CN113959553A - 一种基于cpld的智能低频振动传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CPLD的智能低频振动传感器，涉及传感器技术领域，通过在传感器内部设置X轴信号采集单元和Y轴信号采集单元，从而分别获得水平方向的振动信号和竖直方向的振动信号，通过对水平方向的振动信号和竖直方向的振动信号进行处理，然后分别获得对应的频谱图，并将频谱图内分为不同的区域，从而使得振动信号通过频谱图直接反馈振动信号的情况，同时对X轴信号采集单元和Y轴信号采集单元采集到的振动信号分析进行频谱分析，再通过两个振动信号的频谱图对振动信号进行分析，从而使得分析结果更加可靠；通过双通道设置，进而使得采集到的振动信号更加可靠，进而保证检测结果更加可靠。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体是一种基于CPLD的智能低频振动传感器。
背景技术
振动是外力作用于弹性体后产生周期性运动的一种自然现象，0.01Hz～20Hz之间的振动被称为低频超低频振动。目前常用的低频振动传感器有磁电式振动速度传感器、压电式加速度传感器和电涡流式测振传感器等。电涡流传感器可以不失真地提取低频振动信号，但由于采用相对式测量方法，实际上检测到的是被测振动对象和支撑臂附加振动的叠加信号，测量误差较大。压电式传感器电路体积大、测量时易受电路器件漂移影响，且以一维测量为主，造价昂贵。磁电式传感器直接测量低频振动的速度和位移，测量精度较高、抗干扰能力强。但它的测量范围受振动频率制约，即不能测量低于其固有频率以下的信号；
现有的振动传感器，往往采用单一通道，对采集到的振动信号进行传输和处理，单一通道获取的振动数据容易失真，且容易受到外界干扰，从而对检测结果造成影响，为此，现提供一种基于CPLD的智能低频振动传感器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于CPLD的智能低频振动传感器。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种基于CPLD的智能低频振动传感器，包括控制器与远程监测中心，所述控制器电性连接有电源模块、前端信号采集模块、信号处理模块、信号分析模块、WIFI模块以及定位模块，且所述控制器通过WIFI模块通信连接有远程监测中心；
所述前端信号采集模块包括X轴信号采集单元和Y轴信号采集单元，用于获取振动信号；
所述信号处理模块用于对前端信号采集模块获取到的振动信号进行处理；
所述信号分析模块用于对信号处理模块处理后的振动信号进行分析，远程监测模块在接收到振动信号的分析结果后，根据振动信号的分析结果生成预警信息，并通过定位模块获得传感器的所在具体位置。
进一步的，所述电源模块包括内部电源单元和外部电源单元，所述内部电源单元连接有升压单元，所述外部电源单元连接有降压单元。
进一步的，前端信号采集模块获取振动信号的过程包括：通过X轴信号采集单元和Y轴信号采集单元分别采集水平方向的振动信号和竖直方向的振动信号；将X轴信号采集单元采集到的振动信号记为水平振动信号，将Y轴信号采集单元采集到的振动信号标记为竖直振动信号；根据水平振动信号和竖直振动信号分别生成水平振动信号集和竖直振动信号集，同时生成信号采集日志，并将信号采集日志进行保存。
进一步的，信号采集日志包括采集到的振动信号的类型以及采集到振动信号的对应时刻。
进一步的，信号处理模块对振动信号的处理过程包括：建立双通道频谱图，并将获得的水平振动信号集和竖直振动信号集在双通道频谱图中转化为水平信号频谱图和竖直信号频谱图；分别在水平信号频谱图和竖直信号频谱图内设置第一阈值线和第二阈值线；根据水平振动信号和竖直振动信号在双通道频谱中的不同位置，对水平信号频谱图和竖直信号频谱图按照规则进行标记。
