CN111693865A - 一种基于sdr技术的电机集群电磁波远程检测装置及远程检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种基于SDR技术的电机集群电磁波远程检测装置，其检测天线包括全向驻波天线、全向白噪声测量天线、八木定向天线和定向天线接收器，全向驻波天线和全向白噪声测量天线朝向电机阵列，八木定向天线和所属定向天线接收器朝向电机阵列的特定方向并可在电机阵列范围内进行角度调节；全向驻波天线、全向白噪声测量天线、八木定向天线及定向天线接收器分别通过同轴电缆与信号耦合器连接，信号耦合器、滤波放大器、软件定义无线电接收器和后台处理终端依次连接，结合本发明的远程检测方法，采集电机运行中泄漏的无线电波遥感信号，进行人工智能的数据分析比对，从而实现多台电机集群的单系统整体远程检测，无需每台电机布置各类传感器、单片机和信号发射器。

Description

一种基于SDR技术的电机集群电磁波远程检测装置及远程检 测方法

技术领域

本发明涉及一种用于电机检测领域的基于SDR技术的电机集群电磁波远程检测装置及远程检测方法。

背景技术

目前，电机远程运维已成为智慧电机的主流技术，能为电机实时检测运行数据，通过云端发送到用户和维护人员的电脑或者手机上，并能起到一定报警和预警作用，提升服务的附加值。

常用的电机远程运维技术主要有2类，分别是：

1、实测型，采用电机上布置多种电压、电流、温度和振动等测量传感器，实时采集电机的运行信号，再通过采集盒中的芯片进行模数转换和数据处理，利用4G、WiFi和蓝牙等通讯手段上传云端，系统的准确度较高、实时性好，但是系统复杂、成本高，且接入电机本体回路中，对电机寿命产生不可预期的影响。

2、算法型，在外置采集盒内集成低性能温度、磁性和振动等边缘传感器，通过比较电机正常状态和故障状态不同的参数表现，通过大数据来发现电机异常，系统的准确度一般、成本较低、安装较为简单，由于不接入电机本体回路，一般需要独立配电池，为了不频繁更换电池，一般都采用比较低功耗的芯片和省电控制策略，因此采样频率低、实时性较差、寿命较短。

随着智慧电机使用越来越广泛，同一厂区或房间内多台电机、甚至电机集群也在不断出现，研发一种可以在不影响电机本体回路和寿命的情况下，对电机运行参数进行远程检测的技术，且使得检测准确度和实时性较好，成本较低，是技术人员的主要目标。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于SDR技术的电机集群电磁波远程检测装置及远程检测方法，能够利用电机运转产生的泄漏电磁波进行频谱分析和远程运维。

实现上述目的的一种技术方案是：一种基于SDR技术的电机集群电磁波远程检测装置，用于对电机集群的运营状态进行远程检测，所述电机集群阵列设置，其特征在于，包括检测天线阵列、信号耦合器、前置滤波放大器、软件定义无线电接收器和后台处理终端；

所述检测天线包括全向驻波天线、全向白噪声测量天线、八木定向天线和定向天线接收器，所述全向驻波天线和所述全向白噪声测量天线朝向电机阵列，所述八木定向天线和所属定向天线接收器朝向电机阵列的特定方向并可在电机阵列范围内进行角度调节；

所述全向驻波天线、所述全向白噪声测量天线、所述八木定向天线及所述定向天线接收器分别通过同轴电缆与所述信号耦合器连接，所述信号耦合器、所述滤波放大器、所述软件定义无线电接收器和所述后台处理终端依次连接。

进一步的，所述定向天线接收器通过一组天线绝缘支架与一个弧形的电磁波反射板连接，并位于所述电磁波反射板的焦点。

进一步的，所述全向驻波天线、所述全向白噪声测量天线、所述八木定向天线、所述定向天线接收器，所述信号耦合器、所述滤波放大器、所述软件定义无线电接收器集成设置在一台移动推车上，所述移动推车设置于电机阵列的中央。

一种采用基于SDR技术的电机集群电磁波远程检测装置进行远程检测的方法，检测天线阵列接收到电机发出的电磁波频率变化，通过同轴电缆将信号无失真的传递给件信号耦合器，拟合出0Hz-50MHz全频率段的时域信号曲线，再经过前置滤波放大器，对20KHz-30MHz频率以外的信号过滤，对20KHz-30MHz频率以内信号放大30-50db，而后进入软件定义无线电接收器中进行模数转化，再进入后台处理终端中，进行时域信号的快速傅里叶变化FFT，生成电机异常信号的频率谱线图，将其和全向白噪声测量天线所测得的白噪声做各个频率上的差值，即可发现异常信号的频率分布和相应幅值参数，发现电机异常。

进一步的，使用本方法进行电机远程检测前先进行多次对比测量，人为产生常见电机故障从而得到相应故障的谱线图，存入数据库进行分类保存，形成专家对比诊断系统，之后将现场电机进行检测，将监测得到的谱线图自动与专家系统进行匹配和筛选，智能产生自诊断报告，对用户和服务人员进行电机的故障报警和预警，并对于有DCS系统的电机系统进行电机运行参数的反馈调节。

