CN103017889A - 传感器、用于该传感器的方法及包含该传感器的工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涉及传感器、用于该传感器的方法及包含该传感器的工程机械。该传感器包括：加速度检测装置（10），用于检测待测对象的加速度信号；信号转换装置（20），用于对所述加速度信号分别进行一次积分及二次积分，以得到速度信号及位移信号；以及输出装置（30），用于输出所述加速度信号、所述速度信号、以及所述位移信号中的一者或多者。通过上述技术方案，可于一传感器中同时实现加速度、速度及位移测量，避免了现有技术中测量不同信号量时不同传感器的安装、拆卸及调试，节省了测量时间。

Description

传感器、用于该传感器的方法及包含该传感器的工程机械

技术领域

本发明涉及测量领域，具体地，涉及传感器、用于该传感器的方法及包含该传感器的工程机械。

背景技术

在振动测试中，特别是大型结构的振动测试中，很难测量待测对象的速度量和位移量，一般都只测量其加速度量，之后对加速度量进行离线处理，得到速度量及位移量，但这样无法实时地反映出振动的速度量和位移量。

如果需要测量速度量或位移量，则需要更换相应的速度或位移传感器、重新布线、调试采集程序，这样非常耽误时间，在实际测试中很不方便。

发明内容

本发明的目的是提供一种集加速度、速度和位移测量为一体的传感器、用于该传感器的方法及包含该传感器的工程机械。

为了实现上述目的，本发明提供一种传感器，该传感器包括：加速度检测装置，用于检测待测对象的加速度信号；信号转换装置，用于对所述加速度信号分别进行一次积分及二次积分，以得到速度信号及位移信号；以及输出装置，用于输出所述加速度信号、所述速度信号、以及所述位移信号中的一者或多者。

相应地，本发明还提供一种用于传感器的方法，该方法包括：接收待测对象的加速度信号；对所述加速度信号分别进行一次积分及二次积分，以得到速度信号及位移信号；以及输出所述加速度信号、所述速度信号、以及所述位移信号中的一者或多者。

相应地，本发明还提供一种工程机械，该工程机械包括上述传感器。

通过上述技术方案，可于一传感器中同时实现加速度、速度及位移测量，避免了现有技术中测量不同信号量时不同传感器的安装、拆卸及调试，节省了测量时间。另外，将加速度信号转换为速度信号及位移信号可通过计算机程序来实现的，极大地减小了传感器的体积，为传感器的微小型、智能化发展提供了很大的空间，同时降低了传感器的生产成本。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1本发明提供的传感器的结构示意图；

图2为本发明提供的传感器的一实施方式的结构示意图；

图3为本发明提供的传感器的装配结构示意图；以及

图4为本发明提供的传感器的方法流程图。

附图标记说明

10          加速度检测装置            20      信号转换装置

30          输出装置                  40      模式选择开关

50          控制器                    110     安装座

120         防护罩                    130     固定磁铁

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1本发明提供的传感器的结构示意图。如图1所示，本发明提供了一种传感器，该传感器包括：加速度检测装置10，用于检测待测对象的加速度信号（该加速度检测装置10优选为电容式加速度传感器，因为其测量频率范围是从0Hz开始，适用测量范围更广）；信号转换装置20，用于对所述加速度信号分别进行一次积分及二次积分，以得到速度信号及位移信号；以及输出装置30，用于输出所述加速度信号、所述速度信号、以及所述位移信号中的一者或多者。本发明可于一传感器中同时实现加速度、速度及位移测量，避免了现有技术中测量不同信号量时不同传感器的安装、拆卸及调试，节省了测量时间。将加速度信号转换为速度信号及位移信号可通过计算机程序来实现的，极大地减小了传感器的体积，为传感器的微小型、智能化发展提供了很大的空间，同时降低了传感器的生产成本。另外，本发明可对加速度信号一边采集一边处理，逐点分析，得到速度信号及位移信号，之后根据需要进行输出，可实时获取待测对象的当前加速度、速度及位移中的一者或多者。

具体而言，所述对所述加速度信号分别进行一次积分及二次积分以得到速度信号及位移信号可包括以下步骤：对所述加速度信号进行去直流分量及带通滤波，得到去直流分量及带通滤波后的加速度信号；对所述去直流分量及带通滤波后的加速度信号进行数值积分及去趋势项，得到速度信号；以及对所述速度信号进行数值积分及去趋势项，得到位移信号。

