CN101493355A - 一体化振动监测仪 - Google Patents

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肖岸文
樊校甫
尚超
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Abstract

一种一体化振动监测仪，它属于一种振动监测仪。它主要是解决现有水泵、电机、结构架等由于振动引起的转轴断裂、风叶断裂、机械移位引起磨损等技术问题。其技术方案要点是：利用加速度传感器对机械振动进行采集，经模拟调理电路进行调理，由模数转换电路进行转换并把转换结果送给CPU，CPU根据设置对转换结果进行数字滤波并进行报警判断，如果采集结果超过告警设置值则告警提示，如果采集结果超过危险设置值则危险继电器输出，断开主设备供电等保护动作，使设备不至于由于机械振动引起过度磨损甚至损毁。它可广泛应用于监测旋转机器的振动变化情况，特别适用于监测风机、水泵、电动机、磨煤机、减速机、压缩机和轧机等旋转机器上。

Description

一体化振动监测仪
技术领域
本发明涉及一种振动监测仪。
背景技术
目前，常用的振动测试仪均是采用三个独立传感器对振动进行三向监测，只是把加速度传感器的加速度值经模拟转换电路转换成4～20mA输出，需经二次仪表进行采集，如需分析还要购买或开发振动分析软件，一套设备费用昂贵，安装使用不方便，而且没有录波功能，不能进行离线振动分析。
发明内容
本发明的目的是提供一种体积小、安装方便、灵敏度高、有记录和存储功能、且可进行全方位监测的一体化振动监测仪。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用振动传感器用于感应机械振动，机械振动产生的加速度使传感器内部晶体发生形变，改变晶体的极化，在晶体内部产生电场，电容两极距离发生改变使两端的电荷发生变化，通过转化电路将电荷转化成与加速度值成正比的电压输出，再通过低通滤波电路、高通滤波电路将采集信号进行滤波，再对滤波后的电压信号进行信号放大，并通过高速模拟实时采集单元对模拟处理后的电压信号进行采集，采集的信号输入CPU微控制器进行数学计算变换得到包括振动的加速度、频率、速率参数，即给出设备的振动状况参数。
本发明滤波后的电压信号运算放大部分为增益可调。所述CPU微控制器与RS485通讯接口相联接，或与电压/电流转换芯片相接。可与与报警设备相联接。所述振动传感器为三轴振动传感器，内置3个加速度传感器。
本发明可将包括振动传感器、信号放大模块及CPU微控制器安装在壳体3内，所述壳体3采用金属材料制成密封壳体，并在壳体3上设置电缆接口。所述壳体3可采用不锈钢材料制成密封筒状结构。
本发明的有益效果是：它通过将传感器、调理模块、运算模块及控制模块集成在一起，防尘、防水、防电磁干扰能力强，性价比高。尤其对于低频状态下的设备能准确监测其在线振动情况。采用嵌入式CPU芯片进行全数字化处理，带有滤波和频谱分析功能。对报警：均有抗干扰设计，以防止误报警。24小时自我检测，可靠性高。所有参数设置和分析功能均可通过软件控制，该软件具有频段滤波及频谱分析功能。设置RS485接口，可与PC通讯，人机界面的功能十分全面，实现了在线监测及分析功能，实时分析时，仍能正常报警。它可广泛应用于监测旋转机器的振动变化情况，特别适用于监测风机、水泵、电动机、磨煤机、减速机、压缩机和轧机等旋转机器上，并可在振动水平过高时可发出警报。
附图说明
图1是本发明的系统流程原理示意图。
图2是本发明设安装基座的外形结构示意图。
图3是本发明设双电缆接口的外形结构示意图。
图4是本发明的系统原理示意图。
图中：1-安装基座，2-安装孔，3-壳体，4-电缆接口，5-电缆，6-电缆接口，U1-DC/DC转换芯片，U2-电压/电流转换芯片，U3-振动传感芯片，U4-运算放大器，U5-运算放大器，U6-DC/DC转换芯片，U7-电压/电流转换芯片，U8-CPU微控制器，U9-485通讯芯片，U10-驱动芯片。
具体实施方式
本发明的振动传感芯片U3与运算放大器U4和运算放大器U5相联接，DC/DC转换芯片U1和DC/DC转换芯片U6分别与CPU微控制器U8，经运算放大的信号输CPU微控制器U8，电压/电流转换芯片U2和电压/电流转换芯片U7与CPU微控制器U8，CPU微控制器U8与RS485通讯芯片U9相联接和驱动芯片U10。本发明可将所述振动传感器、信号放大模块及CPU微控制器安装在壳体3内，所述壳体3采用不锈钢材料制成筒状密封壳体，并在壳体3上设置电缆接口。所述壳体3上可设置安装基座1和安装孔2，也可在壳体3上设置电缆接口4和6。振动传感器采用MEMS传感器。参阅图1至图4。
本发明可用于工业场合测量设备的振动状况并实时报警，达到测量和保护的作用。其技术原理是：设备振动时可能产生1个方向的振动向量，把监控设备牢固安装在设备上，通过精密传感器测量获取振动模拟量，经过一系列数学运算将振动基波的频率、幅值、加速度等计算出来，根据警报的不同设置值进行警告、危险的报警动作以保证设备的安全。
