CN111896098A - 一种振动信号嵌入式远程监测系统 - Google Patents

一种振动信号嵌入式远程监测系统 Download PDF

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李泽玉
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Abstract

本发明公开一种振动信号嵌入式远程监测系统，其特征在于，该系统包括恒流源单元、IEPE加速度传感器单元、调理电路单元、数模转换单元、控制单元和无线通信模块；所述的IEPE加速度传感器单元包括X方向ICP加速度传感器、Y方向ICP加速度传感器、Z方向ICP加速度传感器，分别采集振动物体的三个方向的振动情况；本发明系统采用嵌入式结构，整个系统结构简单，抗干扰性比较强，检测精度高，处理速度快捷，维护简单，损坏时只需更换IEPE加速度传感器即可，安装和拆卸方便快捷。该系统能够对机械结构运动产生的振动进行采集分析做出预防性判断、故障自检等。

Description

一种振动信号嵌入式远程监测系统
技术领域
本发明属于机械结构性能检测技术领域，更具体地说，是一种振动信号嵌入式远程监测系统。
背景技术
目前随着智能制造的不断发展，机械结构的运行速度也越来越快。现有的一些机械设备在长期的使用中，机械结构难免因为磨损、积灰、油垢、不平衡等原因而造成振动异常或过大，使得机械结构在运行的过程中出现偏差，影响产品的生产质量，更严重地可能会造成更多的损失。需要对机械结构做预防性的保护。
在振动频率采集中，需要人为通过振动采集仪器到机械运行现场进行采集，而且需要定时地采集振动频率，采集的数据需要经过专业的计算分析得出，这样不仅仅工作繁琐，而且也不能准确地采集振动频率。
发明专利CN110260969A所述的在线监测振动数据的嵌入式装置通过三个电感线圈实现了采集振动频率，并添加了单片机作为主控芯片进行数据处理，实现在显示屏上显示在线数据。实用新型专利CN210180537U公开了一种在线式加速度振动采集系统，包括压电式加速度传感器单元、电荷放大单元、低通滤波单元、模数转换单元和控制器单元，采用FPGA+单片机地双核控制系统实现了数据的采集与存储。
现有方法存在以下缺点：
1、现有方法采用线圈和压电式加速度传感器进行振动数据采集，压电式传感器是一种利用压电材料的压电效应工作的传感器，这些压电材料通常容易受环境干扰，输出的直流响应差，输入阻抗一般都很高。压电式传感器外部需要接电荷放大器转换放大，然后经过阻抗变换后成为低阻抗输出来用。
2、现有的采用线圈和电流计作为检测方法中，没有考虑采用调理电路。而在使用压电式加速度传感器时，其更容易受到外部环境干扰，要采用滤波器提高系统的抗干扰性。同时没有考虑传感器的输出信号不能被控制器直接采集，从而导致采样精度不高。
3、现有方法在采集系统中都采用以FPGA或STM32作为主控芯片，由于系统采集的是加速度信号，为得到振动频率信号，需要进行时频转换。现有方法中单片机STM32存在控制器芯片内部程序存储器不足或采集数据处理不及时的问题。
4、现有方法在数据显示上使用显示屏进行数据显示，或是将数据存储在控制器的储存器中，操作人员需要进入工作现场进行实时查看，影响工作效率。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种振动信号嵌入式远程监测系统。通过IEPE加速度传感器，即“压电集成电路”，检测机械结构的振动频率，为了减小信号的干扰，IEPE加速度传感器输出的信号经过调理电路进行信号调整，信号调整好之后经过数模转换电路转换后发送至现场可编程门阵列进行同步数据接收，并通过CAN总线将数据发送到DSP数字信号处理器进行数据分析，后将处理完成的数据发回给现场可编程门阵列进行储存和远程发送。通过处理完的振动数据能判断出机械结构是否处于正常的运行状态，从振动频率判断机械结构的寿命，便于及时的更换或清理设备，避免发生不必要的损失，提前预防重大生产事故的发生。
