CN105424164B - 一种振动探测装置、***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种振动探测装置、***及方法，其装置包括X方向振动检测模块，用于检测X方向的振动，生成X方向振动信号；Y方向振动检测模块，用于检测Y方向的振动，生成Y方向振动信号；矢量加权模块，用于对X方向振动信号和Y方向振动信号进行矢量加权，得矢量加权振动信号。相对现有技术，本发明可以适应更大动态范围的振动信号、并对不同方向的振动信号进行矢量加权、定位精准、抗干扰能力强。

Description

一种振动探测装置、***及方法

技术领域

本发明涉及家居安防技术领域，特别涉及一种振动探测装置、***及方法。

背景技术

随着中国城市化建设的加快，小区建设向智能化发展,小区的安防***也同步向智能化发展.另外随着人们生活质量的提高，针对国家和个人财物的偷盗行为呈不断上升趋势。特别是对小区内个人居所进行的偷盗行为时有发生。虽然目前一些需要安全防护的区域采用安装摄像头的方式进行监视,但是无法实现犯罪的及时识别和报警，而且容易被发现和拆除。

振动探测装置可以安装于小区围墙和家庭门窗上,从而实现犯罪的及时识别和报警。另外振动探测装置也可以埋入墙内或地下,实现对凿墙挖洞时发出报警信息。

目前市面上应用于安防领域的振动探测器主要存在误报或者漏报问题,误报主要由于探测器无法剔除气象因素和环境中高分贝噪声导致,而漏报主要是由于探测器的灵敏度不可自动调整和识别频率范围短导致。另外振动传感器还存在定位效果差问题.

现有技术中公开了“振动检测装置”，其主要技术是解决了“其能够在施加外力时判别是何种行为引起的外力”，其“计测部”实现了“滤波电路”和“放大电路”，但“放大电路”没有带自动增益控制(AGC),因此输入振动信号的幅度存在一定限制,特别当“振动检测装置”安装于刚性物体表面,如水泥地面时,因其振动波呈现指数曲线,使该“振动检测装置”不适合应用于刚性物质场合。另外该专利也没有对通过振动检测装置来实现振动源定位和气象因素的影响做出说明。

现有技术中公开了“用于探测破坏的运动探测器和用于探测破坏的方法”，其采用“驻极体麦克风”来感测“振动的频率、幅度和强度中的至少一个”，所述“探测器”包含“信号放大器”和“滤波器”，“驻极体麦克风”来感测振动需要一个谐振腔或者不密闭的环境，使该探测器在传感器的体积上很大或者不防水。另外其公开的“预定模型”需要在不同应用场合实验多种不同的“预定模型”。

目前，通过压电元件可以实现振动强度转换成电信号的输出，然后通过放大电路将电信号放大，再通过滤波电路衰减振动噪声，最后放大的电信号通过与一个或多个阀值进行比较，从而实现振动探测功能。以上探测方法已成为公知，但该探测方法存在的最大问题就是对小信号不敏感，对任意大信号容易误报。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以适应更大动态范围的振动信号、并对不同方向的振动信号进行矢量加权、定位精准、抗干扰能力强的振动探测装置、***及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种振动探测装置，包括：