本发明的一种基于SDR技术的电机集群电磁波远程检测装置及远程检测方法，利用电机运转产生的泄漏电磁波进行频谱分析和远程运维，避免了在电机结构内部安装及电机本体回路内安装检测元器件，保障了电机结构的完整性和可靠性，同时电磁波频谱分析稳定可靠，结合故障频谱数据库和专家诊断系统，能够实现对于电机故障的智能检测和预警，在智能运维领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的一种基于SDR技术的电机集群电磁波远程检测装置的结构示意图；

图2为本发明的一种基于SDR技术的电机集群电磁波远程检测装置布置于电机阵列中央的俯视示意图；

图3为本发明的一种基于SDR技术的电机集群电磁波远程检测装置集成在移动平台的结构示意图。

具体实施方式

为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例进行详细地说明：

请参阅图1，本发明的一种基于SDR技术的电机集群电磁波远程检测装置，用于对电机集群的运营状态进行远程检测，电机集群6阵列设置。检测装置的具体结构包括检测天线阵列、信号耦合器12、前置滤波放大器11、软件定义无线电接收器(SDR)10和后台处理终端9。

其中，检测天线包括全向驻波天线1、全向白噪声测量天线2、八木定向天线4和定向天线接收器8。全向白噪声测量天线2用来测量电机不开机或者稳定状态的基础电磁波信号，为后续的频谱分析提供基础参考阈值。全向驻波天线1能对电机集群整体电磁波信号的频率和幅值进行检测，根据电磁波功率密度和分布，较为粗略的发现异常信号。八木定向天线4和定向天线接收器8能够在电机阵列范围内进行扫描，从而找到异常电机。定向天线接收器8通过一组天线绝缘支架7与一个弧形的电磁波反射板3连接，并位于电磁波反射板3的焦点，电磁波反射板3能够提升定向天线接收器8的灵敏度和精确度。

全向驻波天线1、全向白噪声测量天线2、八木定向天线4及定向天线接收器8分别通过同轴电缆13与信号耦合器12连接。信号耦合器12、滤波放大器11、软件定义无线电接收器10和后台处理终端9依次连接。后台处理终端可以是PC、平板电脑或者智能手机。

请参阅图2，在实际使用中，可按照测试布局图布置，将基于SDR技术的电机集群6电磁波远程检测装置布置在电机阵列中央。应注意避免天线扫掠平面与电机所在平面重合，防止靠近系统的电机挡住较远的电机电磁波信号，从而产生类似“凌日效应”的情况，以增强系统的全局覆盖能力。

请参阅图3，为一种典型的基于SDR技术的电机集群电磁波远程检测装置的具体实施例，将全向驻波天线1、全向白噪声测量天线2、八木定向天线4、定向天线接收器8，信号耦合器12、滤波放大器11、软件定义无线电接收器集成设置在一台移动平台本体14上，便于装置进行设置。

其有如下结构特征：

1、八木定向天线4的轴线与电磁波反射板3的轴线需严格平行，并在八木定向天线4上增加了激光定位装置5，其激光发射方向也与电磁波反射板3的轴线严格平行，形成定向天线阵的精确瞄准系统，天线绝缘支架7采用单臂悬臂梁机构，且位于电磁波反射板3的正上方，由于电机一般都安装比较低，该结构可以防止天线绝缘支架出现在扫掠角θ中，避免对电机电磁波信号的遮挡引起信号衰减和失真。

2、电磁波反射板3后部增加了赤道仪水平转动轴17和赤道仪俯仰转动轴18，采用电力驱动，可以实现水平和俯仰两个自由度上的可控转动，类似于云台的结构，可以实现对电机集群6自动的周期性雷达扫描和对重点注意电机的追踪精确扫描。

3、整个检测系统安装在移动平台本体14上，通过两个万向轮和两个普通车轮的组合，可以实现便捷的手推式移动，有条件的情况下也可更换成电动移动平台、轨道移动平台或AGV自主移动小车等，实现不同角度或不同厂房之间的巡检。

4、由于检测系统需要较好的天线接收高度，使得整体重心偏高，所以设置了防倾倒配重块19。

5、天线绝缘支架7、天线底座15和天线支架16等支架均应采用绝缘材料，防止天线的共模干扰。

本发明可在地面上移动使用，也可以安装在屋顶或埋在地下等，检测对象可以是电机以外发射电磁波的设备或器件，采用类似SDR的无线电频谱接收装置如FPGA、STM32单片机系统等亦可，本系统还可使用其扩展频率范围(30MHz-1.7GHz)，应用在短波、甚高频和微波段，对远距定向通讯和民用级天文射电产生一定的积极作用。

本发明主要原理是基于SDR软件定义无线电技术，通过合理设计的天线阵列，采集电机运行中泄漏的无线电波遥感信号，进行人工智能的数据分析比对，从而实现多台电机集群的单系统整体远程检测，无需每台电机布置各类传感器、单片机和信号发射器。