为了达到上述目的，本发明提供如下的技术方案：一种振动信号嵌入式远程监测系统，其特征在于，该系统包括恒流源单元、IEPE加速度传感器单元、调理电路单元、数模转换单元、控制单元和无线通信模块；
所述的IEPE加速度传感器单元包括X方向ICP加速度传感器、Y方向ICP加速度传感器、Z方向ICP加速度传感器，分别采集振动物体的三个方向的振动情况；
所述恒流源单元包括三个恒流源，调理电路单元包括三个调理电路，数模转换单元包括三个数模转换器，IEPE加速度传感器单元的三个ICP加速度传感器均设置有一条电源线和一条信号传输线，每一条电源线分别连接一个恒流源，每一条信号传输线分别连接一个调理电路，每一个调理电路与一个数模转换器连接，三个数模转换器均与控制单元连接；
控制单元包括现场可编程门阵列、DSP数字处理器和寄存器；三个数模转换器分别通过信号传输线与现场可编程门阵列连接；现场可编程门阵列分别通过信号传输线连接三个寄存器，通过CAN总线连接DSP数字处理器，且通过一根信号传输线连接无线通信模块；
每个调理电路均包括一个高通滤波器、一个放大电路、一个抗混叠滤波器、一个电位抬升电路和一个过载保护电路，五个部分依次串联，其中，每一个ICP加速度传感器的信号传输线与高通滤波器的输入端相连，高通滤波器的输出端与放大电路相的输入端连接；放大电路的输出端与抗混叠滤波器的输入端连接，抗混叠滤波器的输出端与电位抬升电路的输入端连接；电位抬升电路的输出端与过载保护电路的输入端连接，过载保护电路的输出端与一个数模转换器的A/D通道连接，数模转换器通过信号传输线与现场可编程门阵列连接。
与现有技术相比，本发明的技术效果和优点：
1、本发明利用胶水将三个IEPE加速度传感器固定在固体器件的三个方向上，当固体器件振动时，通过IEPE加速度传感器采集振动信号，将振动信号参数中的加速度转变为电信号。振动产生的电信号经过放大电路调整信号范围，经过电位抬升电路调为正电压，经过信号抗混叠滤波电路完成信号滤波并提高抗干扰性，在经过过载保护电路之后，输出安全的振动信息；
2、本发明采用现场可编程门阵列FPGA对振动信号进行采集，由于FPGA为并行运算，可以保证采集同一时间内的物体三个方向的振动信号，并分别储存在三个寄存器中，为后续的处理减小了误差。现场可编程门阵列与数字信号处理器经过CAN总线连接，加快数据的传输速度。数字信号处理器对采集到的数据进行时域频域转换并进行特征值提取，提高了对采集数据的处理能力，将部分PC端上的处理算法移植到数字处理器上。
3、本发明由现场可编程门阵列将采集到的数据和处理完的数据通过WIFI模块发送给电脑端进行二次存储和处理。操作人员可以远程通过电脑实时接收数据判断结构体的使用寿命，便于及时检测和更换结构体，避免发生不可估量的损失与风险，具有预防性。
4、本发明系统采用嵌入式结构，整个系统结构简单，检测精度高，处理速度快捷，维护简单，损坏时只需更换IEPE加速度传感器即可，安装和拆卸方便快捷。该系统能够对机械结构运动产生的振动进行采集分析做出预防性判断、故障自检等。该系统抗干扰性比较强，可以应用于噪声比较大的工厂环境，使用方便，数据采集精准性高，数据处理速度快，数据处理结果准确且能实时传送和实时连续存储备份。
附图说明
图1为本发明系统一种实施例的整体结构示意图。
图2为本发明系统一种实施例的调理电路组成示意图。
图3为本发明系统一种实施例的恒流源电路图。
图4为本发明系统一种实施例的高通滤波器电路结构图。
图5为本发明系统一种实施例的放大电路结构图。
图6为本发明系统一种实施例的抗混叠滤波器电路结构图。
图7为本发明系统一种实施例的电位抬升电路结构图。
图8为本发明系统一种实施例的过载保护电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供一种振动信号嵌入式远程监测系统(简称系统，参见图1)，该系统包括恒流源单元1、IEPE加速度传感器单元2、调理电路单元3、数模转换单元4、控制单元5和无线通信模块6。
