CN112649085A - 工业设备振动信号的远程测量系统及测量方法 - Google Patents

工业设备振动信号的远程测量系统及测量方法 Download PDF

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苏清新
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
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Abstract

本发明属于信号测量领域,提供了一种工业设备振动信号的远程测量系统及测量方法。工业设备振动信号的远程测量系统包括雷达芯片、发射天线和接收天线;雷达芯片用于产生设定频率的雷达信号并经发射天线发射,且经接收天线来接收经待测设备反射回来的雷达反射信号;雷达反射信号包括待测设备的振动信息和位移信息;所述雷达芯片还用于:预处理雷达反射信号并进行距离FFT分析,得到雷达到待测设备的距离信息,利用距离信息确定跟踪待测设备的位移信息;将距离信息和振动信息去耦合;将振动信息依次经带通滤波和FFT处理后,得到振动信号频谱特性数据,测量出待测设备的振动频率和振动幅度。

Description

工业设备振动信号的远程测量系统及测量方法
技术领域
本发明属于信号测量领域,尤其涉及一种工业设备振动信号的远程测量系统及测量方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息,不必然构成在先技术。
大型机械(比如:航空发动机、电动机、发电机组、轧钢机械、离心压缩机等)在运行过程中会引起振动,过大的振动容易造成机械的损坏,引发机械故障。检测级分析机械振动特性,对机械故障诊断具有重要研究意义。
目前远程测量工业设备振动信号的手段采用的是点频信号毫米波多普勒系统,但是,发明人发现,现有该振动信号测量系统不具有测距功能,而且不能剔除待测装置附近其他物体的干扰信号,另外其不具有测距功能,不能分析因为大型设备运行过程中的位移变化,从而降低了振动信号测量的准确性。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题,本发明提供一种工业设备振动信号的远程测量系统及测量方法,其相对其他频段毫米波雷达,具有更好的多普勒效应和测距分辨率,更能准确测量振动特征参数和设备位移参数。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明的第一个方面提供一种工业设备振动信号的远程测量系统。
一种工业设备振动信号的远程测量系统,包括雷达芯片、发射天线和接收天线;雷达芯片用于产生设定频率的雷达信号并经发射天线发射,且经接收天线来接收经待测设备反射回来的雷达反射信号;雷达反射信号包括待测设备的振动信息和位移信息;所述雷达芯片还用于:
预处理雷达反射信号并进行距离FFT分析,得到雷达到待测设备的距离信息,利用距离信息确定跟踪待测设备的位移信息;
将距离信息和振动信息去耦合;
将振动信息依次经带通滤波和FFT处理后,得到振动信号频谱特性数据,测量出待测设备的振动频率和振动幅度。
作为一种实施方式,在所述雷达芯片中,预处理雷达反射信号的过程为:
将雷达反射信号依次经中频放大和滤波处理后,再转换为数字反射信号;
将数字反射信号进行平滑滤波及加汉明窗处理后,缓存至数据存储器。
上述方案的优点在于,通过加窗减少频谱泄漏,提高了数据的准确性,从而能够准确地测量出待测设备的位移信息和振动信息。
作为一种实施方式,在所述雷达芯片中,采用高阶椭圆带通IIR滤波器对振动信息进行带通滤波。
上述方案的优点在于,采用高阶椭圆IIR带通滤波器,滤除其他频谱杂波;带通滤波器可根据振动特征频谱自适应调整其中心频率,同时滤波器阶数的设计,兼顾信号处理的实时性,阶数越高,滤波效果越好,但增加了时延。
作为一种实施方式,在所述雷达芯片中,将距离信息和振动信息去耦合的过程为:在多帧相同距离信号中提取低频的振动相位信息。
