CN114199490A - 基于无线传输的智能振动检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无线传输的智能振动检测系统及检测方法，属于振动检测技术领域，解决了现有技术中管道振动无法全方位监测、振动量检测不精准、无法满足三轴宽频响的问题，包括手持式测振仪、信息采集集合以及计算机，信息采集集合通过TCP/IP协议经路由器将采集的信息传递至手持式测振仪，信息采集集合包括第一、第二、第三、第四、第五以及第六无线传感器。本发明利用多个无线传感器全面检测管道振动，并对压电敏感单元采用法拉第屏蔽和对地隔离处理，满足三轴宽频响和低噪音的需求，传感器受到管道振动激励后产生电荷信号，并经调理电路转化为灵敏度高的电压信号，提高管道振动检测的灵敏度，同时依据输出电压信号的变化分析出管道振动量。
Description
技术领域
本发明属于振动检测技术领域，具体地说，尤其涉及一种基于无线传输的智能振动检测系统及检测方法。
背景技术
旋转设备和管道的振动在核电厂中普遍存在，核电厂中旋转设备和管道的类型较多，引起振动的原因比较复杂，通过振动测量可以验证设备和管道的制造质量和安装质量是否满足设计要求，确认管道和旋转设备的振动在允许范围之内，从而确保设备安全、可靠，长期运行，同时调试期间的振动试验可提供设备状态检测和故障诊断的原始数据，为以后的检修和检修后验收提供依据。
但电厂巡检运行人员测量的时候，有些设备或管道的测量位置处于人不可达的位置，如管道一般都有保温层覆盖，有些设备和管道的测量位置人很难达到；如旋转设备动部件附近，对人有伤害的风险，所以对于有线的传感器不适用，只能在测量或试验的时候忽略这些测点位置，从而不能全面的评价设备的状态，对于管道和旋转设备，有时候会布置很多测点，如果采用电缆敷设的传感器，则存在大量的接线和确认工作，以及存在导线损坏等现象，需要定期检查，大大增加了现场工作量。
随着无线技术的发展，无线传感器、无线传输、无线式分布系统都得到了充分的应用，为核电站设备和管道的无线式振动测量，奠定了良好的基础。目前国内电厂经常使用的小型测振系统，都采用了进口测振仪，如SCHENCK的VT-80，ENTEK公司ENPCA2500，这两款仪器都是目前在役电厂经常使用的有线式手持式测振仪，但这两款仪器最多只能接两个通道，所以每次的测量点有限，如果需要进行多个测点，多通道的测量，则需要进行固定式测量，以及需进行传感器安装、电缆敷设、数据采集装置以及信号处理等一系列设备。因此，需提供一种适用于多通道测量以及大量数据分析处理的振动检测系统和方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供了一种全方位监测、管道振动量检测精准、抗干扰性强的基于无线传输的智能振动检测系统及检测方法。
为了实现上述技术目的，本发明基于无线传输的智能振动检测系统及检测方法采用的技术方案为：
一种基于无线传输的智能振动检测系统，包括手持式测振仪、信息采集集合以及计算机，所述计算机的以太网口连接以太网交换机，所述以太网交换机端口连接有手持式测振仪，所述信息采集集合通过TCP/IP协议经路由器将采集的信息传递至手持式测振仪，所述信息采集集合包括第一无线传感器、第二无线传感器、第三无线传感器、第四无线传感器、第五无线传感器以及第六无线传感器；
所述第一无线传感器、第二无线传感器、第三无线传感器、第四无线传感器、第五无线传感器以及第六无线传感器内均设有三轴压电敏感元件，所述三轴压电敏感元件分别与电荷放大调理电路相连接，三个所述电荷放大调理电路经采集调理电路与模拟转换单元(ADC)相连接，所述模拟转换单元(ADC)与ARM控制器相连接，所述ARM控制器通过Wifi模组与手持式测振仪相连接，所述ARM控制器上还连接有晶振单元和存储单元；
所述压电敏感元件用于采集管道振动所致的电荷信号，所述电荷放大调理电路用于将压电敏感元件采集的电荷信号调理为电压信号，所述采集调理电路用于抑制噪声并做抗混叠滤波，所述模拟转换单元(ADC)用于将接收到的模拟信号转换为数字信号并发送至ARM控制器，所述手持式测振仪用于信息采集集合和报警阀值的设置，同时对信息采集集合的信息进行分析和处理。
