CN115436803A - 基于高次谐波电磁辐射的电机运行状态检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于高次谐波电磁辐射的电机运行状态检测装置及方法，采样天线的垂直90度方向设置比较天线，采样天线采集电机电磁信号后经过信号调理器将非接触和接触两种信号的电平转化为mV级别，与比较天线接收的环境背景电磁辐射信号一同进入到短波收音机中，进行解调、差分耦合，将变成模拟声音信号，经过功率放大器输出给喇叭产生特定频率的声音提示，根据声音的音调和大小，定性且直观的了解电机的通断和转速变化；或者短波收音机将信号输入嵌入式单片机进行运算，一部分通过模数转换器转变为数字信号，输送给液晶显示屏进行频率、强度参数显示；另一部分通过无线发射器，使用WIFI、蓝牙上传给质检平台，或连接无线耳机使用。

Description

基于高次谐波电磁辐射的电机运行状态检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种电机运行状态检测装置，尤其是一种基于高次谐波电磁辐射的电机运行状态检测装置及方法。

背景技术

目前，电机试验中一般会采用专业的试验系统或者DCS系统等进行各类参数指标的检测，电机维保和检修等过程中使用各类电压、电流、电阻表或者传感器等，不仅设备繁多、切换频繁、使用不便，而且大多需要将测量仪表和传感器等接入电机驱动或者控制系统中，需要人工装拆电线、传感器和芯片等，操作复杂、检测效率低，而且可能会破坏电机原来的使用环境，造成故障分析不准确，引入其他不稳定因素等问题；另一方面，目前比较先进的电机远程运维系统由于成本较高的原因，总体安装的比例比较低，尤其是对常规电机的普及程度远远不够。因此亟需一种不需要拆解电机，非接触(或者外表接触)即可快速确定电机运行状态的便携式手持诊断装置。

在工业和生活环境中，设备的电机通电运作，尤其是采用变频或者PWM驱动控制时，线圈中的电流不仅会产生交变磁场，也会向外发射电磁辐射，经常会对收音机信号产生干扰，一般情况下都会主动避免这种情况，采用屏蔽或者远离等方法，防止电机对收音机产生干扰和噪音。

本发明却使用逆向思维，利用这一特性，来实现非接触式的检测电机运行情况。当然在实际工业应用中，仅仅使用普通的收音机电路是无法满足设备检测要求的精度和区分度的，因此创新的设计了“双定向天线差分耦合识别”方法和装置，并利用电磁辐射的傅里叶级数展开的倍频原理，采集更高频率的电磁谐波信号，避免周围环境导致的电磁噪声信号湮没，进一步缩小检测范围、提高检测的准确度。

发明内容

本发明是要提出一种基于高次谐波电磁辐射的电机运行状态检测装置及方法，在电机试验、维保和检修等场景中，无需拆解就能快速确定运行状态，提高工作效率，减少检测工作量；该装置为便携式手持诊断装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于高次谐波电磁辐射的电机运行状态检测装置，包括采样天线、比较天线，所述采样天线的垂直90度方向，设置一个用于接收环境背景电磁辐射信号的比较天线，所述采样天线采集电机电磁信号后经过信号调理器将非接触和接触两种信号的电平转化为mV级别，然后再和比较天线接收的环境背景电磁辐射信号一同进入到短波收音机中，进行解调、差分耦合，将高次谐波信号采集点变成模拟声音信号，经过功率放大器输出给喇叭产生特定频率的声音提示，根据声音的音调和大小，定性且直观的了解电机的通断和转速变化；或者短波收音机将信号输入嵌入式单片机进行运算，一部分通过模数转换器转变为数字信号，输送给液晶显示屏进行频率、强度参数显示；另一部分通过无线发射器，使用WIFI、蓝牙上传给质检平台，或连接无线耳机使用。

