CN114295198A - 一种智能振动传感器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能振动传感器及其控制方法，包括压电转换模块，用于接收机械振动，并转化为电荷信号；信号调理模块，用于对电荷信号调整，得到滤波信号；模数转换模块，用于对滤波信号模数转换，得到数字信号；数据处理模块，包括：运算单元，用于根据信号处理函数依次对数字信号进行加窗运算和快速傅里叶变换，得到初始频谱；幅值修正单元，用于对初始频谱的幅值进行修正，得到修正频谱；加速度计算单元，用于根据修正频谱的幅值和预先获取的压电转换模块的灵敏度计算得到振动加速度；频谱生成单元，用于根据振动加速度的幅值和修正频谱的频率生成加速度频谱。本发明提升智能振动传感器集成度。

Description

一种智能振动传感器及其控制方法

技术领域

本发明涉及振动传感器技术领域，尤其涉及一种智能振动传感器及其控制方法。

背景技术

智能传感器(intelligent sensor)是具有信息处理功能的传感器，智能传感器带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。与一般传感器相比，智能传感器具有以下三个优点：(1)通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低；(2)具有一定的编程自动化能力；(3)功能多样化。振动传感器是测试技术中的关键组件之一，振动传感器的原理是接收机械量并将其转换成与之成比例的电量。智能振动传感器就是能够进行数据采集、数据转换处理、数据交换的振动传感器。目前，现有的智能振动传感器一般需要通过外部的信号采集电路采集振动信号，还需要通过外部控制设备对智能振动传感器输出的频谱进行计算处理，当多个智能振动传感器同时需要外部控制设备对频谱进行计算处理时，容易造成外部控制设备数据处理负载过大，对外部控制设备的数据处理性能要求较高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种智能振动传感器及其控制方法，用于提高智能振动传感器集成度，减少外部控制设备运算量。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种智能振动传感器，包括：

压电转换模块，用于接收来自待测物体的机械振动，并将所述机械振动转化为电荷信号；

信号调理模块，连接所述压电转换模块，用于对所述电荷信号进行信号调整，得到滤波信号；

模数转换模块，连接所述信号调理模块，用于对所述滤波信号进行模数转换，得到数字信号；

数据处理模块，连接所述模数转换模块，包括：

存储单元，用于预先存储信号处理函数，以及保存所述数字信号；

运算单元，连接所述存储单元，用于根据所述信号处理函数依次对所述数字信号进行加窗运算和快速傅里叶变换，得到初始频谱；

幅值修正单元，连接所述运算单元，用于对所述初始频谱的幅值进行修正，得到修正频谱；

加速度计算单元，连接所述幅值修正单元，用于根据所述修正频谱的幅值和预先获取的所述压电转换模块的灵敏度计算得到振动加速度的幅值；

频谱生成单元，分别连接所述加速度计算单元和所述幅值修正单元，用于根据所述振动加速度的幅值和所述修正频谱的频率生成加速度频谱，所述待测物体的不同部件预先关联有相应的所述修正频谱的频率；