优选的，所述三轴压电敏感元件分别对应于X轴、Y轴、Z轴三个方向。
优选的，所述三轴压电敏感元件为采用纳米陶瓷制成的经法拉第屏蔽和对地隔离处理后的三角剪切型元件。
优选的，所述第一无线传感器、第二无线传感器、第三无线传感器、第四无线传感器、第五无线传感器以及第六无线传感器均为压电式加速度传感器，采用以高输入阻抗运放为核心的信号调理电路，信号调理电路包括第一电阻R11、第一放大器、第二电阻R12、第三电阻R21、第四电阻R31、第五电阻R32、电容、第六电阻R4、第二放大器、第七电阻R5、第八电阻R22、第九电阻R6、热敏电阻PRT1以及第十电阻R23，第一电阻R11一端与电源输入端连接，另一端分别与第一放大器第三端、第二电阻R12连接，第二电阻R12另一端与第三电阻R21连接，第三电阻R21另一端分别与第一放大器第四端、第四电阻R31连接，第四电阻R31另一端与第一放大器第一端连接，第一放大器第一端依次与第五电阻R32、电容连接，电容另一端与第六电阻R4连接，第六电阻R4另一端分别与第二放大器第三端、第七电阻R5连接，第七电阻R5另一端与第八电阻R22连接，第八电阻R22另一端分别与第二放大器第四端、第九电阻R6连接，第九电阻R6另一端与热敏电阻PRT1连接，热敏电阻PRT1另一端分别与第二放大器第一端、第十电阻R23连接，第十电阻R23另一端与输出信号连接。
优选的，所述第一放大器第五端连接电源电压，第二端接地，所述第二放大器第五端连接电源电压，第二端接地。
优选的，所述输入电源为5V。
优选的，所述第一无线传感器、第二无线传感器、第三无线传感器、第四无线传感器、第五无线传感器以及第六无线传感器均包括感应设备或管道振动的三轴压电敏感元件，三轴压电敏感元件上方连接有上盖，上盖内设有锂电池包，锂电池包外周套设有电池盒，电池盒顶部设有置于上盖内的天线板，下部设有与锂电池包电性连接的主板，天线板横铺于电池盒表面，主板横设于锂电池包底部，主板经信号调理电路与三轴压电敏感元件电性连接。
一种基于无线传输的智能振动检测方法，包括：
设备或管道沿线上设置的无线传感器实时采集当前环境下管道的振动信号并通过信号调理电路进行转换；
经信号调理电路转换后输出数据通过Wifi模组发送至手持式测振仪；
手持式测振仪对传感器序列号进行识别，对设备和管道振动变化过程的参数进行分析、显示和记录，并对比预设阀值进行报警；
手持式测振仪通过以太网交换机将数据发送至计算机。
优选的，所述信号调理电路包括设置在设备或管道沿线上的分别对应于X轴、Y轴和Z轴上的压电敏感元件受到振动激励，产生与振动信号成比例的电荷信号，电荷信号经电荷放大电路调理后转化为电压信号，同时采集调理电路抑制噪声并做抗混叠滤波，模拟转换单元(ADC)将接收到的电压信号转换为数字信号后并发送至ARM控制器处。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明设置多个无线传感器，且在单个无线传感器中设置X、Y、Z三轴压电敏感元件，实现多位点、全范围检测管道振动，避免因振动位置死角而导致监测不全面，产生运行风险的问题；
2、本发明中传感器在受到管道振动的振动激励后产生电荷信号，并经调理电路转化为灵敏度高的电压信号，提高管道振动检测的灵敏度，同时依据输出电压信号的变化准备分析出管道振动量，为管道的维护提供有效保障；
3、本发明中传感器采用压电纳米陶瓷工艺制备，并对压电敏感单元采用法拉第屏蔽和对地隔离处理，使传感器免受外部信息干扰，满足三轴宽频响和低噪音的需求。
附图说明
图1是本发明的结构图；
图2是本发明中无线传感器的结构图；
图3是本发明中信号调理电路图；
图4是本发明中无线传感器的结构示意图。
图中：1.三轴压电敏感元件；2.上盖；3.锂电池包；4.电池盒；5.天线板；6.主板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对发明进一步说明：
如图1—图2所示，一种基于无线传输的智能振动检测系统，包括手持式测振仪、信息采集集合以及计算机，所述计算机的以太网口连接以太网交换机，所述以太网交换机端口连接有手持式测振仪，所述信息采集集合通过TCP/IP协议经路由器将采集的信息传递至手持式测振仪，所述信息采集集合包括第一无线传感器、第二无线传感器、第三无线传感器、第四无线传感器、第五无线传感器以及第六无线传感器；
