CN106052846A - 一种便携式本安型振动信号采集装置及振动信息采集方法 - Google Patents
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Abstract
一种便携式本安型振动信号采集装置，包括振动信号采集单元、信号处理单元、信号存储单元和本安电源；所述振动信号采集单元通过信号处理单元和信号存储单元相连，所述电源为上述各个单元供电；所述信号处理单元和信号存储单元整体采用本安封装。本发明解决了移动大型机电设备振动信号的采集问题，为设备工作状态监控及故障分析提供有力数据保证，尤其进行本安设计满足了复杂恶劣煤矿井下移动设备的测试要求。本装置具有易安装、功耗低、控制方便、使用灵活，应用范围广的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种便携式本安型振动信号采集装置及振动信息采集方法，属于信息获取及设备状态监测的技术领域。
背景技术
振动检测是设备状态监测和故障诊断的重要工具，鉴于煤矿井下现场环境恶劣，同时煤矿井下对于设备有行业专门的防爆要求，无法采用一些标准的测试设备进行数据采集，所以设计简单易用的采集装置，在测取有效的真实数据过程中显得尤为重要。
现有的振动检测主要包括如下专利：
中国专利CN204649304U提供一种便携式结晶器振动检测系统，包括结晶器和与结晶器相连接的便携式工控机，所述便携式工控机上设有PCI数据采集卡，所述PCI数据采集卡连接有信号调理器，所述信号调理器外接有便携式传感器盒，所述便携式传感器盒内设有三轴加速度传感器，所述便携式传感器盒设置于结晶器上。
中国专利CN105043729A提供了一种悬挂设备松动故障的监测预警方法，所述方法包括：悬挂设备上安装有三轴向加速度传感器，所述三轴向加速度传感器采集悬挂设备的振动信息，并将所述振动信息上报给信号处理器；所述信号处理器获取所述振动信息，并根据发送所述振动信息的消息中携带的悬挂设备标识，查找用于参考的振动数据；所述信号处理器根据所述振动数据，分析所述振动信息，并确定所述悬挂设备的工作状态。
中国专利CN205032666U公开一种连铸机专用便携式结晶器振动检测装置，包括便携式传感器盒，所述便携式传感器盒内设有三轴加速度传感器及与所述三轴加速度传感器连接的信号变送器，所述信号变送器通过数据线连接PCI数据采集卡，所述PCI数据采集卡连接便携式工控机。
中国专利CN105547451A公开一种高速列车车轮空间耦合振动测试的新方法。该方法利用三轴无线加速度传感器感应部位上X,Y,Z三方向加速度传感器，同时分别拾取车轮横向、纵向、轴向三个方向的振动信号，并将三个方向上的振动模拟信号经放大器放大、再经源二阶低通滤波器的处理，提高信噪比后通过信号处理单元进行处理和储存得到电信号，无线发送模块通过SPI接口与处理单元进行数据交换完成数据的无线传输。
但是上述专利文献并不适用于恶劣施工环境的振动信号采集和处理，针对井下作业设备的实时有效检测就成为现在亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种便携式本安型振动信号采集装置。
本发明还提供利用上述装置实现振动信息采集的方法。
本发明的技术方案如下：
一种便携式本安型振动信号采集装置，包括振动信号采集单元、信号处理单元、信号存储单元和本安电源；
所述振动信号采集单元通过信号处理单元和信号存储单元相连，所述本安电源为上述各个单元供电；所述信号处理单元和信号存储单元整体采用本安封装。所述振动信号采集单元采集待测设备的振动信号，并由所述信号处理单元对振动信号进行滤波、放大处理，并存储至所述信号存储单元内，供远程分析处理系统对其进行后续分析。其中，所述振动信号采集单元安装在待测设备的表面实现实时监测其振动信号，所述信号处理单元、信号存储单元被安装在远离振源区域对振动信号进行实时监测。
根据本发明优选的，所述振动信号采集单元通过强磁座安装在待测设备上。