进一步，所述比较天线与采样天线的参数相同，包括固定频率、信号增益和定向角度。

进一步，所述电机运行状态检测装置还包括：

前外壳和后外壳；

主显示屏，为数字显示区域，用于显示信号强度、信号频率，或根据电机参数特性，经过计算后输出电机状态参数；

显示屏，为模拟显示区域，定性显示信号强度或电压高低；

副取消键和确认键，配合显示屏触控使用，用于切换各种功能，提升使用的稳定性；

电源开关，为检测装置的总电源开关；

喇叭罩，开孔释放声音；

调频旋钮，通过旋转来调节采样频率；

增益旋钮，调节信噪比和声音大小。

进一步，所述前外壳和后外壳采用工程塑料、橡胶或除了工程塑料、橡胶外的非金属材料，用于防止比较天线接收不到外部信号。

进一步，所述前外壳和后外壳通过固定螺丝连接整体壳体，整体壳体后面上设置电池盖方便更换电池，上下设置后出音孔及倒向孔，下方设置数据和充电口。

进一步，所述数据和充电口作为USB有线数据传输的接口，同时对可充锂电池进行充电。

一种基于高次谐波电磁辐射的电机运行状态检测方法，采用基于高次谐波电磁辐射的电机运行状态检测装置，首先，在工业环境中，将采样天线和比较天线接近运转中的被测量电机，所获得的采样天线和比较天线的各个频率的采样信号通过逻辑电路将两个信号同相位进行差分比较，在采样天线频谱对应频率上减去比较天线频谱的幅值，得到差分耦合频谱，其中幅值最大的差分耦合电压识别点，即是电机运转最相关的信号点。

进一步，上述过程中，移动检测装置，进一步检查是否有相近电机的干扰信号存在；并选择频率更高的短波频率区，利用通断型阶跃信号电磁辐射在对应傅里叶整数级级数上展开的倍频采样原理，采集更高频率、次信号幅值的高次谐波信号采集点，避开无线电噪声区。

进一步，在室内使用时，选择在无线电噪声截止频率以上的无线电静默区。

进一步，在户外场使用时，采样天线顶端设置金属导电材质，或直接接触电机的金属裸露部分，通过检测装置和电机外壳电位的方法直接测量电机的电磁信号，达到不拆解电机就了解电机运行状态的功能。

本发明的有益效果是：

本发明创新的设计了“双定向天线差分耦合识别”装置及方法，并利用电磁辐射的傅里叶级数展开的倍频原理，采集更高频率的电磁谐波信号，避免周围环境导致的电磁噪声信号湮没，进一步缩小检测范围、提高检测的准确度。

在此核心原理的基础上通过一系列电路和嵌入式系统，能够更加直观显示检测数据，手持式的设计方便移动使用，同时可以将数据通过WIFI、蓝牙等上传质检数字化平台，连线作为边缘传感器使用，进一步集成装置的功能，同时，本发明不采用专业且昂贵的频谱分析仪装置，产品成本也将十分低廉，适合普及使用。

附图说明

图1是双定向天线差分耦合识别原理图；

图1中：M-运转的电机,T-电磁场辐射示意,A1-采样天线,A2-比较天线；图2是差分耦合识别频谱示意图；

图2中：C-A1-采样天线频谱,C-A2-比较天线频谱,ΔU-peak-差分耦合电压识别点；

图3是电磁辐射傅里叶级数展开倍频原理图；

图3中：ΔU-peak-差分耦合电压识别点,Uac-高次谐波信号采集点,LW-长波频率区,MW-中波频率区,SW-短波频率区,noise zone-无线电噪声区,clean zone-无线电静默区,F0-无线电噪声截止频率；

图4是检测装置内部结构原理图；

图4中：A1-采样天线,A2-比较天线,B-信号调理器,C-短波收音机,D-功率放大器,E-可充锂电池,F-数据和充电口,G-喇叭,H-液晶显示屏,J-模数转换器,K-嵌入式单片机,L-无线发射器；

图5是检测装置外部结构原理图；

图5中：(a)为正面，(b)为反面；1-采样天线A1,2-主显示屏,3-副显示屏,4-取消键,5-电源开关6-喇叭罩,7-调频旋钮,8-增益旋钮,9-确认键,10-前外壳,11-固定螺丝,12-电池盖,13-后外壳,14-数据和充电口F,15-后出音孔及倒向孔。

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。

本发明创新的设计了“双定向天线差分耦合识别”装置及方法，如图1所示，在工业环境中，利用设备的采样天线A1接近运转中的被测量电机M，此时电机M会向外发射电磁场辐射T，由于采样天线A1与电磁场辐射T平行，因此电磁感应强度最大，信号接收效果最好。但是此时，空气中布满了其他设备、广播电台和宇宙天体的电磁辐射，为了提高采样的对比度和准确度，在采样天线A1的垂直90度方向，设置了一个比较天线A2，比较天线A2参数与采样天线A1完全一致，包括固定频率、信号增益和定向角度等，用于接收环境背景电磁辐射，由于其90度的布置，比较天线A2对于电机M电磁场辐射会最小，为后续差分耦合识别作为信号区分的基础。

当获得了采样天线A1和比较天线A2的各个频率的采样信号后，通过逻辑电路将两个信号同相位进行差分比较，如图2所示，在采样天线频谱C-A1对应频率上减去比较天线频谱C-A2的幅值，就能得到途中阴影部分所示的差分耦合频谱，其中幅值最大的差分耦合电压识别点ΔU-peak就是和电机M运转最相关的信号点。需要指出的是，这个差分耦合电压识别点ΔU-peak或许存在出现多个的可能性，此时需要移动检测设备，进一步检查是否有相近电机的干扰信号存在，比如主驱动电机内部还有独立的散热风扇或者供油供水辅助电机等。