所述第一无线传感器、第二无线传感器、第三无线传感器、第四无线传感器、第五无线传感器以及第六无线传感器内均设有三轴压电敏感元件，所述三轴压电敏感元件分别与电荷放大调理电路相连接，三个所述电荷放大调理电路经采集调理电路与模拟转换单元(ADC)相连接，所述模拟转换单元(ADC)与ARM控制器相连接，所述ARM控制器通过Wifi模组与手持式测振仪相连接，所述ARM控制器上还连接有晶振单元和存储单元；
所述压电敏感元件用于采集管道振动所致的电荷信号，所述电荷放大调理电路用于将压电敏感元件采集的电荷信号调理为电压信号，所述采集调理电路用于抑制噪声并做抗混叠滤波，所述模拟转换单元(ADC)用于将接收到的模拟信号转换为数字信号并发送至ARM控制器，所述手持式测振仪用于信息采集集合和报警阀值的设置，同时对信息采集集合的信息进行分析和处理。
本发明中第一无线传感器、第二无线传感器、第三无线传感器、第四无线传感器、第五无线传感器以及第六无线传感器均采用压电式加速度传感器，利用晶体的正压电效应和惯性机械结构，在管道发生振动后令传感器受到振动激励，产生与振动信号成比例的电荷信号，经内置电荷信号阻抗变换及放大电路，使输出信号灵敏度得到提高，阻抗低为传感器的振动加速度监测提供有利环境，避免mems或电容式传感器检测管道振动，无法满足三轴宽频响和低噪音要求的问题。
本发明中压电式加速度传感器是以高输入阻抗运放为核心的信号调理电路，其中振动原理为：
当被测加速度量经惯性元件加力于压电元件两端时产生电荷量△Q，压电元件两端电容为C，则压电元件两端产生一开路电压△V，根据静电学定律知三者关系为：
△V＝△Q/C
由于电容值较小，故容抗较大，电压△V和电荷△Q都是高阻抗信号，当传感器是带有内装电路的加速度传感器时，高阻抗的电压或电荷信号经内装电路变换，获得低阻抗的电压信号，其低阻抗输出信号可直接进行读数或记录；
压电晶体产生的电荷和加速度a之间的关系为：Q＝d*F＝d*m*a(d：压电常数，m:质量，F：外力)，根据电荷和电压的关系便可以推出加速度和电压的关系，将采集电压换算成采集加速度，关系为：a＝V/K(K为灵敏度)。
现有的管道振动监测中常采用Lorawan、NBIOT、Zigbee、蓝牙以及Wifi，但本发明中同步设置了多个无线传感器，每个无线传感器中还设置了三轴压电敏感元件，因此需进行大数据量实时传输，单个节点三个通道，按最大20k采样率计算，单个节点传输速率大于20k*3*4*8＝1920kbps，因此NBIOT、Lorawan、Zigbee、蓝牙等4种传输技术单节点传输速率都不能满足，能适用的只有wifi传输，6个节点同时传输速率约12Mbps。
所述三轴压电敏感元件分别对应于X轴、Y轴、Z轴三个方向，三轴压电敏感元件为采用纳米陶瓷制成的经法拉第屏蔽和对地隔离处理后的三角剪切型元件。其中，压电敏感元件经陶瓷纳米工艺制备，使其在保持压电陶瓷原有性能参数的前提下，改善其弹性模量和机械强度等力学性能，提高传感单元的宽频率响应特性、线性度以及稳定性，同时因支撑座的应力响应与敏感体敏感方向垂直，故其应力感应很低，温度瞬变响应极小，而采用高比重的合金材料质量块和三角剪切结构，实现微型化敏感单元高谐振频率点和高灵敏度控制，提高传感器的分辨力和谐振率点一致性。
如图3所示，所述第一无线传感器、第二无线传感器、第三无线传感器、第四无线传感器、第五无线传感器以及第六无线传感器均为压电式加速度传感器，采用以高输入阻抗运放为核心的信号调理电路，信号调理电路包括第一电阻R11、第一放大器、第二电阻R12、第三电阻R21、第四电阻R31、第五电阻R32、电容、第六电阻R4、第二放大器、第七电阻R5、第八电阻R22、第九电阻R6、热敏电阻PRT1以及第十电阻R23，所述输入电源为5V，第一电阻R11一端与电源输入端连接，另一端分别与第一放大器第三端、第二电阻R12连接，第二电阻R12另一端与第三电阻R21连接，第三电阻R21另一端分别与第一放大器第四端、第四电阻R31连接，第四电阻R31另一端与第一放大器第一端连接，所述第一放大器第五端连接电源电压，第二端接地，第一放大器第一端依次与第五电阻R32、电容连接，电容另一端与第六电阻R4连接，第六电阻R4另一端分别与第二放大器第三端、第七电阻R5连接，第七电阻R5另一端与第八电阻R22连接，第八电阻R22另一端分别与第二放大器第四端、第九电阻R6连接，所述第二放大器第五端连接电源电压，第二端接地，第九电阻R6另一端与热敏电阻PRT1连接，热敏电阻PRT1另一端分别与第二放大器第一端、第十电阻R23连接，第十电阻R23另一端与输出信号连接。