一种振动和噪声协同诊断仪及诊断系统的制作方法

本发明涉及列车运维安全保障领域，特别是涉及一种振动和噪声协同诊断仪及诊断系统。

背景技术：

1、在轨道列车运营过程中，轨道列车中的部分区段存在车内噪声大的问题，甚至部分区段的车内噪声已经影响乘客的正常交流并引发不适感。针对上述噪声问题，目前多采用人工摸排的方式对列车进行噪声检测，以摸排噪声产生的原因是否与列车轮轨运行状态有关，目前在该领域内主要是采用人工摸排的方式对列车的旋转部件状态进行检测，但是人工摸排的方式存在噪声数据采集不连续以及检测工况不稳定。现有技术也有提出利用声音、振动协同诊断的方法，以将噪声与车辆轮轨振动进行同步监测和联合分析，但如何将该方法通过硬件设计实现，设计出一种车载式(车载是指安装于运行车辆上可进行实时在线监测的系统)的关联振动与噪声的融合监测装置，实现列车运行状态的实时评估，从而更加客观、全面地评估车辆运行状态，是本领域技术人员亟需要解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种振动和噪声协同诊断仪及诊断系统，对于诊断对象的噪声信号以及振动信号均能连续采集，并且能够结合诊断对象的振动情况分析噪声产生的原因，为改善噪声提供准确依据。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种振动和噪声协同诊断仪，包括电源模块、噪声和振动信号处理模块、中央处理器及通信模块；

3、所述噪声和振动信号处理模块用于获取诊断对象的噪声信号以及所述诊断对象的振动信号，将所述噪声信号和所述振动信号进行预处理后输出至所述中央处理器；

4、所述中央处理器用于基于预处理后的所述噪声信号和所述振动信号确定所述诊断对象产生噪声的原因，并将诊断结果输出至所述通信模块，所述通信模块用于将所述诊断结果输出至外界设备；

5、所述电源模块用于为所述噪声和振动信号处理模块、所述中央处理器及所述通信模块的供电电源进行电源转换。

6、优选的，所述噪声和振动信号处理模块包括噪声信号处理模块、振动信号处理模块以及模数转换模块；

7、所述噪声信号处理模块包括依次连接的隔直电路、增益调节电路、第一低通滤波电路以及第一差分处理电路，其中，所述隔直电路用于将采集的所述诊断对象的噪声信号进行直流分量隔离，所述增益调节电路用于将所述隔直电路输出的信号的增益调节至预设范围，所述第一低通滤波电路用于将所述增益调节电路输出的信号进行低通滤波，所述第一差分处理电路用于将所述第一低通滤波电路输出的信号转换为第一差分信号并输出至所述模数转换模块；

8、所述振动信号处理模块包括依次连接的电流电压转换电路、第二低通滤波电路以及第二差分处理电路，其中，所述电流电压转换电路用于将采集的所述诊断对象的振动信号变换为电压信号，所述第二低通滤波电路用于将所述电流电压转换电路输出的信号进行低通滤波，所述第二差分处理电路用于将所述第二低通滤波电路输出的信号转换为第二差分信号并输出至所述模数转换模块；

9、所述模数转换模块用于将所述第一差分信号和所述第二差分信号转换为数字信号后输出至所述中央处理器。

10、优选的，所述隔直电路包括第一电容，所述增益调节电路包括第一电阻、第二电阻和第一运算放大器，所述第一低通滤波电路包括第二运算放大器以及n级依次并联的电阻电容滤波电路，所述第一差分处理电路包括第三运算放大器、第四运算放大器、第三电阻至第十电阻，n为正整数；

11、所述第一电容的第一端与采集所述噪声信号的传声器对应的供电电源的供电端以及所述传声器的噪声信号的正输入端连接，所述第一电容的第二端与所述第一电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端分别与所述第二电阻的第一端以及所述第一运算放大器的正相输入端连接，所述第二电阻的第二端与所述传声器的噪声信号的负输入端连接，所述第一运算放大器的反相输入端与自身的输出端连接且连接的公共端与所述传声器的噪声信号的负输入端共同作为所述增益调节电路的两个输出端分别与所述第一低通滤波电路的两个输入端连接；