外部控制终端，连接所述数据处理模块，用于根据所述加速度频谱对所述待测物体的不同所述部件进行监测。

进一步地，所述信号处理函数包含有汉宁窗库函数和快速傅里叶变换库函数，则所述运算单元包括：

第一运算子单元，用于根据所述汉宁窗库函数对所述数字信号进行加窗运算，得到加窗信号；

第二运算子单元，连接所述第一运算子单元，用于根据所述快速傅里叶变换库函数对所述加窗信号进行快速傅里叶变换运算，得到所述初始频谱。

进一步地，所述幅值修正单元包括：

第一修正子单元，用于调用所述初始频谱中的各个频谱幅值，并将所述初始频谱中的各个频谱幅值除以相应所述加窗信号的数据长度的一半，得到若干中间数据；

第二修正子单元，连接所述第一修正子单元，用于将各所述中间数据乘以二，得到相应的修正数据，并根据各所述修正数据形成所述修正频谱。

进一步地，所述压电转换模块为压电陶瓷。

进一步地，所述压电陶瓷的灵敏度配置为100mV/g，其中mV用于表示电压单位毫伏，g用于表示加速度。

进一步地，所述数据处理模块还包括通讯单元，连接所述频谱生成单元，所述通讯单元用于通过串口通讯接口将所述加速度频谱发送至所述外部控制终端。

进一步地，所述信号调理模块包括：

电荷放大单元，用于对所述电荷信号进行放大并转换为电压信号；

滤波单元，连接所述电荷放大单元，用于对所述电压信号进行限频滤波处理，得到所述滤波信号。

进一步地，所述电荷放大单元为电荷放大器，所述滤波单元为抗混滤波器。

一种智能振动传感器的控制方法，应用于上述的智能振动传感器，包括：

步骤S1，压电转换模块接收来自待测物体的机械振动，并将所述机械振动转化为电荷信号；

步骤S2，信号调理模块对所述电荷信号进行信号调整，得到滤波信号；

步骤S3，模数转换模块对所述滤波信号进行模数转换，得到数字信号；

步骤S4，数据处理模块根据预存的信号处理函数依次对所述数字信号进行加窗运算和快速傅里叶变换，得到初始频谱，并对所述初始频谱的幅值进行修正，得到修正频谱，进而根据所述修正频谱的幅值和预先获取的所述压电转换模块的灵敏度计算得到振动加速度的幅值，最终根据所述振动加速度的幅值和所述修正频谱的频率生成一加速度频谱；

步骤S5，外部控制终端根据所述加速度频谱对所述待测物体的不同所述部件进行监测。

进一步地，所述步骤S2包括：

步骤S21，信号调理模块对所述电荷信号进行放大并转换为电压信号；

步骤S22，信号调理模块对所述电压信号进行限频滤波处理，得到所述滤波信号。

本发明的有益效果：

本发明将压电转换模块和数据处理模块集成设置在智能振动传感器的内部，并在智能振动传感器的内部实现了对频谱的分析运算过程，有效降低了外部控制终端的运算量，同时实现了对机械振动的采集以及对数据的传输，有效提高了智能振动传感器的集成度，避免额外配备采集设备、数据传输设备，降低了使用成本。

附图说明

图1是本发明中智能振动传感器的结构示意图；

图2是本发明中运算单元的结构示意图；

图3是本发明中幅值修正单元的结构示意图；

图4是本发明中智能振动传感器的控制方法的步骤流程图；

图5是本发明中智能振动传感器的控制方法的步骤子流程图。

附图标记：1、压电转换模块；2、信号调理模块；21、电荷放大单元；22、滤波单元；3、模数转换模块；4、数据处理模块；41、存储单元；42、运算单元；421、第一运算子单元；422、第二运算子单元；43、幅值修正单元；431、第一修正子单元；432、第二修正子单元；44、加速度计算单元；45、频谱生成单元；46、通讯单元；5、外部控制终端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1所示，本实施例的一种智能振动传感器，包括：

压电转换模块1，用于接收来自待测物体的机械振动，并将机械振动转化为电荷信号；

信号调理模块2，连接压电转换模块1，用于对电荷信号进行信号调整，得到滤波信号；

模数转换模块3，连接信号调理模块2，用于对滤波信号进行模数转换，得到数字信号；

数据处理模块4，连接模数转换模块3，包括：

存储单元41，用于预先存储信号处理函数，以及保存数字信号；

运算单元42，连接存储单元41，用于根据信号处理函数依次对数字信号进行加窗运算和快速傅里叶变换，得到初始频谱；

幅值修正单元43，连接运算单元42，用于对初始频谱的幅值进行修正，得到修正频谱；

加速度计算单元44，连接幅值修正单元43，用于根据修正频谱的幅值和预先获取的压电转换模块1的灵敏度计算得到振动加速度的幅值；

频谱生成单元45，分别连接加速度计算单元44和幅值修正单元43，用于根据振动加速度的幅值和修正频谱的频率生成加速度频谱，待测物体的不同部件预先关联有相应的修正频谱的频率；

外部控制终端5，连接数据处理模块4，用于根据加速度频谱对待测物体的不同部件进行监测。

具体地，本实施例中，外部控制终端5可以为可编程逻辑控制器，数据处理模块4可以为微处理器，更进一步的，该微处理器可以为单片机芯片，存储单元41可以为单片机芯片的内存。

本技术方案将压电转换模块1和数据处理模块4集成设置在智能振动传感器的内部，在智能振动传感器的内部实现了对频谱的分析运算过程，有效降低了外部控制终端5的运算量，同时实现了对机械振动的采集以及对数据的传输，有效提高了智能振动传感器的集成度，避免额外配备采集设备、数据传输设备，降低了使用成本。

