CN102680123A - 一种保持架温度及应力在线监测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种保持架温度及应力在线监测系统及方法，该系统包括无线供能模块、传感器模块、无线数据采集发射模块、无线数据接收处理模块及上位机；所述无线供能模块对传感器模块和无线数据采集发射模块供电；所述传感器模块为温度及应力微型传感器，安装在滚动轴承的保持架上；所述无线数据采集发射模块采集传感器模块的数据并进行无线发射；所述无线数据接收处理模块接收无线数据采集发射模块发出的信号并传送给上位机；所述上位机对接收数据进行分析和实时显示。本发明解决了保持架动态下不易布线的问题，能够及时准确地得出保持架动态性能数据，有利于及时检测出轴承早期故障和更换轴承，为工业领域带来极大的经济效益。

Description

一种保持架温度及应力在线监测系统及其方法

技术领域

本发明属于机械设备状态监测系统应用领域，涉及一种实际工况下的保持架在线监测系统，尤其是一种基于“无线供能技术+微型传感技术+无线数据收发技术”的保持架温度及应力在线监测系统及其方法。

背景技术

滚动轴承是旋转机械中的重要零件，在各个机械部门有着广泛的应用。然而滚动轴承也是机器中最易损坏的零件之一，有资料表明，在旋转机械中有70%的故障是由滚动轴承引起的。而滚动轴承的失效必然导致机械装置运行的不正常，甚至引发灾难性的后果。因此，对滚动轴承的状态监测在设备的维护中有着重要作用。

保持架作为滚动轴承的重要组成元件,将滚动体沿圆周均匀的分开，引导并带动滚动体在正确的滚道上滚动。当滚动轴承高速运转时，保持架与滚动体和套圈之间存在着大量的摩擦、磨损和碰撞，产生的摩擦力和碰撞力对保持架的运动稳定性有很大的影响。同时碰撞和磨损产生的变形也直接影响到保持架的动态性能和寿命，进而影响轴承的整体动态性能。因此，在线实时测量实际工况下的保持架应力和温度状态，对于分析保持架工作状态和轴承动态性能具有重要的意义。

对于滚动轴承保持架的检测，目前国内外研究学者已做了大量工作。但由于其特殊工作条件，国内外对其离线或静力实验研究较多，在线检测技术研究较少，且大多处于实验室阶段。目前已采用的保持架在线检测技术主要利用现有传感器的无线测量特性，如利用激光传感器对保持架的位移与运动速度进行检测。而对于滚动轴承的保持架温度和应力在线测量，尚无可直接应用于实际工况下的测量方案。

发明内容

本发明的目的在于提出一种针对实际工况下的滚动轴承保持架温度和应力的在线监测系统及方法，该监测系统基于“无线供能+微型传感+无线数据收发”技术，能够对保持架温度和应力进行实时高效的在线监测。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种保持架温度及应力在线监测系统，包括无线供能模块、传感器模块、无线数据采集发射模块、无线数据接收处理模块及上位机；所述无线供能模块对传感器模块和无线数据采集发射模块供电；所述传感器模块为温度及应力微型传感器，安装在滚动轴承的保持架上；所述无线数据采集发射模块采集传感器模块的数据并进行无线发射；所述无线数据接收处理模块接收无线数据采集发射模块发出的信号并传送给上位机；所述上位机对接收数据进行分析和实时显示。

本发明进一步的改进在于：所述无线供能模块包括能量发射和能量接收模块，能量发射模块包括能量发射模块电路和能量发送线圈，能量接收模块包括能量接收模块电路和能量接收线圈；能量接收模块电路安装在介于滚子之间的保持架表面，并全都固定；能量接收线圈紧贴保持架端面，并与能量接收模块电路相连通；能量发送线圈相对能量接收线圈设置在保持架旁侧，并与能量发射模块电路相连通；能量接收模块通过能量接收线圈、能量接收模块电路的整流电路和稳压电路，将接收来的感应电流转化成稳定电压，供给所述传感器模块和所述无线数据采集发射模块。