本发明的工作原理如下：一是采用先进的MEMS传感器，用于感应机械振动。机械振动时会产生加速度，这个加速度将使加速度传感器内部晶体发生形变，改变晶体的极化现象，在晶体内部产生电场，电容两极距离发生改变使两端的电荷发生变化，通过精密转化电路将电荷转化成电压输出，这个电压值与加速度值是一个正比关系，例如10mv/g等。二是通过低通滤波电路、高通滤波电路将采集信号进行滤波，限制其宽带范围，隔离不需要的信号，只通过测试对象的频率范围。三是对滤波后的电压信号进行信号放大，运算放大部分增益可调，利用软件控制其放大倍数，保证最大的采集精度。四是通过高速模拟采集单元对模拟处理后的电压信号进行采集，采样频率在20k/s以上，保证对模拟信号采集的实时性和尽可能高的还原性。五是系统利用一系列数学计算变换得到振动的加速度、频率、速率等，并根据加速度等进行振动分析，给出设备的振动状况，并根据用户的设备对象给出恰当的合理建议。
主要技术与性能指标：
  振动测量参数参见标签   以mm/s为单位的速率测量可另选以m/s2为单位的加速度测量
  以mm/s为单位的测量范围以m/s2为单位的测量范围   速率：10mm/s，20mm/s，50mm/s，100mm/s(可通过调节开关进行选择)加速度：2.5m/s2，6m/s2，12m/s2，24m/s2(可通过调节开关进行选择)
  频率范围依照ISO2954-1975(E)的滤波器   10-1000Hz◎-1dB，＞-18dB/八阶可另选1-1000Hz-1dB，＞-18dB/八阶
  遇险与危险警报触发级别   默认设置：遇险警报：测量范围最大值的50％危险警报：测量范围最大值的80％可通过调节开关调节为1％-100％之间的任意数值
  警报延迟时间   默认设置：遇险警报＝10秒；危险警报＝5秒可通过调节开关调节为0-100秒之间的任意数值
  警报持续时间   1秒
  整体精确度   频率范围10-1000Hz±1.5％
  加速度传感器：非线性温度灵敏度横轴灵敏度滤波器：非线性4-20毫安模拟输出：灵敏度 全标度的±0.2％(标准规格)±0.45％(在-20～65℃的温度范围内)±2％(最大值)±2.3％＝0.2dB(标准规格，具体视滤波器型号而定)±0.3％(标准规格)
  直流输出电流   4-20毫安，最大负荷电阻为400欧姆
  警报输出   监测仪带有具备断开功能的遇险和危险两个继电器。两个继电器都为锁定状态。(最大电压30伏特，最大电流100毫安)
  自测功能   自测功能可以远程启动。只有在自测运行时的模拟输出超出警报触发级别，并达到相应的劲爆延迟时间时，遇险和危险警报才会分别启动。
  传感器电子狗   加速度传感器装备有内置的电子狗，可以不间断检查传感器的运行状况。一旦出现传感器故障则启动系统故障继电器。
  电源故障   如果电源被切断，所有继电器将被启动，即：断开，则自动防故障。
  测量方向   测量方向与仪器圆柱状外壳的长轴方向平行。参见3.20章节附图。
  录波时间   ＞＝8秒
  电源   +24伏特直流±10％标准0.9瓦消耗功率最大值为1.3瓦
  缆线   防油型，聚氨酯，屏蔽，开口端12×0.25平方毫米标准缆线长度：2米(可根据用户配置)
  外壳材质及尺寸   材质：不锈钢编号1.4305另外可选：不锈钢编号1.4404尺寸：高111毫米，包括装配螺钉；直径47毫米，不包括电缆密封罐；六角形对宽41毫米
  装配   内置M8线；线深度最大值10毫米安装扭矩大约为6.8牛米
  进入防护   IP68
  运行温度范围   环境温度＝-20℃≤温度≤+65℃
常用的振动测试仪只是把加速度传感器的加速度值经模拟转换电路转换成4～20mA输出，需经二次仪表进行采集，如需分析还要购买或开发振动分析软件。一套设备费用昂贵，安装使用不方便，而且没有录波功能，不能进行离线振动分析。而该套设备具有RS485串行接口，在PC机上即可实时监控，8秒钟的录波数据可以断电保持，数据下载后进行离线振动分析，该套配套振动监控软件，可以通过软件进行参数设置、实时数据显示、振动波形显示、振动分析结果等，软件使用方便，整套设备性价比高、安装方便、难于损坏，在国内、国际上都处于领先水平。
本发明在理论上有创新：一体化的设计理念，将分析功能集中到传感器当中。由模拟运算及传输，创新为数字技术运算及传输。保证数据采集的准确度，抗干扰能力强，采用最先进的振动算法，快速准确的进行计算分析，为使用者提出合理化建议。
本发明在应用上也有创新：该一体化传感器使用时不需要第三方仪器设备，通过RS485通信可实时监控测试对象的。采用MEMS技术，监测机械振动。
本发明在技术上也有创新：一是利用高速CPU对模拟量进行采样和计算，采样频率可达到20khz，其保证了采样的实时性，而高达100Mhz的CPU主频保证了数学运算的快速性。二是12位的模拟采集保证采集精度达到0.002g，不仅可以满足警告保护的要求，还可以为第三方提供振动分析需要的数据。三是通过采用RS485总线接口与第三方通信，可以挂接8个单元进行集中监控。四是通过采用可达到IP67防护等级的金属外壳可以防尘、防水、防盐雾、防高强度冲击，能在不同复杂的环境中稳定运行。
本发明在工艺结构有创新：整个传感器利用不锈钢经过数控加工形成外壳，不需要焊接，耐腐蚀，防水性好。
本发明的关键技术及技术指标描述：
Figure A20091004268700071
本发明是以方便、实用、稳定、高性能为要求进行开发的，只需一个产品就可以解决振动安全报警及分析功能，免除后期二次开发。
本发明利用加速度传感器对机械振动进行采集，特别是将MEMS传感器首次运用到风机、电机、结构架机械振动监测领域，经模拟调理电路进行调理，由模数转换电路进行转换并把转换结果送给CPU，CPU根据设置对转换结果进行数字滤波并进行报警判断，如果采集结果超过告警设置值则告警提示，如果采集结果超过危险设置值则危险继电器输出，断开主设备供电等保护动作，使设备不至于由于机械振动引起过度磨损甚至损毁。