优选的，信号处理函数包含有汉宁窗库函数和快速傅里叶变换库函数，如图2所示，则运算单元42包括：

第一运算子单元421，用于根据汉宁窗库函数对数字信号进行加窗运算，得到加窗信号；

第二运算子单元422，连接第一运算子单元421，用于根据快速傅里叶变换库函数对加窗信号进行快速傅里叶变换运算，得到初始频谱。

具体地，本实施例中，信号处理函数可以为CMSIS信号处理库函数，该CMSIS信号处理库函数中包含有汉宁窗库函数和快速傅里叶变换库函数。

优选的，如图3所示，幅值修正单元43包括：

第一修正子单元431，用于调用初始频谱中的各个频谱幅值，并将初始频谱中的各个频谱幅值除以相应加窗信号的数据长度的一半，得到若干中间数据；

第二修正子单元432，连接第一修正子单元431，用于将各中间数据乘以二，得到相应的修正数据，并根据各修正数据形成修正频谱。

具体地，本实施例中，当加窗信号的数据长度为1024时，第一修正子单元431将该加窗信号经过快速傅里叶变换运算后生成的初始频谱的幅值除以512，得到中间数据，第二修正子单元432将该中间数据乘以二，得到修正数据。

优选的，压电转换模块1为压电陶瓷。

优选的，压电陶瓷的灵敏度配置为100mV/g，其中mV用于表示电压单位毫伏，g用于表示加速度。

具体地，本实施例中，修正频谱的幅值除以压电陶瓷的灵敏度得到振动加速度。

优选的，数据处理模块4还包括通讯单元46，连接频谱生成单元45，通讯单元46用于通过串口通讯接口将加速度频谱发送至外部控制终端5。

具体地，本实施例中，该串口通讯接口可以为UART串口通讯接口。通讯单元46通过RS485电路和RS485通讯协议将加速度频谱发送至外部控制终端5。

优选的，信号调理模块2包括：

电荷放大单元21，用于对电荷信号进行放大并转换为电压信号；

滤波单元22，连接电荷放大单元21，用于对电压信号进行限频滤波处理，得到滤波信号。

具体地，本实施例中，电荷放大单元21为电荷放大器，滤波单元22为抗混滤波器。

一种智能振动传感器的控制方法，应用于上述的智能振动传感器，如图4所示，包括：

步骤S1，压电转换模块1接收来自待测物体的机械振动，并将机械振动转化为电荷信号；

步骤S2，信号调理模块2对电荷信号进行信号调整，得到滤波信号；

步骤S3，模数转换模块3对滤波信号进行模数转换，得到数字信号；

步骤S4，数据处理模块4根据预存的信号处理函数依次对数字信号进行加窗运算和快速傅里叶变换，得到初始频谱，并对初始频谱的幅值进行修正，得到修正频谱，进而根据修正频谱的幅值和预先获取的压电转换模块1的灵敏度计算得到振动加速度的幅值，最终根据振动加速度的幅值和修正频谱的频率生成加速度频谱；

步骤S5，外部控制终端5根据加速度频谱对待测物体的不同部件进行监测。

优选的，如图5所示，步骤S2包括：

步骤S21，信号调理模块2对电荷信号进行放大并转换为电压信号；

步骤S22，信号调理模块2对电压信号进行限频滤波处理，得到滤波信号。

工作原理：

压电陶瓷接收来自待测物体的机械振动，并将机械振动转换为电荷信号。信号调理模块2包括电荷放大器和抗混滤波器，首先电荷放大器对电荷信号进行放大并将其转换为电压信号，并发送至抗混滤波器，抗混滤波器对电压信号进行限频滤波处理，使得电压信号的频宽被限制过滤，形成滤波信号。滤波信号输入至模数转换模块3，模数转换模块3对滤波信号进行模拟量和数字量的转换，形成数字信号，并发送至单片机芯片。单片机芯片首先将数字信号保存在内存中，内存中还预存有CMSIS信号处理库函数。单片机芯片调用CMSIS信号处理库函数对数字信号进行加窗运算和快速傅里叶变换，得到初始频谱；并对初始频谱的幅值进行修正，得到修正频谱，进而根据修正频谱的幅值除以压电陶瓷的灵敏度计算得到振动加速度的幅值，最终根据振动加速度的幅值和修正频谱的频率生成加速度频谱。加速度频谱是一个横坐标为修正频谱的频率、纵坐标为振动加速度的幅值的图。待测在工作时的振动加速度有各种频率成分，而加速度频谱就是把这些成分通过傅里叶变换分离出来，不同的频率对应不同的部件。外部控制终端5在接收到加速度频谱后就可以根据各部件的频率在该加速度频谱中对应的振动加速度的幅值来判断该部件是否受损。部件在标准频率下对应的振动加速度的幅值为标准幅值；当部件的当前频率在加速度频谱中的振动加速度的幅值大于标准幅值时，则表明该部件受损。实现对各部件的监测。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种智能振动传感器，其特征在于，包括：