本发明进一步的改进在于：无线数据采集发射模块安装在滚子之间的保持架表面，包含传感器调理单元、第一单片机和第一射频芯片，传感器调理单元将采集到的传感器数据转化为有效的信号数据传给第一单片机，第一单片机进行AD转换后将数据发送给第一射频芯片，再由第一射频芯片将数据以高频无线电发射出去；无线数据接收处理模块安装于保持架旁侧，其包括第二单片机和第二射频芯片；第二射频芯片接收来自第一射频芯片的无线电并转化为有效数据，发送给第二单片机，第二单片机通过EMIF总线送入DSP模块，同时通过工业以太网接口向上位机进行数据传输。

本发明进一步的改进在于：所述第一单片机和第二单片机均为C8051F单片机；所述第一射频芯片和第二射频芯片的型号为IA4420。

本发明进一步的改进在于：所述上位机包括数据接收模块、数据分析模块和结果显示模块，用于保持架温度及应力数据的接收，分析进而提取保持架动态性能特征、判别保持架运行状态和实时显示。

一种保持架温度及应力在线监测方法，包括以下步骤：

1）将温度及应力传感器安装在滚子之间的保持架表面并固定；

2）将无线数据采集发射模块安装在滚子之间的保持架表面并固定；

3）将无线供能模块的能量接收模块安装在滚子之间的保持架表面并固定，与之相连的能量接收线圈安装在保持架一端面并固定；

4）将无线供能模块的能量发射模块和无线数据接收处理模块安置在轴承旁侧，使能量发射模块的能量发送线圈与能量接收线圈正对；

5）初始化系统，在上位机上设定数据采集时间间隔；

6）温度及应力传感器实施采集保持架的温度及应力数据，传送给无线数据采集发射模块，无线数据采集发射模块采集传感器模块的数据并进行无线发射，无线数据接收处理模块接收无线数据采集发射模块发出的信号并传送给上位机，上位机对接收数据进行分析和实时显示。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明针对保持架的特殊条件开发出在线监测系统，采用微型传感模块，而且传感模块和数据采集发射模块的供能及信号数据的收发均采用无线技术，能够对保持架温度及应力进行实时高效的在线监测。

本发明一种保持架温度及应力在线监测系统及方法，该系统基于“无线供能技术+微型传感技术+无线数据收发技术”；采用基于MEMS技术的微型温度和应力传感器，将温度和应力变化转变为电压信号，然后将电压信号通过无线数据采集发射模块进行发送，由无线数据接收处理模块进行接收，通过EMIF送入DSP模块进行数据处理，同时通过工业以太网接口向上位机进行数据传输，并采用基于电磁振荡理论的无线供能技术为传感器和无线数据采集发射模块供能。本发明提供了保持架动态性能在线监测的新方法，解决了保持架动态下不易布线的问题，能够及时准确地得出保持架动态性能数据，有利于及时检测出轴承早期故障和更换轴承，为工业领域带来极大的经济效益。

附图说明

图1是本发明一种保持架温度及应力在线监测系统的结构框图；

图2是本发明模块安装示意图；

图3是本发明无线供能模块的主要电路图；

图4是本发明无线数据采集发射模块结构图；

图5是本发明无线数据接收处理模块结构图；

图6是本发明无线数据收发模块单片机程序控制流程图；

图7a和图7b是本发明无线数据收发模块收发芯片IA4420数据发射和接收程序流程图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明一种保持架温度及应力在线监测系统，包括无线供能模块、传感器模块、无线数据采集发射模块、无线数据接收处理模块及上位机；所述无线供能模块包括能量发射模块和能量接收模块，其采用基于电磁感应原理的无线供能技术，实现保持架温度及应力测量的在线供能；所述传感器模块为温度及应力微型传感器，安装在保持架上；所述无线数据采集发射模块包含传感器调理电路，并通过单片机和射频收发芯片IA4420实现数据采集和无线发射；所述无线数据接收处理模块则将另一组IA4420和单片机接收的数据，通过EMIF（External Memory Interface，外部存储器接口）总线送入DSP（DigitalSignal Processor，数字信号处理器）模块进行数据处理，同时通过工业以太网接口向上位机进行数据传输；上位机接收数据并进行相关分析和实时显示。