进一步的，第二阈值线位于第一阈值线的上方，且将第一阈值线以下的区域标记为低振区，将第一阈值线与第二阈值线之间的区域标记为中振区，将第二阈值线以上的区域标记为高振区。
进一步的，对水平信号频谱图和竖直信号频谱图进行标记的规则具体包括：将水平振动信号和竖直振动信号分别在水平信号频谱图和竖直信号频谱图中以波形图的形式进行体现，然后分别标记波形图与第一阈值线和第二阈值线的相交点；将位于低振区的水平振动信号或竖直振动信号标记为绿色，将位于中振区的水平振动信号或竖直振动信号标记为黄色，将位于高振区的水平振动信号或竖直振动信号标记为红色。
进一步的，信号分析模块的分析过程包括：当同一时刻的水平振动信号和竖直振动信号均位于同一区域时，则判定振动信号与对应区域信号一致；当同一时刻的水平振动信号和竖直振动信号位于不同的区域，则分别获取水平振动信号和竖直振动信号的振动频率值和振动幅度值，然后获得振动系数，再通过设置振动指标阈值范围，将振动系数与振动指标阈值范围进行比较，从而获得振动信号类型。
本发明的有益效果：通过在传感器内部设置X轴信号采集单元和Y轴信号采集单元，从而分别获得水平方向的振动信号和竖直方向的振动信号，形成双通道检测，通过对水平方向的振动信号和竖直方向的振动信号进行处理，然后分别获得对应的频谱图，并将频谱图内分为不同的区域，从而通过频谱图直接反馈振动信号的情况，同时对X轴信号采集单元和Y轴信号采集单元采集到的振动信号分析进行频谱分析，再通过两个振动信号的频谱图对振动信号进行分析，从而使得分析结果更加可靠；通过双通道设置，进而提升检测结果的精确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种基于CPLD的智能低频振动传感器的原理框图。
具体实施方式
本发明通过设置CPLD与MCU，且CPLD实现高速逻辑运算，MCU实现输入/输出对外通信，从而实现互补性设计；CPLD是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路，其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统，高速完成复杂的逻辑功能计算。而MCU集成微处理器、存储器及输入/输出接口低功耗主控芯片，可实现与外围电路及上位机通信功能。
如图1所示，一种基于CPLD的智能低频振动传感器，包括控制器，所述控制器电性连接有电源模块、前端信号采集模块、信号处理模块、信号分析模块、WIFI模块以及定位模块，且所述控制器通过WIFI模块通信连接有远程监测中心；
所述电源模块包括内部电源单元和外部电源单元，所述内部电源单元连接有升压单元，所述外部电源单元连接有降压单元，需要进一步说明的是，在具体实施过程中，所述内部电源单元可采用锂离子电池，用于在不方便拉接电源的场时，通过内部电源单元提供电源，从而使得现场检测能够持续进行；所述外部电源单元，为可编程直流电源，外部电源单元经降压单元进行降压后，能够直接给内部电源单元，即锂离子电池进行充电，内部电源单元经过升压单元，将电压进行转化，从而变成能够产生恒流源的电源，然后给信号处理单元提供激励电源，通过选择可编程直流电源，从而使得激励电源可调，且调节的电压更加准确和稳定。
所述前端信号采集模块用于获取振动信号，所述前端信号采集模块包括X轴信号采集单元和Y轴信号采集单元，前端信号采集模块获取振动信号的过程具体包括以下步骤：
步骤Q1：通过X轴信号采集单元和Y轴信号采集单元分别采集水平方向的振动信号和竖直方向的振动信号；
步骤Q2：将X轴信号采集单元采集到的振动信号记为水平振动信息，将Y轴信号采集单元采集到的振动信号标记为竖直振动信号；
步骤Q3：根据水平振动信号和竖直振动信号分别生成水平振动信号集和竖直振动信号集，同时生成信号采集日志，并将信号采集日志进行保存；需要进一步说明的是，在具体实施过程中，信号采集日志包括采集到的振动信号的类型以及采集到振动信号的对应时刻；