上述方案的优点在于,将距离信息和振动信息去耦合后能够精确测量待测设备振动频率和振动幅度。
作为一种实施方式,所述雷达芯片内部包括2个发射通道、4个接收通道,内部集成由DSP和处理器,所述DSP用于产生雷达信号,处理器用于对接收到的雷达反射信号处理。
上述方案的优点在于,利用DSP产生雷达信号,处理器对接收到的雷达反射信号处理,能够提高雷达芯片的工作效率,从而提高工业设备振动信号的远程测量效率。
作为一种实施方式,所述工业设备振动信号的远程测量系统还包括信号输出单元,其用于输出待测设备的位移信息和振动信息。
作为一种实施方式,所述信号输出单元留有串口、IIC接口和GPIO端口。
上述方案的优点在于,这样能够驱动指示灯和声音报警器,同样可以通过连接无线模块实现远距离通信。
本发明的第二个方面提供一种基于工业设备振动信号的远程测量系统的测量方法。
一种基于工业设备振动信号的远程测量系统的测量方法,包括:
发射雷达信号并接收经待测设备反射的雷达反射信号;
预处理雷达反射信号并进行距离FFT分析,得到雷达到待测设备的距离信息,利用距离信息确定跟踪待测设备的位移信息;
将距离信息和振动信息去耦合;
将振动信息依次经带通滤波和FFT处理后,得到振动信号频谱特性数据,测量出待测设备的振动频率和振动幅度。
作为一种实施方式,预处理雷达反射信号的过程为:
将雷达反射信号依次经中频放大和滤波处理后,再转换为数字反射信号;
将数字反射信号进行平滑滤波及加汉明窗处理后,缓存至数据存储器。
上述方案的优点在于,通过加窗减少频谱泄漏,提高了数据的准确性,从而能够准确地测量出待测设备的位移信息和振动信息。
作为一种实施方式,将距离信息和振动信息去耦合的过程为:在多帧相同距离信号中提取低频的振动相位信息。
上述方案的优点在于,将距离信息和振动信息去耦合后能够精确测量待测设备振动频率和振动幅度。
本发明的有益效果是:
本发明通过预处理雷达反射信号并进行距离FFT分析,得到雷达到待测设备的距离信息,利用距离信息确定跟踪待测设备的位移信息;将距离信息和振动信息去耦合;将振动信息依次经带通滤波和FFT处理后,得到振动信号频谱特性数据,测量出待测设备的振动频率和振动幅度,一方面可以定量通过测量振动频率和振动幅度,监控电力设备、大型机械振动情况;另一方面可以定性远程管理监控设备是否处在工作状态。
本发明利用发射雷达信号并接收经待测设备反射的雷达反射信号,再对反射的雷达信号信息处理,测量设备的位移信号和振动信号,为非接触测量,可实现远距离实时测量;在高温等复杂环境下使用。振动频率精度达0.1Hz。振动幅度精度达几十um。距离可实现几十米远距离测量,远高于超声。毫米波的穿透特性,不易受车间粉尘、雾霾影响,环境适应性远高于激光雷达。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的基于工业设备振动信号的远程测量系统的测量原理。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中,术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词,并非特指本发明中任一部件或元件,不能理解为对本发明的限制。
本发明中,术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解,表示可以是固定连接,也可以是一体地连接或可拆卸连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员,可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义,不能理解为对本发明的限制。
参照图1,本实施例的工业设备振动信号的远程测量系统,包括雷达芯片、发射天线和接收天线;雷达芯片用于产生设定频率的雷达信号并经发射天线发射,且经接收天线来接收经待测设备反射回来的雷达反射信号;雷达反射信号包括待测设备的振动信息和位移信息。
在具体实施中,所述雷达芯片还用于:
(1)预处理雷达反射信号并进行距离FFT分析,得到雷达到待测设备的距离信息,利用距离信息确定跟踪待测设备的位移信息;
具体地,预处理雷达反射信号的过程为:
将雷达反射信号依次经中频放大和滤波处理后,再转换为数字反射信号;
将数字反射信号进行平滑滤波及加汉明窗处理后,缓存至数据存储器。
这样通过加窗减少频谱泄漏,提高了数据的准确性,从而能够准确地测量出待测设备的位移信息和振动信息。
(2)将距离信息和振动信息去耦合;
作为一种具体地实施方式,在所述雷达芯片中,将距离信息和振动信息去耦合的过程为:在多帧相同距离信号中提取低频的振动相位信息。
这样将距离信息和振动信息去耦合后能够精确测量待测设备振动频率和振动幅度。
(3)将振动信息依次经带通滤波和FFT处理后,得到振动信号频谱特性数据,测量出待测设备的振动频率和振动幅度。
具体地,在所述雷达芯片中,采用高阶椭圆带通IIR滤波器对振动信息进行带通滤波。这样采用高阶椭圆IIR带通滤波器,滤除其他频谱杂波;带通滤波器可根据振动特征频谱自适应调整其中心频率,同时滤波器阶数的设计,兼顾信号处理的实时性,阶数越高,滤波效果越好,但增加了时延。
在具体实施中,所述雷达芯片内部包括2个发射通道、4个接收通道,内部集成由DSP和处理器,所述DSP用于产生雷达信号,处理器用于对接收到的雷达反射信号处理。这样利用DSP产生雷达信号,处理器对接收到的雷达反射信号处理,能够提高雷达芯片的工作效率,从而提高工业设备振动信号的远程测量效率。
比如:雷达芯片采用77-81GHz频段、LFMCW体制,核心芯片IWR1642;IWR1642其内部包括2个发射通道、4个接收通道,内部集成了可编程C674x DSP和一个ARM Cortex-R4F处理器,其实现信号雷达信号的产生、雷达信号的处理。2发4收天线实现雷达信号发射和接收功能。
此处需要说明的是,雷达芯片也可为英飞凌、恩智浦77GHz雷达芯片。
雷达发射信号建模:
Figure BDA0002844962670000071
雷达接收信号建模:
Figure BDA0002844962670000072
雷达接收到设备反射信号,经混频和中频滤波分析:
Figure BDA0002844962670000073
其中:fb为设备到雷达距离产生的信号;
Figure BDA0002844962670000074
为设备振动引起的多普勒信号;
fc为雷达发射信号频率;
B、R和C均为常系数;
td为从发射到接收雷达信号的延迟时间。
作为一种实施方式,所述工业设备振动信号的远程测量系统还包括信号输出单元,其用于输出待测设备的位移信息和振动信息。
本实施例的工业设备振动信号的远程测量系统实现了雷达信号的产生、放大、发射、接收、混频和中频信号采集处理。通过中频信号分析频率、相位及幅度特性分析,实现对设备振动特性、位移的实时精确测量。
在具体实施中,工业设备振动信号的远程测量系统还包括供电单元,供电单元是把外部电源转换为本系统所需要的电压信号。
例如:供电单元基于电源管理芯片LP8752和两个线性稳压模块TPS7A8101和TPS7A8801。其中LP8752芯片具有过压保护、欠压锁定、输出短路和过载保护功能;两线性稳压模块TPS7A8101和TPS7A8801同样具备低噪声和耐高温的性能,该供电单元可以满足环境复杂的工业环境使用。
具体地,所述信号输出单元留有串口、IIC接口和GPIO端口。这样能够驱动指示灯和声音报警器,同样可以通过连接无线模块实现远距离通信。
本实施例利用发射雷达信号并接收经待测设备反射的雷达反射信号,再对反射的雷达信号信息处理,测量设备的位移信号和振动信号,为非接触测量,可实现远距离实时测量;在高温等复杂环境下使用。振动频率精度达0.1Hz。振动幅度精度达几十um。距离可实现几十米远距离测量,远高于超声。毫米波的穿透特性,不易受车间粉尘、雾霾影响,环境适应性远高于激光雷达。
基于本实施例的工业设备振动信号的远程测量系统的测量方法,包括如下步骤1~步骤4。具体的实施过程如下:
步骤1:发射雷达信号并接收经待测设备反射的雷达反射信号。
步骤2:预处理雷达反射信号并进行距离FFT分析,得到雷达到待测设备的距离信息,利用距离信息确定跟踪待测设备的位移信息。