12、n级所述电阻电容滤波电路并联后的电路的第一侧的两个端子作为所述第一低通滤波电路的两个输入端，并联后的电路的另一侧的两个端子分别与所述第二运算放大器的正相输入端和反相输入端连接，所述第二运算放大器的反相输入端与自身的输出端连接且连接的公共端作为所述第一低通滤波电路的输出端；

13、所述第三电阻的第一端与所述第二运算放大器的输出端连接，所述第三电阻的第二端分别与第四电阻的第一端及所述第三运算放大器的正相输入端连接，所述第四电阻的第二端连接电源，所述第三运算放大器的反相输入端分别与第五电阻的第一端和第六电阻的第一端连接，所述第五电阻的第二端接地，所述第六电阻的第二端与所述第三运算放大器的输出端连接且连接的公共端作为所述第一差分处理电路的第一差分输出端；

14、第七电阻的第一端接地，所述第七电阻的第二端分别与第八电阻的第一端及所述第四运算放大器的正相输入端连接，所述第八电阻的第二端连接电源，所述第四运算放大器的反相输入端与第九电阻的第一端及所述第十电阻的第一端连接，所述第九电阻的第二端与所述第二运算放大器的输出端连接，所述第十电阻的第二端与所述第四运算放大器的输出端连接且连接的公共端作为所述第一差分处理电路的第二差分输出端。

15、优选的，所述噪声信号处理模块还包括用于将所述第一差分处理电路输出的所述第一差分信号进行滤波的输出滤波电路，所述输出滤波电路包括第二电容、第三电容和第四电容；

16、所述第二电容的第一端接地，所述第二电容的第二端分别与所述第三运算放大器的输出端以及所述第三电容的第一端连接，所述第三电容的第二端与所述第四电容的第一端连接，所述第四电容的第二端接地；

17、所述第二电容与所述第三电容连接的公共端以及所述第四电容与所述第三电容连接的公共端分别作为所述输出滤波电路的两个输出端。

18、优选的，所述噪声信号处理模块还包括两个用于将所述输出滤波电路的两个输出端输出的信号进行钳位的钳位电路，所述钳位电路包括第一二极管和第二二极管；

19、所述第一二极管的负极连接电源，所述第一二极管的正极与所述第二二极管的负极连接且连接的公共端与所述输出滤波电路的输出端连接，所述第二二极管的正极接地。

20、优选的，还包括转速信号处理模块；

21、所述转速信号处理模块用于采集并预处理所述诊断对象的转速信号，将预处理后的所述转速信号转换为转速方波信号，并将所述转速方波信号与所述噪声和振动信号处理模块输出的所述噪声信号及所述振动信号对齐后发送至所述中央处理器；

22、所述中央处理器具体用于基于预处理后的所述噪声信号、所述振动信号及所述转速方波信号确定所述诊断对象产生噪音的原因，并将诊断结果输出至所述通信模块。

23、优选的，所述转速信号处理模块包括电流转速信号处理电路、电压转速信号处理电路及数据对齐处理模块；

24、所述电流转速信号处理电路用于将所述转速信号由电流信号转换为电压信号，并将转换为电压信号之后的转速信号依次进行工作点调节、带通滤波、光耦隔离及信号整形之后输出至所述数据对齐处理模块；

25、所述电压转速信号处理电路用于将电压形式的转速信号依次进行工作点调节、带通滤波、光耦隔离及信号整形之后输出至所述数据对齐处理模块；

26、所述数据对齐处理模块用于将所述电流转速信号处理电路和所述电压转速信号处理电路输出的转速信号转换为转速方波信号，并将所述转速方波信号与所述噪声和振动信号处理模块输出的所述噪声信号及所述振动信号对齐后发送至所述中央处理器。