下面结合附图对本发明具体实施例做进一步详细描述：

根据图1，首先能量发射模块对能量接收模块进行无线供能，产生稳定的电压，能量接收模块继而对传感器模块和无线数据采集发射模块供电；无线数据的收发则通过无线数据采集发射模块完成对传感器模块的信号采集，并将数据由其包含的射频芯片将数据发射出去，而无线接收处理模块同样以射频芯片接收；最后无线数据接收处理模块将接收到的数据传送给上位机。

根据图2，主要部件安装为：将传感器模块安装在滚子之间的保持架表面，无线数据采集发射模块和能量接收模块的能量接收模块电路设计为小尺寸电路板，同样安装在介于滚子之间的保持架表面，并全都固定；能量接收模块的能量接收线圈则紧贴保持架端面，并与能量接收模块电路相连通；而能量发射模块的能量发送线圈相对能量接收线圈安置在保持架附近，并与能量发射模块的能量发射模块电路相连通；而无线数据接收处理模块和能量发射模块电路则根据实际工况安置在保持架附近。

根据图3，本发明无线供能模块中，S1、S2、S3、S4为四个功率MOSFET，S1、S2组成左半桥，S3、S4组成右半桥，无线供能过程为：全桥驱动电路产生分时信号，提供给S1、S2、S3、S4使四个MOSFET分时导通，这时就会在LC回路中形成交变电流，在线圈L周围产生交变磁场，通过电磁感应作用，接收线圈中产生感应电流，再通过接收回路中的整流稳压电路，最终产生可供使用的稳定直流电压。

根据图4，无线数据采集发射模块完成数据的采集和发射，具体为传感器调理包含信号变换、信号调理电路，将采集到的传感器数据转化为有效的信号数据，单片机1则实现数据的AD转换，并将数据发送给射频芯片1，再由射频芯片1将数据以高频无线电发射出去。

根据图5，无线数据接收处理模块完成数据的接收、存储、暂处理及向上位机的传送，具体为射频芯片2接收来自射频芯片1的无线电并转化为有效数据，发送给单片机2，单片机2通过EMIF总线送入DSP模块进行数据处理，同时通过工业以太网接口向上位机进行数据传输。

根据图6，在数据收发过程中单片机的控制流程为：启动上位机，在上位机监测软件操作界面设定数据采集的时间间隔，并定时向单片机2发送唤醒信号，单片机2被唤醒后射频芯片2被唤醒，射频芯片2对射频芯片1发送唤醒信号，射频芯片1、单片机1被唤醒，单片机1被唤醒后通过与射频芯片1通讯将射频芯片1设置为发射模式并待机，单片机1启动信号采集并读取数据，数据送入射频芯片1并启动发送；在射频芯片2启动发送唤醒信号后有100us的延时，延时保证了唤醒信号完成发射，之后射频芯片2配置为接收模式，判断射频芯片2的nIRQ是否为0（即判断射频芯片2是否完成数据的接收），单片机2读取射频芯片2的数据并转化成DSP和上位机易于识别的ASCII码，并传送给DSP和上位机，完成传送配置为发射模式并待机，最终进入睡眠模式。