压电转换模块(1)，用于接收来自待测物体的机械振动，并将所述机械振动转化为电荷信号；

信号调理模块(2)，连接所述压电转换模块(1)，用于对所述电荷信号进行信号调整，得到滤波信号；

模数转换模块(3)，连接所述信号调理模块(2)，用于对所述滤波信号进行模数转换，得到数字信号；

数据处理模块(4)，连接所述模数转换模块(3)，包括：

存储单元(41)，用于预先存储信号处理函数，以及保存所述数字信号；

运算单元(42)，连接所述存储单元(41)，用于根据所述信号处理函数依次对所述数字信号进行加窗运算和快速傅里叶变换，得到初始频谱；

幅值修正单元(43)，连接所述运算单元(42)，用于对所述初始频谱的幅值进行修正，得到修正频谱；

加速度计算单元(44)，连接所述幅值修正单元(43)，用于根据所述修正频谱的幅值和预先获取的所述压电转换模块(1)的灵敏度计算得到振动加速度的幅值；

频谱生成单元(45)，分别连接所述加速度计算单元(44)和所述幅值修正单元(43)，用于根据所述振动加速度的幅值和所述修正频谱的频率生成加速度频谱，所述待测物体的不同部件预先关联有相应的所述修正频谱的频率；

外部控制终端(5)，连接所述数据处理模块(4)，用于根据所述加速度频谱对所述待测物体的不同所述部件进行监测。

2.根据权利要求1所述的智能振动传感器，其特征在于：所述信号处理函数包含有汉宁窗库函数和快速傅里叶变换库函数，则所述运算单元(42)包括：

第一运算子单元(421)，用于根据所述汉宁窗库函数对所述数字信号进行加窗运算，得到加窗信号；

第二运算子单元(422)，连接所述第一运算子单元(421)，用于根据所述快速傅里叶变换库函数对所述加窗信号进行快速傅里叶变换运算，得到所述初始频谱。

3.根据权利要求2所述的智能振动传感器，其特征在于：所述幅值修正单元(43)包括：

第一修正子单元(431)，用于调用所述初始频谱中的各个频谱幅值，并将所述初始频谱中的各个频谱幅值除以相应所述加窗信号的数据长度的一半，得到若干中间数据；

第二修正子单元(432)，连接所述第一修正子单元(431)，用于将各所述中间数据乘以二，得到相应的修正数据，并根据各所述修正数据形成所述修正频谱。

4.根据权利要求1所述的智能振动传感器，其特征在于：所述压电转换模块(1)为压电陶瓷。

5.根据权利要求4所述的智能振动传感器，其特征在于：所述压电陶瓷的灵敏度配置为100mV/g，其中mV用于表示电压单位毫伏，g用于表示加速度。

6.根据权利要求1所述的智能振动传感器，其特征在于：所述数据处理模块(4)还包括通讯单元(46)，连接所述频谱生成单元(45)，所述通讯单元(46)用于通过串口通讯接口将所述加速度频谱发送至所述外部控制终端(5)。

7.根据权利要求1所述的智能振动传感器，其特征在于：所述信号调理模块(2)包括：

电荷放大单元(21)，用于对所述电荷信号进行放大并转换为电压信号；

滤波单元(22)，连接所述电荷放大单元(21)，用于对所述电压信号进行限频滤波处理，得到所述滤波信号。

8.根据权利要求7所述的智能振动传感器，其特征在于：所述电荷放大单元(21)为电荷放大器，所述滤波单元(22)为抗混滤波器。

9.一种智能振动传感器的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-8中任意一项所述的智能振动传感器，包括：

步骤S1，压电转换模块(1)接收来自待测物体的机械振动，并将所述机械振动转化为电荷信号；

步骤S2，信号调理模块(2)对所述电荷信号进行信号调整，得到滤波信号；

步骤S3，模数转换模块(3)对所述滤波信号进行模数转换，得到数字信号；

步骤S4，数据处理模块(4)根据预存的信号处理函数依次对所述数字信号进行加窗运算和快速傅里叶变换，得到初始频谱，并对所述初始频谱的幅值进行修正，得到修正频谱，进而根据所述修正频谱的幅值和预先获取的所述压电转换模块(1)的灵敏度计算得到振动加速度的幅值，最终根据所述振动加速度的幅值和所述修正频谱的频率生成加速度频谱；

步骤S5，外部控制终端(5)根据所述加速度频谱对所述待测物体的不同所述部件进行监测。

10.根据权利要求9所述的智能振动传感器，其特征在于：所述步骤S2包括：

步骤S21，信号调理模块(2)对所述电荷信号进行放大并转换为电压信号；

步骤S22，信号调理模块(2)对所述电压信号进行限频滤波处理，得到所述滤波信号。

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