步骤Q4：将前端信号采集模块获取到的振动信号发送至信号处理模块。
需要进一步说明的是，在具体实施过程中，前端信号采集模块获取到的振动信号在发送至信号处理模块的同时，会通过WIFI模块将信号采集日志发送至远程监测中心，并进行保存；
所述信号处理模块用于对前端信号采集模块获取到的振动信号进行处理，具体处理过程包括以下步骤：
步骤C1：建立双通道频谱图，并将获得的水平振动信号集和竖直振动信号集在双通道频谱图中转化为频谱图；其中水平振动信号集内的振动信号转化的频谱图为水平信号频谱图，竖直振动信号集中的振动信号转化的频谱图为竖直信号频谱图；
步骤C2：分别在水平信号频谱图和竖直信号频谱图内设置第一阈值线和第二阈值线；需要进一步说明的是，在具体实施过程中，第二阈值线位于第一阈值线的上方，且将第一阈值线以下的区域标记为低振区，将第一阈值线与第二阈值线之间的区域标记为中振区，将第二阈值线以上的区域标记为高振区；
步骤C3：根据水平振动信号和竖直振动信号在双通道频谱中的不同位置，对水平信号频谱图和竖直信号频谱图按照规则进行标记；
步骤C4：将出现水平信号频谱图或竖直信号频谱图标记为异常频谱图，将未出现标记的水平信号频谱图或竖直信号频谱图标记为正常频谱图。
需要进一步说明的是，在具体实施过程中，水平信号频谱图或竖直信号频谱图为周期性频谱图，即每个频谱图所持续的时间为固定周期；
需要进一步说明的是，在具体实施过程中，对水平信号频谱图和竖直信号频谱图进行标记的规则具体包括：将水平振动信号和竖直振动信号分别在水平信号频谱图和竖直信号频谱图中以波形图的形式进行体现，然后分别标记波形图与第一阈值线和第二阈值线的相交点；将位于低振区的水平振动信号或竖直振动信号标记为绿色，将位于中振区的水平振动信号或竖直振动信号标记为黄色，将位于高振区的水平振动信号或竖直振动信号标记为红色；当频谱图中出现黄色或红色振动信号时，则将该频谱图标记为异常频谱图。
所述信号分析模块用于对信号处理模块处理后的振动信号进行分析，具体分析过程包括以下步骤：
步骤F1：当同一时刻的水平振动信号和竖直振动信号均位于低振区，则表示该振动信号为低振信号；当同一时刻的水平振动信号和竖直振动信号均位于中振区，则表示该振动信号为中振信号；当同一时刻的水平振动信号和竖直振动信号均位于高振区，则表示该振动信号为高振信号；
步骤F2：当同一时刻的水平振动信号和竖直振动信号位于不同的区域，则分别获取水平振动信号和竖直振动信号的振动频率值和振动幅度值，并将水平振动信号的振动频率值和振动幅度值分别标记为SP和SF；将竖直振动信号的振动频率值和振动幅度值分别标记为ZP和ZF；
步骤F3：通过公式ZX=[（a×SF）/ZF+（b×SP）/ZP]×|sin[（SF/ZF）-（SP/ZP）]|获得振动系数ZX，其中a、b均为系统因子，且a、b均大于1；
步骤F4：设置振动指标阈值范围（Z1，Z2），当ZX≤Z1时，则判定振动信号为低振信号；当Z1＜ZX＜Z2时，则判定振动信号为中振信号；当ZX≥Z2时，则判定振动信号为高振信号。
步骤F5：步骤F1-F4获得的分析结果和对应的异常频谱图通过WIFI模块发送至远程监测中心。
需要进一步说明的是，在具体实施过程中，远程监测模块在接收到振动信号的分析结果后，根据振动信号的分析结果生成预警信息，并通过定位模块获得传感器的所在具体位置。
上述公式均是去除量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最接近真实情况的一个公式，公式中的预设参数和预设阈值由本领域的技术人员根据实际情况设定或者大量数据模拟获得。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的设备，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式；所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方法的目的。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方法而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方法的精神和范围。