利用热敏电阻对温度起到补偿作用，降低温度变化对信号的影响。
如图4所示，所述第一无线传感器、第二无线传感器、第三无线传感器、第四无线传感器、第五无线传感器以及第六无线传感器均包括感应设备或管道振动的三轴压电敏感元件1，三轴压电敏感元件1上方连接有上盖2，上盖2内设有锂电池包3，锂电池包3外周套设有电池盒4，电池盒4顶部设有置于上盖2内的天线板5，下部设有与锂电池包3电性连接的主板6，天线板5横铺于电池盒4表面，主板6横设于锂电池包3底部，主板经信号调理电路与三轴压电敏感元件电性连接。通过设置上盖2，使主板6免受外部干扰，保证信噪比。
一种基于无线传输的智能振动检测方法，包括：
设备或管道沿线上设置的无线传感器实时采集当前环境下管道的振动信号并通过信号调理电路进行转换；
信号调理电路包括设置在设备或管道沿线上的分别对应于X轴、Y轴和Z轴上的压电敏感元件受到振动激励，产生与振动信号成比例的电荷信号，电荷信号经电荷放大电路调理后转化为电压信号，同时采集调理电路抑制噪声并做抗混叠滤波，模拟转换单元(ADC)将接收到的电压信号转换为数字信号后并发送至ARM控制器处；
ARM控制器将转换后输出信号数据通过Wifi模组发送至手持式测振仪；
手持式测振仪对传感器序列号进行识别，对设备和管道振动变化过程的参数进行分析、显示和记录，并对比预设阀值进行报警；
手持式测振仪通过以太网交换机将数据发送至计算机。
通过以上设计，将本发明应用于电厂设备和管道的振动监测以及阀值预警，同时为电厂运行人员对设备和管道振动状态的评估提供有效分析信息基础，保证电厂设备的有效运行，降低因管道故障等产生的维修需求。
综上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。
Claims (9)
1.一种基于无线传输的智能振动检测系统，其特征在于：包括手持式测振仪、信息采集集合以及计算机，所述计算机的以太网口连接以太网交换机，所述以太网交换机端口连接有手持式测振仪，所述信息采集集合通过TCP/IP协议经路由器将采集的信息传递至手持式测振仪，所述信息采集集合包括第一无线传感器、第二无线传感器、第三无线传感器、第四无线传感器、第五无线传感器以及第六无线传感器；
所述第一无线传感器、第二无线传感器、第三无线传感器、第四无线传感器、第五无线传感器以及第六无线传感器内均设有三轴压电敏感元件，所述三轴压电敏感元件分别与电荷放大调理电路相连接，三个所述电荷放大调理电路经采集调理电路与模拟转换单元(ADC)相连接，所述模拟转换单元(ADC)与ARM控制器相连接，所述ARM控制器通过Wifi模组与手持式测振仪相连接，所述ARM控制器上还连接有晶振单元和存储单元；
所述压电敏感元件用于采集管道振动所致的电荷信号，所述电荷放大调理电路用于将压电敏感元件采集的电荷信号调理为电压信号，所述采集调理电路用于抑制噪声并做抗混叠滤波，所述模拟转换单元(ADC)用于将接收到的模拟信号转换为数字信号并发送至ARM控制器，所述手持式测振仪用于信息采集集合和报警阀值的设置，同时对信息采集集合的信息进行分析和处理。
2.根据权利要求1所述基于无线传输的智能振动检测系统，其特征在于：所述三轴压电敏感元件分别对应于X轴、Y轴、Z轴三个方向。
3.根据权利要求2所述基于无线传输的智能振动检测系统，其特征在于：所述三轴压电敏感元件为采用纳米陶瓷制成的经法拉第屏蔽和对地隔离处理后的三角剪切型元件。