Claims (7)

1、一种一体化振动监测仪，其特征是：采用振动传感器用于感应机械振动，机械振动产生的加速度使传感器内部晶体发生形变，改变晶体的极化，在晶体内部产生电场，电容两极距离发生改变使两端的电荷发生变化，通过转化电路将电荷转化成与加速度值成正比的电压输出，再通过低通滤波电路、高通滤波电路将采集信号进行滤波，再对滤波后的电压信号进行信号放大，并通过高速模拟实时采集单元对模拟处理后的电压信号进行采集，采集的信号输入CPU微控制器进行数学计算变换得到包括振动的加速度、频率、速率参数，即给出设备的振动状况参数。
2、根据权利要求1所述的一体化振动监测仪，其特征是：滤波后的电压信号运算放大部分为增益可调。
3、根据权利要求1所述的一体化振动监测仪，其特征是：CPU微控制器与RS485通讯接口相联接，或与电压/电流转换芯片相接。
4、根据权利要求1所述的一体化振动监测仪，其特征是：CPU微控制器U8与报警设备相联接。
5、根据权利要求1所述的一体化振动监测仪，其特征是：所述振动传感器为三轴振动传感器，内置3个加速度传感器。
6、根据权利要求1所述的一体化振动监测仪，其特征是：将包括振动传感器、信号放大模块及CPU微控制器安装在壳体(3)内，所述壳体(3)采用金属材料制成密封壳体，并在壳体(3)上设置电缆接口。
7、根据权利要求6所述的一体化振动监测仪，其特征是：所述壳体(3)采用不锈钢材料制成密封筒状结构。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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