所述的IEPE加速度传感器单元2包括X方向ICP加速度传感器、Y方向ICP加速度传感器、Z方向ICP加速度传感器，分别采集振动物体的三个方向的振动情况。三个ICP加速度传感器的工作电压均为24V，工作电流均为2～20mA，所述恒流源单元对IEPE加速度传感器单元进行供电。
所述恒流源单元1包括三个恒流源，调理电路单元3包括三个调理电路，数模转换单元4包括三个数模转换器，IEPE加速度传感器单元的三个ICP加速度传感器均设置有一条电源线和一条信号传输线，每一条电源线分别连接一个恒流源，每一条信号传输线分别连接一个调理电路，每一个调理电路与一个数模转换器连接，三个数模转换器均与控制单元5连接。
控制单元5包括现场可编程门阵列(FPGA)、DSP数字处理器和寄存器。三个数模转换器分别通过信号传输线与现场可编程门阵列连接；现场可编程门阵列分别通过信号传输线连接三个寄存器，通过CAN总线连接DSP数字处理器，且通过一根信号传输线连接无线通信模块6。
现场可编程门阵列通过数模转换器获取三个方向上的原始振动数据，DSP数字处理器对原始振动数据进行处理并进行振动特征值提取，之后将提取到的振动特征值发回给现场可编程门阵列，现场可编程门阵列将获取的原始振动数据以及接收到的振动特征值发送给无线通信模块6。无线通信模块6进行远程数据发送，将现场可编程门阵列将获取的原始振动数据以及接收到的振动特征值发送给远程监控端，使得不在现场的工作人员实现实时监测设备运行状态。三个寄存器对现场可编程门阵列将获取的原始振动数据以及接收到的振动特征值进行实时连续存储备。DSP数字处理器即为DSP数字信号处理器，是一个实时处理信号的微处理器。
每个调理电路均包括一个高通滤波器7、一个放大电路8、一个抗混叠滤波器9、一个电位抬升电路10和一个过载保护电路11，如图2所示，五个部分依次串联，其中，每一个ICP加速度传感器的信号传输线与高通滤波器的输入端相连，高通滤波器的输出端与放大电路相的输入端连接；放大电路的输出端与抗混叠滤波器的输入端连接，抗混叠滤波器的输出端与电位抬升电路的输入端连接；电位抬升电路的输出端与过载保护电路的输入端连接，过载保护电路的输出端与一个数模转换器的A/D通道连接，数模转换器通过信号传输线与现场可编程门阵列连接。
高通滤波器用于滤掉ICP加速度传感器采集到的振动信号中的直流电压量；放大电路为放大运算器，可以由多级放大构成且可以根据数模转换的量程调节放大倍数，本实施例放大电路为两级同向放大电路，将振动信号的电压幅值调整到数模转换器的量程范围内；抗混叠滤波器用于滤掉高频干扰振动信号，保留需要的频率振动信号，能够减小高频振动信号干扰，避免振动信号混淆。本实施例的抗混叠滤波器为数字可调滤波器，该滤波器可以依据系统的工作环境调节截止频率，提高有效的采样频率范围。
电位抬升电路将振动信号电压的零位点抬升到数模转换器的采样电压范围的中点处，使振动信号的波动范围位于采集范围内，以解决数模转换器不能采集负电压的问题，因为经放大电路处理后的振动信号是以0V为基准上下波动，存在负电压。过载保护电路是为了避免当调试信号放大不当而损坏控制单元5。
优选的，所述恒流源通过LM334芯片实现，具体电路图参见图3，恒流源通过LM334芯片输出一个4mA的电流使得ICP加速度传感器正常工作。图3中，ICP加速度传感器的电源接入端通过P2接口与恒流源相连，C18电容连接20V和GND端，为滤波电容，所述的R29电阻为可调电阻，可以调节输出的恒流源电流大小。ICP加速度传感器的信号输出端输出Singnal2_1信号。
优选地，所述的高通滤波器的电路图如图4所示，电容C17的一端连接ICP加速度传感器的信号输出端，其另一端依次连接电位器R31和跟随器U20；信号Singnal2_1为ICP加速度传感器的输出信号。大电容C17将ICP加速度传感器的输出直流偏执电压过滤掉，只保留交流振动信号，以防止高压损坏芯片，提高信号分辨精度。R31为一个电位器，调节传感器输入信号的大小。跟随器U20可以隔离前后级电路。ICP加速度传感器的输出信号Singnal2_1经高通滤波器处理后输出Singnal2_2信号。