4.根据权利要求1所述基于无线传输的智能振动检测系统，其特征在于：所述第一无线传感器、第二无线传感器、第三无线传感器、第四无线传感器、第五无线传感器以及第六无线传感器均为压电式加速度传感器，采用以高输入阻抗运放为核心的信号调理电路，信号调理电路包括第一电阻R11、第一放大器、第二电阻R12、第三电阻R21、第四电阻R31、第五电阻R32、电容、第六电阻R4、第二放大器、第七电阻R5、第八电阻R22、第九电阻R6、热敏电阻PRT1以及第十电阻R23，第一电阻R11一端与电源输入端连接，另一端分别与第一放大器第三端、第二电阻R12连接，第二电阻R12另一端与第三电阻R21连接，第三电阻R21另一端分别与第一放大器第四端、第四电阻R31连接，第四电阻R31另一端与第一放大器第一端连接，第一放大器第一端依次与第五电阻R32、电容连接，电容另一端与第六电阻R4连接，第六电阻R4另一端分别与第二放大器第三端、第七电阻R5连接，第七电阻R5另一端与第八电阻R22连接，第八电阻R22另一端分别与第二放大器第四端、第九电阻R6连接，第九电阻R6另一端与热敏电阻PRT1连接，热敏电阻PRT1另一端分别与第二放大器第一端、第十电阻R23连接，第十电阻R23另一端与输出信号连接。
5.根据权利要求4所述基于无线传输的智能振动检测系统，其特征在于：所述第一放大器第五端连接电源电压，第二端接地，所述第二放大器第五端连接电源电压，第二端接地。
6.根据权利要求4所述基于无线传输的智能振动检测系统，其特征在于：所述输入电源为5V。
7.根据权利要求1所述基于无线传输的智能振动检测系统，其特征在于：所述第一无线传感器、第二无线传感器、第三无线传感器、第四无线传感器、第五无线传感器以及第六无线传感器均包括感应设备或管道振动的三轴压电敏感元件，三轴压电敏感元件上方连接有上盖，上盖内设有锂电池包，锂电池包外周套设有电池盒，电池盒顶部设有置于上盖内的天线板，下部设有与锂电池包电性连接的主板，天线板横铺于电池盒表面，主板横设于锂电池包底部，主板经信号调理电路与三轴压电敏感元件电性连接。
8.一种基于无线传输的智能振动检测方法，包括：
设备或管道沿线上设置的无线传感器实时采集当前环境下管道的振动信号并通过信号调理电路进行转换；
经信号调理电路转换后输出数据通过Wifi模组发送至手持式测振仪；
手持式测振仪对传感器序列号进行识别，对设备和管道振动变化过程的参数进行分析、显示和记录，并对比预设阀值进行报警；
手持式测振仪通过以太网交换机将数据发送至计算机。
9.根据权利要求8所述基于无线传输的智能振动检测方法，其特征在于：所述信号调理电路包括设置在设备或管道沿线上的分别对应于X轴、Y轴和Z轴上的压电敏感元件受到振动激励，产生与振动信号成比例的电荷信号，电荷信号经电荷放大电路调理后转化为电压信号，同时采集调理电路抑制噪声并做抗混叠滤波，模拟转换单元(ADC)将接收到的电压信号转换为数字信号后并发送至ARM控制器处。
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| CN202111517346.5A CN114199490A (zh) | 2021-12-13 | 2021-12-13 | 基于无线传输的智能振动检测系统及检测方法 |
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| CN202111517346.5A CN114199490A (zh) | 2021-12-13 | 2021-12-13 | 基于无线传输的智能振动检测系统及检测方法 |
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| CN202111517346.5A Pending CN114199490A (zh) | 2021-12-13 | 2021-12-13 | 基于无线传输的智能振动检测系统及检测方法 |
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2021
- 2021-12-13 CN CN202111517346.5A patent/CN114199490A/zh active Pending
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