一种机械设备噪声采集终端及健康状态检测方法

本发明属于机械设备噪声噪声状态检测的，具体为一种机械设备噪声采集终端及健康状态检测方法。

背景技术：

1、机械设备因其独特的高效率、高精度、自动化等特点，在材料业、化工业和制造业等工业生产过程中得到了越来越多的应用。随着预防因机械设备零部件不同程度的损坏而造成一系列经济损失的日渐重要，何如对机械设备进行检测、识别和诊断也引起了越来越多的关注和研究。机械设备噪声信号，特别是其组成零部件失去了本身的固有频率，而产生的强中低频噪声，是识别机械设备的重要特征。

2、机械设备噪声信号采集能够在恶劣的环境条件和高度遮挡情况下(如机械外壳)有效弥补振动、温度和电磁等传统采集手段的不足，其关键环节是有效的提取出隐含再噪声信号中能反应出机械设备健康状态的个性特征。典型的机械设备噪声信号特征提取方法大致分为时域分析、频域分析和时频域分析等。时域分析提取直接对传感器采集到的机械设备的原始信号进行特征分析，提取峰值、平均值和方差等多维特征，速度快，实时性好，但是低信噪比和复杂环境下，特征提取困难且识别性能迅速降低。其他的特征提取分析方法本质上均以频谱特性分析为基础，谱特征提取能力的提升对这些方法的性能改进具有重要意义。为减少机械设备在工业生产中因其零部件的损坏而产生的一系列的经济损失，检测机械设备健康状态尤为的重要。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种机械设备噪声采集终端及健康状态检测方法，用于更准确地判断机械设备噪声健康状态。

2、第一个方面，本发明提供一种机械设备噪声采集终端实现方法，包括电源模块、噪声采集模块、噪声信号调理模块、差分及adc采样模块、微控制器模块、无线通信模块、机械设备健康状态检测模块；

3、所述电源模块，用于接入外部电源并转换至噪声信号采集终端所需的供电电源；

4、所述噪声采集模块，用于恒流源模块为预极化电容式传声器提供稳定电流，并采集机械设备的噪声信号，并传输至噪声信号调理模块；

5、所述噪声信号调理模块，将噪声采集模块采集机械设备的噪声信号进行隔直滤波处理，得到隔直滤波后的单端噪声信号，并将隔直滤波后的单端噪声信号传输至差分及adc采样模块；

6、所述差分及adc采样模块，用于将隔直滤波后的单端噪声信号转换成差分信号，并将差分信号转换为数字信号后发送至微控制器模块；

7、所述微控制器模块，用于将数字信号进行声纹特征提取，得出声纹特征，所述声纹特征为mel频率倒谱系数，并将mel频率倒谱系数传输至无线通信模块；

8、所述无线通信模块，用于将微控制器模块传输的数字信号和声纹特征无线传输至机械设备健康状态检测模块；

9、所述机械设备健康状态检测模块，用于对无线通信模块传输的mel频率倒谱系数通过自编码器模型进行降维后，得到最优有效隐含特征，进行判断机械设备健康状态，得到机械设备噪声状态检测结果。

10、进一步的，所述电源模块包括dc-dc单路隔离电源模块、线性稳压电源模块；

11、所述dc-dc单路隔离电源模块用于将外接电源电压转换至显示模块和线性稳压电源模块工作所需的电压；

12、所述线性稳压电源模块用于为噪声采集模块、噪声信号调理模块、差分及adc采样模块、微控制器模块、无线通信模块进行稳压。

13、进一步的，所述噪声采集模块为恒流源模块和预极化电容式传声器。

14、进一步的，所述噪声信号调理模块包括信号隔离直流信号偏置模块、电压基准源模块、电压跟随器隔离两级模块和二阶低通滤波模块；

15、所述信号隔离直流信号偏置模块用于对采集到的机械设备的噪声信号进行隔离直流偏置；一端与噪声采集模块连接，另一端端与电压跟随器隔离两级模块的连接；

16、所述电压基准源模块用于对信号加载固定电压来实现调节隔离直流信号后噪声信号的幅度；输出端与电压跟随器隔离两级模块连接；

17、所述电压跟随器隔离两级模块与二阶低通滤波模块连接；

18、所述二阶低通滤波模块用于滤除采集机械设备的工作现场的高频信号干扰，输出端输出滤波后的单端噪声信号。

19、进一步的，所述信号隔离直流偏置模块包括第一电容；噪声采集模块采集到的机械设备的噪声信号输入至第一电容的一端，第一电容的另一端接入电压跟随器隔离两级模块的输入端。