电机集群在运转过程中，由于电刷接触情况、变频和工频电源激励线圈、定转子气隙电磁振动等会产生电磁波辐射，虽然有外罩接地屏蔽，但是仍会有一小部分的电磁波会对外发生泄漏，工业EMC标准和EN60034-1中规定了30MHz-1GHz频率范围的辐射极限，而20Hz-20KHz是耳听噪声区域，因此这两个部分频谱在电机出厂前都会进行考核，20Hz以下为次声波区域，和电机转动频率相差较大不考虑，而20KHz-30MHz频率不进行考核，是本方法主要检测的对象频率范围。

本采用基于SDR技术的电机集群电磁波远程检测装置进行远程检测的方法，检测天线阵列接收到电机发出的电磁波频率变化，通过同轴电缆将信号无失真的传递给件信号耦合器，拟合出0Hz-50MHz全频率段的时域信号曲线，再经过前置滤波放大器，对20KHz-30MHz频率以外的信号过滤，对20KHz-30MHz频率以内信号放大30-50db，而后进入软件定义无线电接收器中进行模数转化，再进入后台处理终端中，进行时域信号的快速傅里叶变化FFT，生成电机异常信号的频率谱线图，将其和全向白噪声测量天线所测得的白噪声做各个频率上的差值，即可发现异常信号的频率分布和相应幅值参数，发现电机异常。

使用本方法进行电机远程检测前先进行多次对比测量，人为产生常见电机故障从而得到相应故障的谱线图，存入数据库进行分类保存，形成专家对比诊断系统，之后将现场电机进行检测，将监测得到的谱线图自动与专家系统进行匹配和筛选，智能产生自诊断报告，对用户和服务人员进行电机的故障报警和预警，并对于有DCS系统的电机系统进行电机运行参数的反馈调节。

使用该检测系统对全频率进行扫描，软件为rtlpan，按照20KHz-30MHz频率扫描，得到频谱图。利用试验电机等设备进行模拟试验，在580KHz附近找到该电机谱线，证明该系统可用于检测交流电机的电磁参数。直流电机和变频电机亦可实验，在0-1.7GHz频率均可使用，而且由于其结构和响应特性，后者的电磁波辐射具有更加明显的特征，更易形成故障对应图谱。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (5)

1.一种基于SDR技术的电机集群电磁波远程检测装置，用于对电机集群的运营状态进行远程检测，所述电机集群阵列设置，其特征在于，包括检测天线阵列、信号耦合器、前置滤波放大器、软件定义无线电接收器和后台处理终端；

所述检测天线包括全向驻波天线、全向白噪声测量天线、八木定向天线和定向天线接收器，所述全向驻波天线和所述全向白噪声测量天线朝向电机阵列，所述八木定向天线和所属定向天线接收器朝向电机阵列的特定方向并可在电机阵列范围内进行角度调节；

所述全向驻波天线、所述全向白噪声测量天线、所述八木定向天线及所述定向天线接收器分别通过同轴电缆与所述信号耦合器连接，所述信号耦合器、所述滤波放大器、所述软件定义无线电接收器和所述后台处理终端依次连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于SDR技术的电机集群电磁波远程检测装置，其特征在于，所述定向天线接收器通过一组天线绝缘支架与一个弧形的电磁波反射板连接，并位于所述电磁波反射板的焦点。

3.根据权利要求1所述的一种基于SDR技术的电机集群电磁波远程检测装置，其特征在于，所述全向驻波天线、所述全向白噪声测量天线、所述八木定向天线、所述定向天线接收器，所述信号耦合器、所述滤波放大器、所述软件定义无线电接收器集成设置在一台移动推车上，所述移动推车设置于电机阵列的中央。

4.一种采用基于SDR技术的电机集群电磁波远程检测装置进行远程检测的方法，其特征在于，检测天线阵列接收到电机发出的电磁波频率变化，通过同轴电缆将信号无失真的传递给件信号耦合器，拟合出0Hz-50MHz全频率段的时域信号曲线，再经过前置滤波放大器，对20KHz-30MHz频率以外的信号过滤，对20KHz-30MHz频率以内信号放大30-50db，而后进入软件定义无线电接收器中进行模数转化，再进入后台处理终端中，进行时域信号的快速傅里叶变化FFT，生成电机异常信号的频率谱线图，将其和全向白噪声测量天线所测得的白噪声做各个频率上的差值，即可发现异常信号的频率分布和相应幅值参数，发现电机异常。

5.根据权利要求4所述的一种进行远程检测的方法，其特征在于，使用本方法进行电机远程检测前先进行多次对比测量，人为产生常见电机故障从而得到相应故障的谱线图，存入数据库进行分类保存，形成专家对比诊断系统，之后将现场电机进行检测，将监测得到的谱线图自动与专家系统进行匹配和筛选，智能产生自诊断报告，对用户和服务人员进行电机的故障报警和预警，并对于有DCS系统的电机系统进行电机运行参数的反馈调节。

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