以下对所述信号转换装置的基本原理进行详细描述。

现假设

为加速度检测装置10所采集到的原始加速度信号，

为进行去直流分量及带通滤波后的加速度信号，

为对所述

进行数值积分之后的速度信号，

为对去趋势项之后的速度信号，x₀(t)为对所述

进行数值积分之后的位移信号，x(t)为对x₀(t)去趋势项之后的位移信号，

首先，信号转换装置接收加速度检测装置10所采集到的原始加速度信号

由于测量的信号中难免有直流分量，因此在信号转换之前需要将信号去直流分量。去直流的方法是求出n个采样点的平均值。再用采样点的值减去平均值，去直流后的表达式为：

$\stackrel{\·\·}{x}\left(i\right)={\stackrel{\·\·}{x}}_0\left(i\right)-\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·\·}{x}}_0\left(i\right)$

之后，对该去直流分量之后的加速度信号进行带通滤波，以滤除低频成分及高频成分。

之后，对该进行带通滤波后的加速度信号进行数值积分，数值积分可采用复化simpson公式：

${\stackrel{\·}{x}}_0\left(i\right)={\stackrel{\·}{x}}_0(i-1)+\frac{\stackrel{\·\·}{x}(i-1)+4*\stackrel{\·\·}{x}\left(i\right)+\stackrel{\·\·}{x}(i+1)}{6}*\mathrm{\Δt}$

其中，Δt表示两采样点之间的采样时间间隔。

之后，由于时域积分公式为：

由时域积分的特性可知，积分后的信号中包含一次趋势项。因此，需对该数值积分后的信号进行去趋势项处理。可采用最小二乘法进行拟合，然后去掉这个一次趋势项。最小二乘的出发点就是使实际的测量数据

与拟合直线

上对应的估计值

之差的平方和最小。即令为最小值，式中V_i表示某点与拟合曲线之间的差值，即

式中t(i)是第i个采样点所对应的时间（即，数据采集所对应的时间列）。

为使

的值最小，只要使a和b的偏导数为零，即可求得a和b的值，以下给出a和b的计算公式

$\left\{\begin{array}{c}a=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}t\left(i\right)\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}t\left(i\right)*{\stackrel{\·}{x}}_0\left(i\right)-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{x}}_0\left(i\right)\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}t{\left(i\right)}^2}{{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}t\left(i\right)\right)}^2-n*\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}t{\left(i\right)}^2}\\ b=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}t\left(i\right)\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\·}{x}}_0\left(i\right)-n*\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}t\left(i\right)*{\stackrel{\·}{x}}_0\left(i\right)}{{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}t\left(i\right)\right)}^2-n*\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}t{\left(i\right)}^2}\end{array}\right.$

一次积分并去除趋势相之后，可得到

针对速度信号

进行与上述步骤相类似地数值积分及去趋势项操作，可得到位移信号，于此不再赘述。当然，亦可对进行数值积分，之后去二次趋势项，亦可得到位移信号。

优选地，所述信号转换装置20还用于确定所述位移信号于一周期内的位移峰值。所述输出装置30用于输出所述带通滤波后的加速度信号、所述速度信号、所述位移信号、以及所述位移峰值中的一者或多者。该峰值可为待测对象的振动性能判断提供依据。

优选地，所述输出装置30为无线发射装置，用于将所述加速度信号、所述速度信号、所述位移信号或所述位移峰值以无线方式发送出去。藉此，可使得该传感器以无线方式与外部设备进行通信，减少了传感器的布线。

图2为本发明提供的传感器的一实施方式的结构示意图。如图2所示，优选地，该传感器还包括模式选择开关40及控制器50，所述控制器50根据所述模式选择开关40的状态，控制所述输出装置30输出所述去直流分量及带通滤波后的加速度信号、所述速度信号、所述位移信号中的一者或多者。所述模式选择开关可为机械式开关或数字显示式选择开关，可选择该传感器的输出内容，可使该传感器在多种模式之间切换。例如，在第一模式的情况下，该传感器输出加速度信号；在第二模式的情况下，该传感器输出速度信号；在第三模式的情况下，该传感器输出位移信号；在第四模式的情况下，该传感器输出加速度信号及速度信号；在第五模式的情况下，该传感器输出加速度信号及位移信号；在第六模式的情况下，该传感器输出速度信号及位移信号；在第七模式的情况下，该传感器输出加速度信号、速度信号及位移信号。另外，所述位移峰值亦可根据模式的选择而被输出，当然亦可总是被输出。