X方向振动检测模块，用于检测X方向的振动，生成X方向振动信号；

Y方向振动检测模块，用于检测Y方向的振动，生成Y方向振动信号；

矢量加权模块，用于对X方向振动信号和Y方向振动信号进行矢量加权，得矢量加权振动信号。

本发明的有益效果是：矢量加权模块能对X方向振动检测模块和Y方向振动检测模块发送的信号进行矢量加权，提升各方向振动感知灵敏度。

进一步，还包括Z方向振动检测模块，所述Z方向振动检测模块用于检测Z方向的振动，生成Z方向振动信号与X方向振动信号和Y方向振动信号进行矢量加权。

进一步方案的有益效果：矢量加权模块能对X方向振动检测模块、Y方向振动检测模块和Z方向振动检测模块发送的信号进行矢量加权，提升各方向振动感知灵敏度；

进一步，所述X方向振动检测模块、Y方向振动检测模块和Z方向振动检测模块均包括检测单元、放大单元和滤波单元；

所述检测单元，用于在振动物体的振动作用下发生形变，产生振动信号；

所述放大单元，用于对振动信号进行放大；

所述滤波单元，用于对放大后的振动信号进行滤波。

进一步方案的有益效果：通过检测单元、放大单元和滤波单元进行检测放大滤波，提升信号幅度适应范围和增加抗干扰能力。

进一步，还包括自动增益控制单元，所述自动增益控制单元用于检测放大输出信号的幅度，并根据输出信号的幅度调控放大振动信号的放大率。

进一步方案的有益效果：自动增益控制单元可以使本装置适应更大动态范围的振动信号，提升抗干扰性。

进一步，所述X方向振动检测模块、Y方向振动检测模块、Z方向振动检测模块和矢量加权模块集成在一个电路板上，且所述电路板通过铝合金材料制成模块进行密封封装。

进一步方案的有益效果：本装置能够适应埋入地下等环境，从而减小人为破坏的影响，提升抗干扰性。

一种振动探测***，包括振动处理装置和n个所述的一种振动探测装置，所述振动处理装置用于对n个振动探测装置产生的n个振动信号进行信号处理，确定振动源定位区域，其中n≥3。

本发明的有益效果是：n个振动探测装置可以根据应用现场的需要灵活安装于墙面，防护围栏上，或者埋入地下；多点布置振动探测装置，实现对振动源的精准定位。

进一步，n个振动探测装置置于需要振动源定位区域，并对n个振动探测装置进行等值线标定；振动处理装置对n个振动探测装置产生的n个振动信号进行峰值时间、峰值幅度和频率检测，对n个振动信号的峰值幅度进行排序，排序后的n个振动信号的峰值幅度进行两两间差值计算，将计算得的n个幅度差值分别除以等值带最大衰减m，得到幅度差值的等值带个数，将各等值带分别对应到平面图上，将计算得出的n个幅度差值重叠区域确定为振动源定位区域。

进一步方案的有益效果：多点布置振动探测装置，实现对振动源的定位，同时通过对振动信号的多点分析，智能排除外界干扰。

一种振动探测方法，包括以下步骤：

步骤S1.将n个振动探测装置置于需要振动源定位区域，并对n个振动探测装置进行等值线标定；

步骤S2.对n个振动探测装置产生的n个振动信号进行峰值时间、峰值幅度和频率检测；

步骤S3.对n个振动信号的峰值幅度进行排序，排序后的n个振动信号的峰值幅度进行两两间差值计算；

步骤S4.将计算得的n个幅度差值分别除以等值带最大衰减m，其中n≥3，得到幅度差值的等值带个数；

步骤S5.将各等值带分别对应到平面图上，将计算得出的n个幅度差值重叠区域确定为振动源定位区域。

本发明的有益效果是：本发明可以对产生振动的振动源进行定位，可以排除来自气象因素导致的振动干扰，以及来自环境中高分贝噪声的影响。

进一步，所述步骤S2中振动信号的具体实现：

步骤21.检测X方向的振动，生成X方向振动信号；检测Y方向的振动，生成Y方向振动信号；检测Z方向的振动，生成Z方向振动信号；

步骤22.对X方向振动信号、Y方向振动信号和Z方向振动信号进行矢量加权，得矢量加权振动信号。

进一步方案的有益效果：对X方向振动信号、Y方向振动信号和Z方向振动信号进行矢量加权，提升定位精准性。

进一步，所述X方向振动信号、Y方向振动信号和Z方向振动信号的具体实现：

步骤211.在振动物体的振动作用下发生形变，产生振动信号；

步骤212.对振动信号进行放大；

步骤213.检测放大输出信号的幅度，并根据输出信号的幅度调控放大振动信号的放大率；

步骤214.对放大后的振动信号进行滤波。

进一步方案的有益效果：进行检测放大滤波，提升信号的精准性，自动增益控制单元可以使本装置适应更大动态范围的振动信号，提升抗干扰性。

附图说明

图1为本发明一种振动探测装置的模块框图；

图2为检测单元、放大单元、自动增益控制单元和滤波单元的模块框图；

图3为本发明一种振动探测***的模块框图；

图4为振动探测的定位示意图；

图5为振动探测的定位示意图；

图6为振动探测装置的结构示意图；

图7为本发明一种振动探测方法的方法流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

10、矢量加权模块，11、X方向振动检测模块，12、Y方向振动检测模块，13、Z方向振动检测模块；

20、检测单元，21、放大单元，22、自动增益控制单元，23、滤波单元；

30、振动探测装置，31、振动处理装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：

如图1所示，一种振动探测装置，包括：

X方向振动检测模块11，用于检测X方向的振动，生成X方向振动信号；

Y方向振动检测模块12，用于检测Y方向的振动，生成Y方向振动信号；

矢量加权模块10，用于对X方向振动信号和Y方向振动信号进行矢量加权，得矢量加权振动信号。

矢量加权单元10用于对分别来自X方向和Y方向的振动信号进行矢量加权，其矢量加权采用的数学方程式可以是方程式中U3即为矢量加权后输出的振动幅度值，A为一个比例系数，实现矢量加权后的增益控制；X即为来自X方向的振动幅度值；Y即为来自Y方向的振动幅度值。