Claims (8)
1.一种基于CPLD的智能低频振动传感器，包括控制器与远程监测中心，其特征在于，所述控制器电性连接有电源模块、前端信号采集模块、信号处理模块、信号分析模块、WIFI模块以及定位模块，且所述控制器通过WIFI模块通信连接有远程监测中心；
所述前端信号采集模块包括X轴信号采集单元和Y轴信号采集单元，用于获取振动信号，所述振动信号包括水平方向的振动信号和竖直方向的振动信号；
所述信号处理模块用于对前端信号采集模块获取到的振动信号进行处理；
所述信号分析模块用于对信号处理模块处理后的振动信号进行分析，远程监测模块在接收到振动信号的分析结果后，根据振动信号的分析结果生成预警信息，并通过定位模块获得传感器的所在具体位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于CPLD的智能低频振动传感器，其特征在于，所述电源模块包括内部电源单元和外部电源单元，所述内部电源单元连接有升压单元，所述外部电源单元连接有降压单元。
3.根据权利要求2所述的一种基于CPLD的智能低频振动传感器，其特征在于，前端信号采集模块获取振动信号的过程包括：通过X轴信号采集单元和Y轴信号采集单元分别采集水平方向的振动信号和竖直方向的振动信号；将X轴信号采集单元采集到的振动信号记为水平振动信号，将Y轴信号采集单元采集到的振动信号标记为竖直振动信号；根据水平振动信号和竖直振动信号分别生成水平振动信号集和竖直振动信号集，同时生成信号采集日志，并将信号采集日志进行保存。
4.根据权利要求3所述的一种基于CPLD的智能低频振动传感器，其特征在于，信号采集日志包括采集到的振动信号的类型以及采集到振动信号的对应时刻。
5.根据权利要求1所述的一种基于CPLD的智能低频振动传感器，其特征在于，信号处理模块对振动信号的处理过程包括：建立双通道频谱图，并将获得的水平振动信号集和竖直振动信号集在双通道频谱图中转化为水平信号频谱图和竖直信号频谱图；分别在水平信号频谱图和竖直信号频谱图内设置第一阈值线和第二阈值线；根据水平振动信号和竖直振动信号在双通道频谱中的不同位置，对水平信号频谱图和竖直信号频谱图按照规则进行标记。
6.根据权利要求5所述的一种基于CPLD的智能低频振动传感器，其特征在于，第二阈值线位于第一阈值线的上方，且将第一阈值线以下的区域标记为低振区，将第一阈值线与第二阈值线之间的区域标记为中振区，将第二阈值线以上的区域标记为高振区。
7.根据权利要求6所述的一种基于CPLD的智能低频振动传感器，其特征在于，对水平信号频谱图和竖直信号频谱图进行标记的规则具体包括：将水平振动信号和竖直振动信号分别在水平信号频谱图和竖直信号频谱图中以波形图的形式进行体现，然后分别标记波形图与第一阈值线和第二阈值线的相交点；将位于低振区的水平振动信号或竖直振动信号标记为绿色，将位于中振区的水平振动信号或竖直振动信号标记为黄色，将位于高振区的水平振动信号或竖直振动信号标记为红色。
8.根据权利要求7所述的一种基于CPLD的智能低频振动传感器，其特征在于，信号分析模块的分析过程包括：当同一时刻的水平振动信号和竖直振动信号均位于同一区域时，则判定振动信号与对应区域信号一致；当同一时刻的水平振动信号和竖直振动信号位于不同的区域，则分别获取水平振动信号和竖直振动信号的振动频率值和振动幅度值，然后获得振动系数，再通过设置振动指标阈值范围，将振动系数与振动指标阈值范围进行比较，从而获得振动信号类型。
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