在具体实施中,预处理雷达反射信号的过程为:
将雷达反射信号依次经中频放大和滤波处理后,再转换为数字反射信号;
将数字反射信号进行平滑滤波及加汉明窗处理后,缓存至数据存储器。
这样通过加窗减少频谱泄漏,提高了数据的准确性,从而能够准确地测量出待测设备的位移信息和振动信息。
步骤3:将距离信息和振动信息去耦合。
具体地,将距离信息和振动信息去耦合的过程为:在多帧相同距离信号中提取低频的振动相位信息。
这样将距离信息和振动信息去耦合后能够精确测量待测设备振动频率和振动幅度。
步骤4:将振动信息依次经带通滤波和FFT处理后,得到振动信号频谱特性数据,测量出待测设备的振动频率和振动幅度。
本实施例通过预处理雷达反射信号并进行距离FFT分析,得到雷达到待测设备的距离信息,利用距离信息确定跟踪待测设备的位移信息;将距离信息和振动信息去耦合;将振动信息依次经带通滤波和FFT处理后,得到振动信号频谱特性数据,测量出待测设备的振动频率和振动幅度,一方面可以定量通过测量振动频率和振动幅度,监控电力设备、大型机械振动情况;另一方面可以定性远程管理监控设备是否处在工作状态。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种工业设备振动信号的远程测量系统,其特征在于,包括雷达芯片、发射天线和接收天线;雷达芯片用于产生设定频率的雷达信号并经发射天线发射,且经接收天线来接收经待测设备反射回来的雷达反射信号;雷达反射信号包括待测设备的振动信息和位移信息;所述雷达芯片还用于:
预处理雷达反射信号并进行距离FFT分析,得到雷达到待测设备的距离信息,利用距离信息确定跟踪待测设备的位移信息;
将距离信息和振动信息去耦合;
将振动信息依次经带通滤波和FFT处理后,得到振动信号频谱特性数据,测量出待测设备的振动频率和振动幅度。
2.如权利要求1所述的工业设备振动信号的远程测量系统,其特征在于,在所述雷达芯片中,预处理雷达反射信号的过程为:
将雷达反射信号依次经中频放大和滤波处理后,再转换为数字反射信号;
将数字反射信号进行平滑滤波及加汉明窗处理后,缓存至数据存储器。
3.如权利要求1所述的工业设备振动信号的远程测量系统,其特征在于,在所述雷达芯片中,采用高阶椭圆带通IIR滤波器对振动信息进行带通滤波。
4.如权利要求1所述的工业设备振动信号的远程测量系统,其特征在于,在所述雷达芯片中,将距离信息和振动信息去耦合的过程为:在多帧相同距离信号中提取低频的振动相位信息。
5.如权利要求1所述的工业设备振动信号的远程测量系统,其特征在于,所述雷达芯片内部包括2个发射通道、4个接收通道,内部集成由DSP和处理器,所述DSP用于产生雷达信号,处理器用于对接收到的雷达反射信号处理。
6.如权利要求1所述的工业设备振动信号的远程测量系统,其特征在于,所述工业设备振动信号的远程测量系统还包括信号输出单元,其用于输出待测设备的位移信息和振动信息。
7.如权利要求6所述的工业设备振动信号的远程测量系统,其特征在于,所述信号输出单元留有串口、IIC接口和GPIO端口。
8.一种基于如权利要求1-7中任一项所述的工业设备振动信号的远程测量系统的测量方法,其特征在于,包括:
发射雷达信号并接收经待测设备反射的雷达反射信号;
预处理雷达反射信号并进行距离FFT分析,得到雷达到待测设备的距离信息,利用距离信息确定跟踪待测设备的位移信息;
将距离信息和振动信息去耦合;
将振动信息依次经带通滤波和FFT处理后,得到振动信号频谱特性数据,测量出待测设备的振动频率和振动幅度。
9.如权利要求8所述的测量方法,其特征在于,预处理雷达反射信号的过程为:
将雷达反射信号依次经中频放大和滤波处理后,再转换为数字反射信号;
将数字反射信号进行平滑滤波及加汉明窗处理后,缓存至数据存储器。
10.如权利要求8所述的测量方法,其特征在于,将距离信息和振动信息去耦合的过程为:在多帧相同距离信号中提取低频的振动相位信息。
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