20、进一步的，所述电压基准源模块包括第一电压基准源芯片、第一电阻、第二电阻、第二电容和第三电容；

21、其中，所述第二电容的一端与第一电压基准源芯片的输出端相连，第二电容的另一端接地；所述第一电阻的一端与第一电压基准源芯片的输出端相连，第一电阻的另一端与第二电阻一端串联后接入电压跟随器隔离两级模块；所述第三电容的一端与第二电阻的一端连接，另一端接地。

22、进一步的，所述电压跟随器隔离两级模块包括第一运算放大器；信号隔离直流偏置模块的输出端与第一运算放大器的正输入端连接，电压基准源模块的输出端与第一运算放大器的正输入端连接，第一运算放大器的负输入端与第一运算放大器的输出端相连。

23、进一步的，所述二阶低通滤波模块包括第二运算放大器、第三电阻、第四电阻、第四电容和第五电容；

24、其中，第三电阻的一端与电压跟随器隔离两级模块的输出端相连，第三电阻与第六电阻串联后接入第二运算放大器的正输入端，第四电容的一端与第五电阻的另一端连接，第四电容的另一端与第二运算放大器的输出端相连，第五电容的一端接入第二运算放大器的正输入端，第五电容的另一端接地；第二运算放大器的负输入端与第二运算放大器的输出端相连。

25、进一步的，所述差分及adc采样模块包括依次连接的差分放大器、模数转换芯片和电压跟随器；

26、所述差分放大器用于将滤波后的单端噪声信号放大或缩小一定倍数后转化成一对差分信号；输出差分信号电压与输入单端信号电压的关系式：

27、uout＝kuin

28、其中，uout为输出差分信号电压，uin为噪声信号调理模块输出的单端信号电压，k为放大或缩小倍数。

29、所述模数转换芯片用于将一对差分信号转换成数字信号，并将数字信号发送至微控制器模块。

30、所述电压跟随器用于将模数转换芯片输出2.5v的参考电压提供给差分放大器，用做差分放大器的参考电压。其作用为隔离模数转换芯片和差分放大器两级之间的干扰。

31、第二个方面，本发明提供一种机械设备健康状态噪声检测方法，包括以下步骤：

32、步骤1：噪声采集模块采集机械设备工作的原始噪声信号；

33、步骤2：噪声信号调理模块对原始噪声信号进行隔离直流偏置、电压适配、滤波处理，得到调理后的单端噪声信号，将调理后的单端噪声信号发送至差分及adc采样模块；

34、步骤3：差分及adc采样模块将调理后的单端噪声信号转换成差分信号，并将差分信号转换为数字信号后传输至微控制器模块；

35、步骤4：微控制器模块对数字信号进行预处理，得到预处理后的噪声信号；所述预处理包括预加重、分帧、加窗；

36、步骤5：对预处理后的噪声信号进行快速傅里叶变换，得到噪声信号能量谱；

37、步骤6：将噪声信号能量谱通过mel滤波器组，得到噪声信号的mel对数功率谱；

38、步骤7：将噪声信号的mel对数功率谱进行离散余弦变换，得到mel频率倒谱系数(mfcc特征)；

39、步骤8：微控制器模块通过无线通信模块将mel频率倒谱系数发送至机械设备健康状态检测模块，通过机械设备健康状态检测模块预设的深度森林模型对mel频率倒谱系数进行识别，得到机械设备噪声状态检测结果。

40、有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

41、本发明使用mel频率倒谱系数获取机械设备噪声的特征，将mel频率倒谱系数作为深度森林模型的输入，从噪声信号的频谱特征角度进行分类，实现对机械设备更高准确率的噪声状态检测。

42、本发明机械设备噪声噪声状态检测终端具有多通道、高精度等优点，实现对不同机械设备噪声信号采集。