根据本发明优选的，所述振动信号采集单元为三轴加速度传感器，优选的，振动信号采集单元为为三轴IEPE型压电加速度传感器。选用此传感器的优点在于，其抗干扰性能好，信号质量高。
根据本发明优选的，所述信号处理单元包括信号调理单元、多通道同时采样ADC芯片和单片机。
根据本发明优选的，所述单片机为32位ARM Cortex-M4单片机，所述信号存储单元为SDHC卡。此处设计的优点在于：针对振动监测有时需要持续多个小时的实际情况，因此会产生大量的测量数据，所以本发明采用大容量SDHC卡作为数据存储介质，容量最高可达64G，能够满足持续高速振动信号采集的需求。为在高速采样下完成数据存储，使用高性能的32位ARM Cortex-M4单片机通过专用的SDIO接口对SDHC卡进行高速读写。为了将采集到的二进制振动加速度信号方便的导入远程分析处理系统，并进行后续的信号分析处理，因此本发明在存储时采用了目前广泛使用的开源文件系统FatFs，直接将采集到的二进制数据存储到.bin格式的文件中，则，远程分析处理系统可以直接从SDHC卡的文件中读取振动信号数据，提高了振动信息的实时获取的效率。
根据本发明优选的，所述振动信号采集单元和信号处理单元之间通过屏蔽电缆和快速航空接头相连。提高装置整体的运行安全性及抗干扰性。
根据本发明优选的，所述本安电源为集成式多路供电的本安锂电池。本发明通过电压转换为各个部件供电。所有的模块，分立器件等均采用低功耗产品。本装置能够连续工作24小时。为所述振动信息采集传感器单元、通讯电缆、低功耗信号调理单元和实时存储单元供电。此处采用集成式多路供电电源能把3.7v本安型锂电池的电能多路调制后同时用于提供三轴加速度传感器激励电压及调理单元等的供电。
根据本发明优选的，所述信号调理单元包括4阶巴特沃兹抗混叠滤波器。实际使用中振动信号的频谱普遍较宽，为获得有用频段的振动信号，需要对输入ADC的模拟信号进行抗混叠滤波处理，以防止无用高频信号叠加到低频段。本发明设计了4阶巴特沃兹滤波器，其截止频率为10kHz，-40dB阻带为40kHz。能够用于待测有用信号低于10kHz的应用。
一种振动信息采集方法，包括三轴加速度传感器实时获取待测设备工作时的三轴向振动信号；并对所述振动信号进行滤波和放大后储存至信号存储单元中；最后，供远程分析处理系统选择性或实时从信号存储单元中获取振动信号进行分析。
根据本发明优选的，所述振动信息采集方法包括：使用独立的16位多通道同时采样ADC芯片对三轴的振动加速度信号进行同时采样，并利用4阶巴特沃兹抗混叠滤波器对振动信号进行滤波、放大。此处设计保证了空间振动信号的完整性和正确性。同时为了减小前端抗混叠滤波器的设计难度，只需使用8倍过采样技术，即可使精度提高了1.5位。
本发明的优势在于：
本发明解决了移动大型机电设备(如盾构机，采煤机等)振动信号的采集问题，为设备工作状态监控及故障分析提供有力数据保证，尤其进行本安设计满足复杂恶劣煤矿井下移动设备的测试要求。本装置具有易安装、功耗低、控制方便、使用灵活，应用范围广的特点。
本发明应用于薄煤层采煤机滚筒截割状态分析研究中，采集了大量的现场数据，验证了其可靠性。本装置也可用于煤矿井下机械设备振动监测和故障诊断预警系统中，具有广泛的使用范围。
本发明的具体优点如下：
(1)采用具备陀螺仪纠偏功能的三轴加速度传感器，不需要严格确定振动传感器的固定及测试方向；
(2)一体化微型设计，不需考虑信号线布置，并能有效的进行仪器跟机防护；
(3)体积小、重量轻，强磁安装，方便可靠；
(4)本安设计，安全性好，适用井下综采工作面工作环境；
(5)专门的多通道同时采样ADC芯片进行模数转换，可以保证通道间的同时性，避免三轴非同时采样带来的问题，提高采集振动信号的准确性。
附图说明
图1是本发明所述振动信号采集装置中振动信息采集链；
图2是本发明所述4阶巴特沃兹抗混叠滤波器；
在图1中，1、振动信号采集单元；2、信号调理单元；3、多通道同时采样ADC芯片；4、单片机；5、信号存储单元；6、本安电源；7、强磁座。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