27、优选的，所述通信模块包括第一物理层网络芯片、第二物理层网络芯片和第三物理层网络芯片；

28、所述第一物理层网络芯片用于将所述中央处理器输出的诊断结果输出至列车控制与管理系统的维护网及列车总线；

29、所述第二物理层网络芯片用于将所述中央处理器输出的诊断结果输出至所述列车控制与管理系统的控制网；

30、所述第三物理层网络芯片用于以5g通讯的方式将所述中央处理器输出的诊断结果和原始的所述噪声信号及所述振动信号传输至无线传输终端。

31、优选的，所述通信模块还包括通信接口，所述通信接口的一端与所述中央处理器连接，另一端与所述列车总线连接。

32、优选的，所述电源模块包括：

33、一次电源转换电路，用于将外部输入电源供给的电压降低为一次电源电压；

34、二次电源转换电路，用于将所述一次电源电压转换为所述噪声和振动信号处理模块、所述中央处理器及所述通信模块需要的二次电源电压；

35、电源防护电路，用于抑制所述外部输入电源对所述一次电源转换电路产生的干扰；

36、复位控制电路，用于在接收到复位控制信号时控制所述一次电源转换电路复位。

37、优选的，所述电源防护电路包括用于抑制所述外部输入电源的电磁辐射的电磁辐射骚扰抑制电路。

38、优选的，所述电源防护电路包括用于抑制所述所述外部输入电源在电能传导过程中的传导骚扰的传导骚扰抑制电路。

39、优选的，所述电源防护电路包括用于抑制所述振动和噪声协同诊断仪启动时的浪涌电流的浪涌电流抑制电路以及用于抑制所述外部输入电源在电能传导过程中的浪涌电压的浪涌电压抑制电路。

40、优选的，所述电源防护电路包括用于检测所述外部输入电源是否反接并进行反接保护的反接保护电路。

41、优选的，所述电源防护电路包括用于在所述外部输入电源断电时为所述振动和噪声协同诊断仪供电的储能电路。

42、优选的，所述二次电源转换电路还包括用于为振动传感器组供电的振动传感器供电电源、用于为传声器组供电的传声器供电电源以及用于为转速传感器组供电的转速传感器供电电源，其中，所述振动传感器组用于采集所述诊断对象的振动信号，所述传声器组用于采集所述诊断对象的噪声信号，所述转速传感器组用于采集所述诊断对象的转速信号。

43、优选的，所述振动传感器供电电源包括依次连接的用于将所述二次电源电压降低为第一子供电电压的开关电源、用于将所述第一子供电电压进一步降低为所述振动传感器组所需的第二子供电电压的线性电源以及设置于所述线性电源与所述振动传感器组之间的用于进行过流保护的过流保护电路。

44、优选的，所述传声器供电电源包括电源隔离模块、共模电感滤波电路以及与所述共模电感滤波电路一一对应的恒流源；

45、所述电源隔离模块用于将自身的输入端输入的所述二次电源电压与各个所述共模电感滤波电路的输入端进行隔离，所述共模电感滤波电路的输出端与对应的恒流源的供电端连接，所述恒流源与所述传声器组中的各个传声器的供电端连接。

46、优选的，所述转速传感器供电电源包括依次连接的用于将所述二次电源电压调整为所述转速传感器组所需的供电电压并进行隔离的降压与隔离电源电路、负载电阻、防反二极管以及接口防护电路。