优选地，所述的放大电路的结构如图5所示，第一级的同相放大器U17借助电阻R34和电位器R32实现信号的连续可调放大，放大倍数从1至11倍可调。第二级同相放大器U18为固定倍数放大，但它有三个档位，根据P9拨码开关的选择，可将电阻R6、R8按需接入放大电路，可实现1倍、5.7倍、11倍的固定倍数放大。高通滤波器输出的Singnal2_2信号经放大电路处理后，输出Singnal2_3信号；
优选地，所述的抗混叠滤波器的电路如图6所示，所述的抗混叠滤波器为一个五阶的Butterworth低通滤波器，用它来过滤高频干扰信号，五阶Butterworth滤波器由一个一阶有源低通滤波器和两个二阶有源低通滤波器前后级联而成。图6中，R36电阻、C22电容和U21放大器构成一个一阶有源低通滤波器；图6中，R37电阻、R38电阻、C19电容、C23电容和U22放大器构成一个二阶有源低通滤波器；图6中，R40电阻、R41电阻、C20电容、C24电容和U23放大器构成一个二阶有源低通滤波器；放大电路输出的Singnal2_3信号经抗混叠滤波器处理后，输出Singnal2_4信号。
优选的，所述的电位抬升电路的结构如图7所示，电位抬升电路由一个电容C21、两个电阻R39、R42和一个放大器组成。利用电容C21的直流隔离和交流充放电特性，可实现电容前后信号的零点电位抬升，抬升后的信号以R39和R42的中点电压1.65V为基准上下波动。抗混叠滤波器输出的Singnal2_4信号经电位抬升电路处理后，输出Singnal2_5信号；
优选的，所述的过载保护电路如图8所示，过载保护电路由两个二极管D5、D6和一个放大器组成。利用二极管的正向导通特性，实现信号峰值超出0～3.3V时，经过二极管消除峰值，避免过高电压损坏芯片，而运放起到隔离的作用，防止前后级电路有影响。
优选的，所述无线通信模块6通过无线WIFI芯片ESP8266实现。
优选的，所述的ICP加速度传感器的型号为美国PCB333B50加速度传感器，IEPE加速度传感器指的是一种自带电量放大器或电压放大器的加速度传感器。IEPE是压电集成电路的缩写。因为由加速度传感器产生的电量是很小的，因此传感器产生的电信号很容易受到噪声干扰，需要用灵敏的电子器件对其进行放大和信号调理。IEPE中集成了灵敏的电子器件使其尽量靠近传感器以保证更好的抗噪声性并更容易封装。
优选的，数模转换器的数模转换芯片为亚德诺半导体技术有限公司的AD7705芯片，该芯片是一款16位、低成本、Σ-Δ型模数转换器，适合直流和低频交流测量应用。片内可编程增益放大器提供从1至128的增益设置，无需使用外部信号调理硬件便可接受低电平和高电平模拟输入。AD7705芯片采用兼容的三线串行接口，能够方便地与各种微控制器连接，也比并行接口方式大大节省了CPU的IO口，其最大采样频率可达307.2kHz。
本发明系统的工作原理与过程：将X方向ICP加速度传感器、Y方向ICP加速度传感器、Z方向ICP加速度传感器分别通过胶水固定在待监测的固体器件上设置的基准位置上；使固体处于工作状态，并开启恒流源单元，使其为IEPE加速度传感器单元提供24V的电压和4-20mA的恒定的电流，使X方向ICP加速度传感器、Y方向ICP加速度传感器、Z方向ICP加速度传感器可以正常工作。X方向ICP加速度传感器、Y方向ICP加速度传感器、Z方向ICP加速度传感器将三个方向上采集到的初始振动加速度信号转换为电压信号，输出带有直流电压量的交流电压信号给高通滤波器；高通滤波器将电压信号中的直流量和低频信号滤掉，之后放大电路将电压信号范围调整至数模转换器的转换范围之内，再经电压信号再经抗混叠滤波器滤除高频信号；之后，经电压抬升电路将电压信号升为正信号，然后再经过过载保护电路后发送给数模转换器，最终经数模转换器将电压信号模拟量转换为数字信号，并发送到现场可编程门阵列，现场可编程门阵列获取原始振动信号。现场可编程门阵列与DSP数字处理器进行数据通信，DSP数字处理器对原始振动信号进行振动特征值提取并发回给现场可编程门阵列。现场可编程门阵列外围扩展有三个寄存器，将原始振动信号数据和振动特征值进行连续实时存储。现场可编程门阵列与无线通信模块6连接，将原始振动信号和振动特征值进行远程传输，最终实现远程数据采集与分析。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (8)