实施例1、
一种便携式本安型振动信号采集装置，包括振动信号采集单元1、信号处理单元、信号存储单元5和本安电源6；
所述振动信号采集单元1通过信号处理单元和信号存储单元5相连，所述本安电源6为上述各个单元供电；所述信号处理单元和信号存储单元5整体采用本安封装。
所述振动信号采集单元1为三轴加速度传感器，优选的，振动信号采集单元为为三轴IEPE型压电加速度传感器。
实施例2、
如实施例1所述的一种便携式本安型振动信号采集装置，其区别在于，所述振动信号采集单元1通过强磁座7安装在待测设备上。
实施例3、
如实施例1-2所述的一种便携式本安型振动信号采集装置，其区别在于，所述信号处理单元包括信号调理单元2、多通道同时采样ADC芯片3和单片机4。
所述单片机4为32位ARM Cortex-M4单片机，所述信号存储单元5为SDHC卡。
所述信号调理单元2包括4阶巴特沃兹抗混叠滤波器。
实施例4、
如实施例1-3所述的一种便携式本安型振动信号采集装置，其区别在于，所述振动信号采集单元1和信号处理单元之间通过屏蔽电缆和快速航空接头相连。所述本安电源6为集成式多路供电的本安锂电池。
实施例5、
利用实施例1-4所述的一种便携式本安型振动信号采集装置对振动信息采集方法，包括三轴加速度传感器实时获取待测设备工作时的三轴向振动信号；并对所述振动信号进行滤波和放大后储存至信号存储单元中；最后，供远程分析处理系统选择性或实时从信号存储单元中获取振动信号进行分析。
实施例6、
利用实施例5所述的振动信息采集方法，其区别在于，所述振动信息采集方法包括：使用独立的16位多通道同时采样ADC芯片对三轴的振动加速度信号进行同时采样，并利用4阶巴特沃兹抗混叠滤波器对振动信号进行滤波、放大。
Claims (10)
1.一种便携式本安型振动信号采集装置，其特征在于，所述装置包括振动信号采集单元、信号处理单元、信号存储单元和本安电源；
所述振动信号采集单元通过信号处理单元和信号存储单元相连，所述本安电源为上述各个单元供电；所述信号处理单元和信号存储单元整体采用本安封装。
2.根据权利要求1所述一种便携式本安型振动信号采集装置，其特征在于，所述振动信号采集单元通过强磁座安装在待测设备上。
3.根据权利要求1所述一种便携式本安型振动信号采集装置，其特征在于，所述振动信号采集单元为三轴加速度传感器，优选的，振动信号采集单元为为三轴IEPE型压电加速度传感器。
4.根据权利要求1所述一种便携式本安型振动信号采集装置，其特征在于，所述信号处理单元包括信号调理单元、多通道同时采样ADC芯片和单片机。
5.根据权利要求4所述一种便携式本安型振动信号采集装置，其特征在于，所述单片机为32位ARM Cortex-M4单片机，所述信号存储单元为SDHC卡。
6.根据权利要求1所述一种便携式本安型振动信号采集装置，其特征在于，所述振动信号采集单元和信号处理单元之间通过屏蔽电缆和快速航空接头相连。
7.根据权利要求1所述一种便携式本安型振动信号采集装置，其特征在于，所述本安电源为集成式多路供电的本安锂电池。
8.根据权利要求4所述一种便携式本安型振动信号采集装置，其特征在于，所述信号调理单元包括4阶巴特沃兹抗混叠滤波器。
9.利用权利要求1-8任意一项所述便携式本安型振动信号采集装置进行振动信息采集方法，其特征在于，该方法包括三轴加速度传感器实时获取待测设备工作时的三轴向振动信号；并对所述振动信号进行滤波和放大后储存至信号存储单元中；最后，供远程分析处理系统选择性或实时从信号存储单元中获取振动信号进行分析。
10.如权利要求9所述的振动信息采集方法，其特征在于，该方法包括：使用独立的16位多通道同时采样ADC芯片对三轴的振动加速度信号进行同时采样，并利用4阶巴特沃兹抗混叠滤波器对振动信号进行滤波、放大。
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