47、优选的，所述二次电源转换电路中用于为所述噪声和振动信号处理模块供电的电路包括运放正供电电源和运放负供电电源；

48、所述运放正供电电源的正供电端分别与所述噪声和振动信号处理模块中的各个运算放大器的正供电端连接；

49、所述运放负供电电源的负供电端分别与所述噪声和振动信号处理模块中的各个所述运算放大器的负供电端连接；

50、所述运放正供电电源包括用于将所述一次电源电压进行滤波的第一输入滤波电路、用于将滤波后的一次电源电压降压为第一正电压的第一开关电源、用于将所述第一开关电源输出的电压进行滤波的第一电容滤波电路、用于降低纹波噪声并将所述第一正电压降压为第二正电压的第一线性电源，其中，所述第一正电压为处于第一线性电源的电压输入范围内的电压，所述第二正电压为所述噪声和振动信号处理模块中的各个所述运算放大器的正供电端所需的电压；

51、所述运放负供电电源包括用于将所述一次电源电压进行滤波的第二输入滤波电路、用于将滤波后的一次电源电压降压为第一负电压的第二开关电源、用于将所述第二开关电源输出的电压进行滤波的第二电容滤波电路、用于降低纹波噪声并将所述第一负电压降压为第二负电压的第二线性电源，其中，所述第一负电压为处于所述第二线性电源的电压输入范围内的电压，所述第二负电压为所述噪声和振动信号处理模块中的各个所述运算放大器的负供电端所需的电压。

52、优选的，所述复位控制电路包括复位控制信号翻转与滤波模块、光耦隔离模块、复位按键与接口防护模块、复位控制信号整形模块以及驱动电路；

53、所述复位控制信号翻转与滤波模块、所述光耦隔离模块、所述复位控制信号整形模块以及所述驱动电路以及所述一次电源转换电路的复位端依次连接，所述复位按键与接口防护模块的输出端与所述复位控制信号整形模块的输出端连接；

54、所述复位控制信号翻转与滤波模块用于将接收到的所述复位控制信号进行反转和滤波，所述复位按键与接口防护电路用于在复位按键被触发后生成所述复位控制信号，所述复位控制信号整形模块用于对所述复位控制信号进行整形，所述驱动电路用于基于所述复位控制信号整形模块的输出信号控制所述一次电源转换电路的复位端的电平，以便控制所述一次电源转换电路是否复位。

55、为解决上述技术问题本技术还提供了一种振动和噪声协同诊断系统，包括上述任一项振动和噪声协同诊断仪，还包括用于采集诊断对象的噪声信号的传声器组及用于采集所述诊断对象的振动信号的双坐标振动传感器组。

56、优选的，所述传声器组和所述双坐标振动传感器组包括设置于轨道列车的车厢客室内的第一传声器，和安装有所述第一传声器的列车车厢的客室对应的客室外轴箱处安装的第二传声器，和安装有所述第一传声器的列车车厢的客室对应的客室外轴箱处安装的双坐标振动传感器组。

57、本发明的有益效果在于提供了一种振动和噪声协同诊断仪及诊断系统，包括噪声和振动信号处理模块、中央处理器、通信模块以及为各个模块供电的电源模块。噪声和振动信号处理模块采集诊断对象的噪声信号和振动信号，并将信号进行预处理后输出至中央处理器。由中央处理器综合噪声信号和振动信号联合分析诊断对象产生噪声的原因，并由通信模块将诊断对象产生噪声的原因也即诊断结果传输至外界设备。本方案所记载的诊断仪对于诊断对象的噪声信号以及振动信号均能连续采集，并且能够结合诊断对象的振动情况分析噪声产生的原因，为改善噪声提供准确依据。并且本方案的诊断仪实现了低噪声模拟信号的处理，提高了振动、噪声信号的有效摆幅范围，并且降低了供电电源的纹波噪，实现了低噪声、大摆幅信号输出。并且本方案的诊断仪实现了振动信号、噪声信号、转速信号的同步采集，保证了数据对齐和诊断分析的准确性，实现高效、高精度的多路信号的同步采集和保存。进一步的，本方案的诊断仪具有高集成度设计，将噪声和振动信号处理模块、中央处理器、通信模块以及为各个模块供电的电源模块集成在一台小尺寸仪器中，并实现控制以太网与维护以太网物理隔离，内部级联组网通信，以及与无线终端的千兆以太网通信等功能。