由于电机的输入电流频率一般都较低，即便是极对数较多的大型电机，其电磁辐射频率也在3000KHz以内，如图3所示，在此频率范围内，恰好是长波频率区LW和中波频率区MW，这也是为什么电机运转对于收音机干扰较大的原因。长波频率区LW由于频率低、波长较长，极易发生地面波衍射，检测距离太远不具备区分度被排除。所以一开始试验时，首先选取了中波频率区MW，差分耦合电压识别点ΔU-peak信号强度是最高的，最有利于信号采集，但是经过多次试验后，发现此段频率太容易受广播信号的影响，尤其是电台比较接近时，在某些测量方向上电台信号已强于电机信号，导致双定向天线差分耦合识别方法失效，无法准确测量电机电磁场辐射。此时，为了更好的适用性，本发明选择了频率更高的短波频率区SW，利用通断型阶跃信号电磁辐射可以在对应傅里叶整数级级数上展开的倍频采样原理，采集更高频率、次信号幅值的高次谐波信号采集点Uac，避开无线电噪声区noise zone，对于室内使用来说，短波经过电离层反射后不容易穿透建筑物，因此选择在无线电噪声截止频率F0以上的无线电静默区clean zone，此时信号幅值虽不是最大，但是信噪比最强，有利于进一步缩小检测范围、提高检测的准确度，频率更高时虽然干扰变小，但是电机辐射信号也指数级减小，仍不利于增加检测的对比度。当然，在户外使用时，该方法可能会受短波电台和宇宙辐射的干扰和影响，但总体来说已经是相对较好的技术路线选择。而且，在户外场景中，提供了另一解决思路，采样天线A1顶端设计为金属导电材质，必要时可以直接接触电机的金属裸露部分，通过检测装置和电机外壳等电位的方法直接测量电机的电磁信号，也可以达到不拆解电机就了解电机运行状态的功能。

在此核心原理的基础上通过一系列电路和嵌入式系统，能够更加直观显示检测数据，手持式的设计方便移动使用，同时可以将数据通过WIFI、蓝牙等上传质检数字化平台，连线作为边缘传感器使用，进一步集成装置的功能，图4为一典型的检测装置内部结构原理，采样天线A1采集电机电磁信号后经过信号调理器B将非接触和接触两种信号的电平都进行转化为mV级别，然后再和比较天线A2一同进入到短波收音机C中，进行解调、差分耦合等，将高次谐波信号采集点Uac变成模拟声音信号，对于模拟信号部分，经过功率放大器D输出给喇叭G可以产生特定频率的声音提示，根据声音的音调和大小，定性且直观的了解电机的通断和转速变化，适用于经验丰富的技师；对于数字信号部分，收音机信号进入嵌入式单片机K进行运算，其中主要部分通过模数转换器J转变为数字信号，输送给液晶显示屏H进行频率、强度等参数显示，另一部分则通过无线发射器L，使用WIFI、蓝牙等上传给质检平台，也可以连接无线耳机使用，更加适合新手和定量检测使用。其中数据和充电口F也可作为USB有线数据传输的接口，同时对可充锂电池E进行充电，而可充锂电池E则对其他各个模块进行供电。其中：电路和嵌入式系统为现有技术。

在检测装置的外部结构设计中，如图5的(a)，(b)所示，采样天线1或A1外露，便于接触测量和非接触测量两用，主显示屏2为数字显示区域，主要显示信号强度、信号频率等参数，也可以根据电机参数特性，经过计算后输出电机状态参数，比如通断、转速、加速度、功率等，副显示屏3为模拟显示区域，定性显示信号强度或电压高低等。取消键4和确认键9，可以配合显示屏触控使用，用于切换各种功能，提升工业使用的稳定性。电源开关5为检测装置的总电源开关，喇叭罩6开孔释放声音，调频旋钮7可以通过旋转来调节采样频率，典型的数值为3-30MHz，增益旋钮8可以调节信噪比和声音大小，前外壳10和后外壳13应采用工程塑料、橡胶或其他非金属材料，防止比较天线A2接收不到外部信号，其通过固定螺丝11连接，装置反面设置电池盖12方便更换电池，上下设置后出音孔及倒向孔15，数据和充电口14可设在下方，外部零件应具备一定的防水、防摔和防尘特性，以适应工业和户外高强度使用。

本发明的变化例：

1)除手持式以外，采用台式、机柜式或作为某个系统的一部分使用；

2)采用2个及以上类似比较天线的方式；

3)采用白炽灯、荧光灯、LED灯和激光灯等方式进行显示的。

Claims (10)