根据图7a和图7b，图7a为发射状态流程图，图7b为接收状态流程图，收发芯片IA4420完成数据收发的具体流程为：（1）发射流程：初始化，打开发送数据寄存器，判断nIRQ是否为0（即判断是否有来自外部的中断信号），不为0则没有外部中断，继续等待，为0则有外部中断，继而单片机通过SPI通讯将数据写入IA4420，接着IA4420开始发射数据，并联系判断数据是否发送完毕，IA4420开始判断数据是否发送完毕，否继续等待，是则关闭发送寄存器，返回初始状态；（2）接收流程：初始化，打开接收数据寄存器，判断nIRQ是否为0（即判断来自发射芯片的数据是否接收完毕），否继续等待，是则单片机通过SPI端口读取IA4420内FIFO（先入先出缓存器）内数据，接着判断数据是否发送完毕，否等待，是则关闭接收寄存器，返回初始状态。

Claims (6)

1.一种保持架温度及应力在线监测系统，其特征在于：包括无线供能模块、传感器模块、无线数据采集发射模块、无线数据接收处理模块及上位机；所述无线供能模块对传感器模块和无线数据采集发射模块供电；所述传感器模块为温度及应力微型传感器，安装在滚动轴承的保持架上；所述无线数据采集发射模块采集传感器模块的数据并进行无线发射；所述无线数据接收处理模块接收无线数据采集发射模块发出的信号并传送给上位机；所述上位机对接收数据进行分析和实时显示。

2.根据权利要求1所述的保持架温度及应力在线监测系统，其特征在于：所述无线供能模块包括能量发射和能量接收模块，能量发射模块包括能量发射模块电路和能量发送线圈，能量接收模块包括能量接收模块电路和能量接收线圈；能量接收模块电路安装在介于滚子之间的保持架表面，并全都固定；能量接收线圈紧贴保持架端面，并与能量接收模块电路相连通；能量发送线圈相对能量接收线圈设置在保持架旁侧，并与能量发射模块电路相连通；能量接收模块通过能量接收线圈、能量接收模块电路的整流电路和稳压电路，将接收来的感应电流转化成稳定电压，供给所述传感器模块和所述无线数据采集发射模块。

3.根据权利要求1或2所述的保持架温度及应力在线监测系统，其特征在于：无线数据采集发射模块安装在滚子之间的保持架表面，包含传感器调理单元、第一单片机和第一射频芯片，传感器调理单元将采集到的传感器数据转化为有效的信号数据传给第一单片机，第一单片机进行AD转换后将数据发送给第一射频芯片，再由第一射频芯片将数据以高频无线电发射出去；无线数据接收处理模块安装于保持架旁侧，其包括第二单片机和第二射频芯片；第二射频芯片接收来自第一射频芯片的无线电并转化为有效数据，发送给第二单片机，第二单片机通过EMIF总线送入DSP模块，同时通过工业以太网接口向上位机进行数据传输。

4.根据权利要求3所述的保持架温度及应力在线监测系统，其特征在于：所述第一单片机和第二单片机均为C8051F单片机；所述第一射频芯片和第二射频芯片的型号为IA4420。

5.根据权利要求1所述的保持架温度及应力在线监测系统，其特征在于：所述上位机包括数据接收模块、数据分析模块和结果显示模块，用于保持架温度及应力数据的接收，分析进而提取保持架动态性能特征、判别保持架运行状态和实时显示。

6.一种基于权利要求1至5中任一项所述保持架温度及应力在线监测系统的保持架温度及应力在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将温度及应力传感器安装在滚子之间的保持架表面并固定；

2）将无线数据采集发射模块安装在滚子之间的保持架表面并固定；

3）将无线供能模块的能量接收模块安装在滚子之间的保持架表面并固定，与之相连的能量接收线圈安装在保持架一端面并固定；

4）将无线供能模块的能量发射模块和无线数据接收处理模块安置在轴承旁侧，使能量发射模块的能量发送线圈与能量接收线圈正对；

5）初始化系统，在上位机上设定数据采集时间间隔；

6）温度及应力传感器实施采集保持架的温度及应力数据，传送给无线数据采集发射模块，无线数据采集发射模块采集传感器模块的数据并进行无线发射，无线数据接收处理模块接收无线数据采集发射模块发出的信号并传送给上位机，上位机对接收数据进行分析和实时显示。

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