还包括Z方向振动检测模块13，所述Z方向振动检测模块13用于检测Z方向的振动，生成Z方向振动信号与X方向振动信号和Y方向振动信号进行矢量加权。

矢量加权单元10用于对分别来自X方向、Y方向和Z方向的振动信号进行矢量加权，其矢量加权采用的数学方程式可以是方程式中U4即为矢量加权后输出的振动幅度值，A为一个比例系数，实现矢量加权后的增益控制；X即为来自X方向的振动幅度值；Y即为来自Y方向的振动幅度值；Y即为来自Z方向的振动幅度值。

实施例2：

如图2所示，在实施例1的基础上，所述X方向振动检测模块11、Y方向振动检测模块12和Z方向振动检测模块13均包括检测单元20、放大单元21和滤波单元23；

所述检测单元20，用于在振动物体的振动作用下发生形变，产生振动信号；

所述放大单元21，用于对振动信号进行放大；

所述滤波单元23，用于对放大后的振动信号进行滤波。

对来自放大单元21的电压信号进行滤波，滤波单元23是由多个带阻滤波器组成，可以实现对特定频带内的信号进行衰减，而对其带外信号不进行衰减；例如，可以采用一个带阻滤波器滤除语音信号，具体的，其带阻滤波器的开始频率为300Hz，结束频率为3400Hz。经过滤波单元23进行滤波的电压信号可以直接输出到振动处理单元31，也可以与另一路的经过滤波单元23进行滤波的电压信号合并输入到矢量加权单元10。

还包括自动增益控制单元22，所述自动增益控制单元22用于检测放大输出信号的幅度，并根据输出信号的幅度调控放大振动信号的放大率。

自动增益控制单元22实现对更大动态范围的电压信号进行无失真放大，另外其闭环回路控制的时间是可调整的，例如，其闭环回路控制的时间可以是0.1秒；当自动增益控制单元22检测到放大单元21的输出电压幅度足够大时(比如U1)，其将开始减小放大单元的放大率，直到最终输出的电压幅度低于U1时，即锁定当前的放大率；另外，当检测到放大单元的输出电压幅度足够小时(比如U2，存在U1>U2)，其将开始增加放大单元的放大率，直到最终输出的电压幅度高于U2时，即锁定当前的放大率。

如图6所示，所述X方向振动检测模块11、Y方向振动检测模块12、Z方向振动检测模块13和矢量加权模块10集成在一个电路板上，且所述电路板通过铝合金材料制成模块进行密封封装。

实施例3：

如图3所示，一种振动探测***，包括振动处理装置31和n个所述的一种振动探测装置30，所述振动处理装置31用于对n个振动探测装置30产生的n个振动信号进行信号处理，确定振动源定位区域，其中n≥3。

振动处理单元31用于对振动探测装置30或者带矢量加权的振动探测装置30输出的振动信号进行处理。

振动处理装置31只连接一个振动探测装置30，这时***只能完成简单的振动探测，输入的振动幅度值与一个或者多个门限值进行比较，根据超过的门限数量，输出不同级别的振动报警。

振动处理装置31只连接一个带矢量加权的振动探测装置30，这时***只能完成多方向的振动探测，输入的振动幅度值与一个或者多个门限值进行比较，根据超过的门限数量，输出不同级别的振动报警。

振动处理装置31与n个(n≥3)带矢量加权的振动探测装置30连接，同时处理来自n个带矢量加权的振动探测装置30的振动数据，可实现对振动源的定位，同时可以排除来自气象因素导致的振动干扰，以及来自环境中高分贝噪声的影响。

优选的，n个振动探测装置30置于需要振动源定位区域，并对n个振动探测装置30进行等值线标定；振动处理装置31对n个振动探测装置30产生的n个振动信号进行峰值时间、峰值幅度和频率检测，对n个振动信号的峰值幅度进行排序，排序后的n个振动信号的峰值幅度进行两两间差值计算，将计算得的n个幅度差值分别除以等值带最大衰减m，得到幅度差值的等值带个数，将各等值带分别对应到平面图上，将计算得出的n个幅度差值重叠区域确定为振动源定位区域。