图3A及图3B为本发明提供的传感器的装配结构示意图。如图3A及图3B所示，加速度检测装置10、信号转换装置20、无线发射装置30、及控制器50通过螺纹安装在安装座110上。防护罩120位于所述安装座110上方，模式选择开关40固定于该防护罩120上，该防护罩120与所述安装座110形成一个封闭空间，将所述传感器的各个部分保护在其中。安装座110另一侧固定有一固定磁铁130，通过该固定磁铁130，可将安装座110、防护罩120及传感器固定于待测对象上。

本发明还提供了一种用于传感器的方法，该方法包括：接收待测对象的加速度信号；对所述加速度信号分别进行一次积分及二次积分，以得到速度信号及位移信号；以及输出所述加速度信号、所述速度信号、以及所述位移信号中的一者或多者。

具体而言，输出所述加速度信号、所述速度信号、以及所述位移信号中的一者或多者包括：接收模式选择信号；以及在所述模式选择信号表示选择第一模式的情况下，输出加速度信号；在所述模式选择信号表示选择第二模式的情况下，输出所述速度信号；以及在所述模式选择信号表示选择第三模式的情况下，输出所述位移信号。

对所述加速度信号分别进行一次积分及二次积分，以得到速度信号及位移信号包括：对所述加速度信号进行去直流分量及带通滤波，得到去直流分量及带通滤波后的加速度信号；对所述去直流分量及带通滤波后的加速度信号进行数值积分及去趋势项，得到速度信号；以及对所述速度信号进行数值积分及去趋势项，得到位移信号。

其中，该方法还可包括：确定所述位移信号于一周期内的位移峰值，并输出该位移峰值。

有关本发明提供的方法的具体细节及益处与上述传感器的相对应，于此再赘述。需要说明的是，本发明可首先根据模式选择信号来确定当前模式，并根据当前模式下所需输出的信号来对加速度信号进行相应处理以得到该信号并进行输出（如图4所示），亦可直接对加速度进行处理得到处理之后的加速度信号、速度信号及位移信号，之后根据模式选择信号来对处理得到加速度信号、速度信号及位移信号进行选择性输出。

相应地，本发明还提供了一种工程机械，该工程机械包括上述传感器。该工程机械例如可为挖掘机、泵车、起重机等各类存在检测加速度、速度、位移、及振动参数需求的工程机械。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种传感器，其特征在于，该传感器包括：

加速度检测装置，用于检测待测对象的加速度信号；

信号转换装置，用于对所述加速度信号分别进行一次积分及二次积分，以得到速度信号及位移信号；以及

输出装置，用于输出所述加速度信号、所述速度信号、以及所述位移信号中的一者或多者。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述信号转换装置用于：

对所述加速度信号进行去直流分量及带通滤波，得到去直流分量及带通滤波后的加速度信号；

对所述去直流分量及带通滤波后的加速度信号进行数值积分及去趋势项，得到速度信号；以及

对所述速度信号进行数值积分及去趋势项，得到位移信号。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，

所述信号转换装置还用于确定所述位移信号于一周期内的位移峰值，

所述输出装置用于输出该位移峰值。

4.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，

该传感器还包括模式选择开关及控制器；

所述控制器根据所述模式选择开关的状态，控制所述输出装置输出所述加速度信号、所述速度信号、所述位移信号中的一者或多者。

5.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述输出装置为无线发射装置，用于将所述加速度信号、所述速度信号、以及所述位移信号中的一者或多者以无线方式发送出去。

6.一种用于传感器的方法，其特征在于，该方法包括：

接收待测对象的加速度信号；

对所述加速度信号分别进行一次积分及二次积分，以得到速度信号及位移信号；以及

输出所述加速度信号、所述速度信号、以及所述位移信号中的一者或多者。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，输出所述加速度信号、所述速度信号、以及所述位移信号中的一者或多者包括：

接收模式选择信号；以及

在所述模式选择信号表示选择第一模式的情况下，输出所述加速度信号；

在所述模式选择信号表示选择第二模式的情况下，输出所述速度信号；以及

在所述模式选择信号表示选择第三模式的情况下，输出所述位移信号。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，对所述加速度信号分别进行一次积分及二次积分，以得到速度信号及位移信号包括：

对所述加速度信号进行去直流分量及带通滤波，得到去直流分量及带通滤波后的加速度信号；

对所述去直流分量及带通滤波后的加速度信号进行数值积分及去趋势项，得到速度信号；以及

对所述速度信号进行数值积分及去趋势项，得到位移信号。

9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

确定所述位移信号于一周期内的位移峰值，并输出该位移峰值。

10.一种工程机械，其特征在于，该工程机械包括根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的传感器。

Images