1.一种振动信号嵌入式远程监测系统，其特征在于，该系统包括恒流源单元、IEPE加速度传感器单元、调理电路单元、数模转换单元、控制单元和无线通信模块；
所述的IEPE加速度传感器单元包括X方向ICP加速度传感器、Y方向ICP加速度传感器、Z方向ICP加速度传感器，分别采集振动物体的三个方向的振动情况；
所述恒流源单元包括三个恒流源，调理电路单元包括三个调理电路，数模转换单元包括三个数模转换器，IEPE加速度传感器单元的三个ICP加速度传感器均设置有一条电源线和一条信号传输线，每一条电源线分别连接一个恒流源，每一条信号传输线分别连接一个调理电路，每一个调理电路与一个数模转换器连接，三个数模转换器均与控制单元连接；
控制单元包括现场可编程门阵列、DSP数字处理器和寄存器；三个数模转换器分别通过信号传输线与现场可编程门阵列连接；现场可编程门阵列分别通过信号传输线连接三个寄存器，通过CAN总线连接DSP数字处理器，且通过一根信号传输线连接无线通信模块；
每个调理电路均包括一个高通滤波器、一个放大电路、一个抗混叠滤波器、一个电位抬升电路和一个过载保护电路，五个部分依次串联，其中，每一个ICP加速度传感器的信号传输线与高通滤波器的输入端相连，高通滤波器的输出端与放大电路相的输入端连接；放大电路的输出端与抗混叠滤波器的输入端连接，抗混叠滤波器的输出端与电位抬升电路的输入端连接；电位抬升电路的输出端与过载保护电路的输入端连接，过载保护电路的输出端与一个数模转换器的A/D通道连接，数模转换器通过信号传输线与现场可编程门阵列连接。
2.根据权利要求1所述的一种振动信号嵌入式远程监测系统，其特征在于，现场可编程门阵列通过数模转换器获取三个方向上的原始振动数据，DSP数字处理器对原始振动数据进行处理并进行振动特征值提取，之后将提取到的振动特征值发回给现场可编程门阵列，现场可编程门阵列将获取的原始振动数据以及接收到的振动特征值发送给无线通信模块；无线通信模块进行远程数据发送，将现场可编程门阵列将获取的原始振动数据以及接收到的振动特征值发送给远程监控端，使得不在现场的工作人员实现实时监测设备运行状态；三个寄存器对现场可编程门阵列将获取的原始振动数据以及接收到的振动特征值进行实时连续存储备。
3.根据权利要求1所述的一种振动信号嵌入式远程监测系统，其特征在于，高通滤波器用于滤掉ICP加速度传感器采集到的振动信号中的直流电压量；放大电路为两级同向放大电路，将振动信号的电压幅值调整到数模转换器的量程范围内；抗混叠滤波器用于滤掉高频干扰振动信号，保留需要的频率振动信号；
电位抬升电路将振动信号电压的零位点抬升到数模转换器的采样电压范围的中点处，使振动信号的波动范围位于采集范围内；过载保护电路是为了避免当调试信号放大不当而损坏控制单元。
4.根据权利要求1所述的一种振动信号嵌入式远程监测系统，其特征在于，所述恒流源通过LM334芯片实现。
5.根据权利要求1所述的一种振动信号嵌入式远程监测系统，其特征在于，所述抗混叠滤波器为一个五阶的Butterworth低通滤波器，用它来过滤高频干扰信号，五阶Butterworth滤波器由一个一阶有源低通滤波器和两个二阶有源低通滤波器前后级联而成。
6.根据权利要求1所述的一种振动信号嵌入式远程监测系统，其特征在于，所述无线通信模块通过无线WIFI芯片ESP8266实现。
7.根据权利要求1所述的一种振动信号嵌入式远程监测系统，其特征在于，所述ICP加速度传感器的型号为美国PCB333B50加速度传感器。
8.根据权利要求1所述的一种振动信号嵌入式远程监测系统，其特征在于，数模转换器的数模转换芯片为亚德诺半导体技术有限公司的AD7705芯片。
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