首先预先测定每个振动探测器周围介质对振动信号的衰减，每衰减m dB作为一个等值带，该等值带将会是以被测振动探测器为中心的多个封闭曲线；在需要定位的介质上，分别布放n个振动探测装置，使其等值带存在交集；定位原理是分别对来自n个(n≥3)振动探测器的探测信号，进行时间，幅度，频率检测，得到每个振动探测装置的单次振动最大幅度，然后对n个幅度进行两两相减，从而得到振动幅度的差值，依据差值和等值带即可定位振动源的位置；其时间和频率作为不同振动探测装置区分同一次振动的依据。

实施例4：

如图7所示，一种振动探测方法，包括以下步骤：

步骤S1.将n个振动探测装置置于需要振动源定位区域，并对n个振动探测装置进行等值线标定；

步骤S2.对n个振动探测装置产生的n个振动信号进行峰值时间、峰值幅度和频率检测；

步骤S3.对n个振动信号的峰值幅度进行排序，排序后的n个振动信号的峰值幅度进行两两间差值计算；

步骤S4.将计算得的n个幅度差值分别除以等值带最大衰减m，得到幅度差值的等值带个数；

步骤S5.将各等值带分别对应到平面图上，将计算得出的n个幅度差值重叠区域确定为振动源定位区域。

1、根据三点定位原理，得出如图4所示的振动定位模型。

1)在需要振动源定位的区域，放置n个(n≥3)振动探测装置；

这里假设n＝3,以3个为例，如图4所示，分别对应放置于L，K，H点的位置。

2)对n个振动探测装置进行等值线标定；

如图4所示，L1所围区域是相对于L点振动幅度衰减<m dB的区域，L2到L1所围区域是相对于L点振动幅度衰减<2mdB但>m dB的区域,L3到L2所围区域是相对于L点振动幅度衰减<3mdB但>2m dB的区域,L4到L3所围区域是相对于L点振动幅度衰减<4mdB但>3m dB的区域，类似的，可以依此继续划分衰减区域L5,L6,L7等等；

同样地，对K点和H点的振动探测装置也进行等值线标定。分别有K1,K2,K3,K4和H1,H2,H3,H4等等；

3)测量每个电压信号的峰值时间t,峰值幅度u,电压信号频率f；

一个振动源可能产生多个峰值信号，属于在时间轴上的连续，这里需要对测得峰值时间t进行结合计算，用于区分时间轴上不同的振动峰值。即时间t和频率f作为振动处理单元判断第p个(p＝1,2,3,..)振动信号峰值的依据。

4)根据第p个电压信号的峰值幅度u_lp，u_kp,u_hp，进行由大到小排序；

排序结果，使峰值幅度最大者排第一位，峰值幅度最小者排最后一位，这里假设u_kp＞u_hp＞u_lp,则排序后结果如下：u_kp,u_hp，u_lp

当然，这里会存在情况三者相等的情况，即u_kp＝u_hp＝u_lp。

5)计算两两间的幅度差值。

计算两两间的差值，即u_kp-u_hp，u_kp-u_lp,u_hp-u_lp,得到△u1,△u2,△u3。

6)计算两两间的差值除以一个等值带最大衰减m,即△u1/m,△u2/m,△u3/m,得到q1,q2,q3。

7)将各等值带分别对应到平面图上，将计算得出得n个差值重叠区域确定为振动源定位区域。

2、下面以图7中c点作为振动源，举例说明以上振动探测方法的实现方式：

1)在需要振动源定位的区域，放置3个振动探测装置，如图5所示，分别对应放置于L，K，H点的位置；

2)对3个振动探测装置进行等值线标定。

如图4所示，L1所围区域是相对于L点振动幅度衰减<m dB的区域，L2到L1所围区域是相对于L点振动幅度衰减<2m dB但>m dB的区域,L3到L2所围区域是相对于L点振动幅度衰减<3m dB但>2m dB的区域,L4到L3所围区域是相对于L点振动幅度衰减<4m dB但>3m dB的区域,类似的，可以依此继续划分衰减区域L5,L6,L7等等；同样地，对K点和H点的振动探测装置也进行等值线标定。分别有K1,K2,K3,K4和H1,H2,H3,H4等等。

3)测量每个电压信号的峰值时间t,峰值幅度u,电压信号频率f。一个振动源可能产生多个峰值信号，属于在时间轴上的连续，这里需要对测得峰值时间t进行结合计算，用于区分时间轴上不同的振动峰值。即时间t和频率f作为振动处理单元判断第p个(p＝1,2,3,..)振动信号峰值的依据。