1.一种基于高次谐波电磁辐射的电机运行状态检测装置，其特征在于：包括采样天线(A1)、比较天线(A2)，所述采样天线(A1)的垂直90度方向，设置一个用于接收环境背景电磁辐射信号的比较天线(A2)，所述采样天线(A1)采集电机电磁信号后经过信号调理器(B)将非接触和接触两种信号的电平转化为mV级别，再和比较天线(A2)接收的环境背景电磁辐射信号一同进入到短波收音机(C)中，进行解调、差分耦合，将高次谐波信号采集点(Uac)变成模拟声音信号，经过功率放大器(D)输出给喇叭(G)产生特定频率的声音提示，根据声音的音调和大小，定性且直观的了解电机的通断和转速变化；或者短波收音机(C)将信号输入嵌入式单片机(K)进行运算，一部分通过模数转换器(J)转变为数字信号，输送给液晶显示屏(H)进行频率、强度参数显示；另一部分通过无线发射器(L)，使用WIFI、蓝牙上传给质检平台，或连接无线耳机使用。

2.根据权利要求1所述的基于高次谐波电磁辐射的电机运行状态检测装置，其特征在于：所述比较天线(A2)与采样天线(A1)的参数相同，包括固定频率、信号增益和定向角度。

3.根据权利要求1所述的基于高次谐波电磁辐射的电机运行状态检测装置，其特征在于：所述电机运行状态检测装置还包括：

前外壳(10)和后外壳(13)；

主显示屏(2)，为数字显示区域，用于显示信号强度、信号频率，或根据电机参数特性，经过计算后输出电机状态参数；

显示屏(3)，为模拟显示区域，定性显示信号强度或电压高低；

副取消键(4)和确认键(9)，配合显示屏触控使用，用于切换各种功能，提升使用的稳定性；

电源开关(5)，为检测装置的总电源开关；

喇叭罩(6)，开孔释放声音；

调频旋钮(7)，通过旋转来调节采样频率；

增益旋钮(8)，调节信噪比和声音大小。

4.根据权利要求3所述的基于高次谐波电磁辐射的电机运行状态检测装置，其特征在于：所述前外壳(10)和后外壳(13)采用工程塑料、橡胶或除了工程塑料、橡胶外的非金属材料，用于防止比较天线(A2)接收不到外部信号。

5.根据权利要求3所述的基于高次谐波电磁辐射的电机运行状态检测装置，其特征在于：所述前外壳(10)和后外壳(13)通过固定螺丝(11)连接整体壳体，整体壳体后面上设置电池盖(12)方便更换电池，上下设置后出音孔及倒向孔(15)，下方设置数据和充电口(14)。

6.根据权利要求5所述的基于高次谐波电磁辐射的电机运行状态检测装置，其特征在于：所述数据和充电口(F)作为USB有线数据传输的接口，同时对可充锂电池(E)进行充电。

7.一种基于高次谐波电磁辐射的电机运行状态检测方法，采用权利要求1-6任一所述的基于高次谐波电磁辐射的电机运行状态检测装置，其特征在于：首先，在工业环境中，将采样天线(A1)和比较天线(A2)接近运转中的被测量电机(M)，所获得的采样天线(A1)和比较天线(A2)的各个频率的采样信号通过逻辑电路将两个信号同相位进行差分比较，在采样天线频谱(C-A1)对应频率上减去比较天线频谱(C-A2)的幅值，得到差分耦合频谱，其中幅值最大的差分耦合电压识别点(ΔU-peak)，即是电机(M)运转最相关的信号点。

8.根据权利要求7所述的基于高次谐波电磁辐射的电机运行状态检测方法，其特征在于：上述过程中，移动检测装置，进一步检查是否有相近电机的干扰信号存在；并选择频率更高的短波频率区(SW)，利用通断型阶跃信号电磁辐射在对应傅里叶整数级级数上展开的倍频采样原理，采集更高频率、次信号幅值的高次谐波信号采集点(Uac)，避开无线电噪声区(noise zone)。

9.根据权利要求8所述的基于高次谐波电磁辐射的电机运行状态检测方法，其特征在于：在室内使用时，选择在无线电噪声截止频率(F0)以上的无线电静默区(clean zone)。

10.根据权利要求8所述的基于高次谐波电磁辐射的电机运行状态检测方法，其特征在于：在户外场使用时，采样天线(A1)顶端设置金属导电材质，或直接接触电机的金属裸露部分，通过检测装置和电机外壳电位的方法直接测量电机的电磁信号，达到不拆解电机就了解电机运行状态的功能。

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