quán)利要求11的機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)器，其特征在于隔離環(huán)的材料，內(nèi)、外層為軟橡膠或軟塑料，夾層為多孔材料。
14.如權(quán)利要求11的機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)器，其特征在于阻尼孔直徑Φ0.5mm～1mm。
15.如權(quán)利要求11的機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)器，其特征在于阻尼孔數(shù)量為10個(gè)～15個(gè)。
16.如權(quán)利要求11的機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)器，其特征在于阻尼孔均布。
17.如權(quán)利要求10的機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)器，其特征在于機(jī)器耳智能器，由變換器、診斷對(duì)象選擇單元、采集單元、聽(tīng)到判斷單元、運(yùn)算單元、診斷單元和顯示器構(gòu)成。
18.如權(quán)利要求17的機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)器，其特征在于運(yùn)算單元數(shù)學(xué)模型為，PJ=Σi = onf2is(fi)Σi = onS(fi),]]>QD=Σi = 1nX4i(Σi = 1nX2i)2]]>
19.如權(quán)利要求17的機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)器，其特征在于診斷單元識(shí)別函數(shù)為，
全文摘要
該系統(tǒng)是一種機(jī)器內(nèi)部故障的不解體診斷裝置。系統(tǒng)由機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)和智能器構(gòu)成?；驹頌?，機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)聽(tīng)取機(jī)器內(nèi)部信息，智能器自動(dòng)判斷機(jī)器狀態(tài)和故障部位。在強(qiáng)噪聲環(huán)境，用通常的傳聲器檢測(cè)的信號(hào)會(huì)被淹沒(méi)在噪聲中，無(wú)法工作，該發(fā)明的特征在于，機(jī)器耳聽(tīng)覺(jué)在很強(qiáng)的噪聲里，能聽(tīng)清楚想聽(tīng)的信號(hào)；還能自動(dòng)報(bào)告機(jī)器內(nèi)部故障。機(jī)器耳不需安裝，只一分鐘便可報(bào)告診斷結(jié)果。
文檔編號(hào)G01M99/00GK1067735SQ9210482
公開(kāi)日1993年1月6日 申請(qǐng)日期1992年6月22日 優(yōu)先權(quán)日1992年6月22日
發(fā)明者丁漢哲 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院