4)根据第p个电压信号的峰值幅度u_lp，u_kp,u_hp，进行由大到小排序。排序结果，使峰值幅度最大者排第一位，峰值幅度最小者排最后一位，对于c点振动，存在u_kp＞u_hp＞u_lp,则排序后结果如下：u_kp,u_hp，u_lp

5)计算两两间的幅度差值。

计算两两间的差值，即u_kp-u_hp，u_kp-u_lp,u_hp-u_lp,，得到△u1,△u2,△u3。

6)两两间的差值除以一个等值带最大衰减m，得到幅度差值的等值带个数，差值除以一个等值带最大衰减m,即△u1/m,△u2/m,△u3/m,得到q1,q2,q3，对于c点，存在2>q1>1,2>q2>1,1>q3>0。

7)将各等值带分别对应到平面图上，将计算得出得3个差值重叠区域确定为振动源定位区域；对于c点，2>q1>1表示的重叠区域为图7中b3,b4所围图形区域；2>q2>1表示的重叠区域为图7中b5,b6所围图形区域；1>q3>0表示的重叠区域为图7中b1,b2所围图形区域；

结合以上3个重叠区域的交集，即可定位振动源c所处位置为b1,b3,b6所围区域内。

如图4所示的a点振动，应用该振动探测方法，这里会存在情况三者大致相等的情况，即1>q1>0，1>q2>0，1>q3>0。亦可用所围区域正确定位出a点振动位置。

优选的，所述步骤S2中振动信号的具体实现：

步骤21.检测X方向的振动，生成X方向振动信号；检测Y方向的振动，生成Y方向振动信号；检测Z方向的振动，生成Z方向振动信号；

步骤22.对X方向振动信号、Y方向振动信号和Z方向振动信号进行矢量加权，得矢量加权振动信号。

优选的，所述X方向振动信号、Y方向振动信号和Z方向振动信号的具体实现：

步骤211.在振动物体的振动作用下发生形变，产生振动信号；

步骤212.对振动信号进行放大；

步骤213.检测放大输出信号的幅度，并根据输出信号的幅度调控放大振动信号的放大率；

步骤214.对放大后的振动信号进行滤波。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种振动探测***，其特征在于，包括振动处理装置(31)和n个振动探测装置(30)，所述振动处理装置(31)用于对n个振动探测装置(30)产生的n个振动信号进行信号处理，确定振动源定位区域；

n个振动探测装置(30)置于需要振动源定位区域，并对n个振动探测装置(30)进行等值线标定；振动处理装置(31)对n个振动探测装置(30)产生的n个振动信号进行峰值时间、峰值幅度和频率检测，对n个振动探测装置的第P个振动信号的峰值幅度进行排序，排序后的n个振动信号的峰值幅度进行两两间差值计算，将计算得的n个幅度差值分别除以等值带最大衰减m，得到幅度差值的等值带个数，将各等值带分别对应到平面图上，将计算得出的n个幅度差值重叠区域确定为振动源定位区域，其中n≥3。

2.一种振动探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1.将n个振动探测装置置于需要振动源定位区域，并对n个振动探测装置进行等值线标定；

步骤S2.对n个振动探测装置产生的n个振动信号进行峰值时间、峰值幅度和频率检测；

步骤S3.对n个振动探测装置的第P个振动信号的峰值幅度进行排序，排序后的n个振动信号的峰值幅度进行两两间差值计算；

步骤S4.将计算得的n个幅度差值分别除以等值带最大衰减m，得到幅度差值的等值带个数；

步骤S5.将各等值带分别对应到平面图上，将计算得出的n个幅度差值重叠区域确定为振动源定位区域，其中n≥3。

3.根据权利要求2所述一种振动探测方法，其特征在于，所述步骤S2中振动信号的具体实现：

步骤21.检测X方向的振动，生成X方向振动信号；检测Y方向的振动，生成Y方向振动信号；检测Z方向的振动，生成Z方向振动信号；

步骤22.对X方向振动信号、Y方向振动信号和Z方向振动信号进行矢量加权，得矢量加权振动信号。

4.根据权利要求3所述一种振动探测方法，其特征在于，所述X方向振动信号、Y方向振动信号和Z方向振动信号的具体实现：

步骤211.在振动物体的振动作用下发生形变，产生振动信号；

步骤212.对振动信号进行放大；

步骤213.检测放大输出信号的幅度，并根据输出信号的幅度调控放大振动信号的放大率；

步骤214.对放大后的振动信号进行滤波。