CN201993167U - 无线振动传感装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种无线振动传感装置，包括：检测单元模块、微控制处理单元模块、无线传输单元模块和能量单元模块；检测单元模块包括依次连接的振动传感器、信号调理电路、模数转换器；微控制处理单元模块包括微控制单元和数据存储器；微控制单元分别和模数转换器、无线传输单元模块连接；无线传输单元模块通过射频信号在微控制单元和上位机间相连接；能量单元模块为一动力电源并分别与检测单元模块、微控制处理单元模块和无线传输单元模块相连接。本实用新型不需要电缆、能使系统布设简单、减少工作量、节省人力物力，能够节约成本、能提高测量效率和测量精度、能实现长距离的无线测量且具有互操作性、能够应用于恶劣的检测环境。
Description
技术领域
本实用新型涉及振动监测技术领域，特别是涉及一种无线振动传感装置。
背景技术
现有振动测量方法是将传感器布设在测点，将测得的振动物理量转换成电信号即电压信号或电流信号，然后用电缆线连接传感器和信号采集部分，将信号发送到采集中心进行处理和存储。这样，振动信号完全是在电缆线中进行传输的。但由于电缆线在使用中会出现很多缺点：电缆线长时间使用极易损坏、老化，当更换时工作量相当大；当厂房内空间有限时，电缆线会占用很大的空间；多路电缆线传输多路传感信号时，互相间会产生干扰；导线数量庞大，十分沉重，依靠工人师傅付出巨大的体力劳动，效率还比较低等等。不仅系统布设困难、工作烦琐、占用大量的时间和人力物力，而且极易造成人为的错误。另外，振动监测现场环境大都比较恶劣，很多情况都限制了对有线传输介质的使用。
在监测领域的应用中无线传感器网络所监测的物理量大都是温度、湿度、压力、光强度等一些缓变量，已经出现的一些无线振动传感器网络，也主要是针对桥梁、高楼等一些大型的建筑结构的低频振动进行监测，而目前由于无线传感器网络自身的技术限制，对于反映机械设备状态最为关键的振动状况的监测还难以实现。而且现有针对传感信号的无线传输方式只有采用蓝牙技术的方案，但目前仍然存在一些问题阻碍其尽快实用。一方面从成本的角度看，价格是目前影响蓝牙产品推广应用的主要瓶颈。市面上蓝牙器件的成本都比较昂贵尤其是针对工业上应用的蓝牙芯片，只有在成批量购买时，才能有降低一点点成本的可能。因此对于相对规模不大的企业，所采用的成本在保证功能质量的前提下，应尽可能降低。蓝牙芯片的价格对测控仪器设备制造商来说仍显偏高。另一方面从实用角度看，因为汽轮发电机组状态监测与控制系统的传感信号只需要用无线的方式传输到控制处理中心就可以进行分析和处理了，而无需连接到互联网上。所以系统也无需使用像蓝牙那样结构功能复杂的器件。另外，蓝牙技术的互操作性(互通)并不完善，尽管支持蓝牙的厂商越来越多，但不同制造商生产的蓝牙组件之间在互通上还存在问题。再有，蓝牙技术标准目前的通信距离短，还不能完全适应测控系统的需要。所以，蓝牙技术还有待于不断发展走向成熟。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种无线振动传感装置，不需要电缆、能使系统布设简单、减少工作量、节省人力物力，能够节约成本、能提高测量效率和测量精度、能实现长距离的无线测量且具有互操作性、能够应用于恶劣的检测环境。
为解决上述技术问题，本实用新型提供的无线振动传感装置包括：检测单元模块、微控制处理单元模块、无线传输单元模块和能量单元模块。所述检测单元模块包括依次连接的振动传感器、信号调理电路、模数转换器；所述微控制处理单元模块包括微控制单元和数据存储器。所述微控制单元分别和所述模数转换器、所述无线传输单元模块相连接。所述无线传输单元模块通过射频信号在所述微控制单元和上位机间相连接。所述能量单元模块为一动力电源并分别与所述检测单元模块、所述微控制处理单元模块和所述无线传输单元模块相连接。
所述振动传感器为压电式加速度传感器，所述压电式加速度传感器的固有频率大于几万Hz、频带宽为0.2KHz～10KHz、输出信号为0V～5V的交流电压。
所述信号调理电路包括依次连接的差分放大电路、滤波电路、积分电路；所述差分放大器的输入端接所述振动传感器的输出信号。
所述积分电路包括一次积分电路和二次积分电路；所述滤波电路、所述一次积分电路、所述二次积分电路的输出端分别和一多路选择开关相连接再通过所述多路选择开关和所述模数转换器的输入端连接。所述滤波电路包括低通滤波电路和高通滤波电路。所述信号调理电路还包括小信号线性补偿电路。
所述模数转换器为逐次逼近型模数转换器，所述逐次逼近型模数转换器的最高采样频率为100KHz以上、供电电压为2.7V～5.5V、工作温度范围为40℃～80℃、参考电压大于2.5V小于电源电压。
所述微控制单元为Flash型16位RISC指令混合信号微控制器，包括多条指令、片内寄存器、Flash程序存储器、RAM和JTAG模块，所述微控制单元能外接多组晶体振荡器。
所述数据存储器为铁电存储器，所述铁电存储器的数据存储速率大于所述模数转换器的数据采集速度。
所述无线传输单元模块包括接收模块、发送模块、编码模块、解码模块、SPI接口，所述无线传输单元模块通过SPI接口和所述微控制单元相连，所述无线传输单元模块的发射功率最高值大于+20dBm，所述无线传输单元模块的室内通信距离的最大值为60米～150米、室外通信距离的最大值为200米～400米。
所述能量单元模块的电池选择3.0V的锂电池。
本实用新型不需要电缆、能使系统布设简单、减少工作量、节省人力物力，能够节约成本、能提高测量效率和测量精度、能实现长距离的无线测量且具有互操作性，且使用方便，能够应用于恶劣的检测环境。本实用新型无线振动传感装置作为一种无线测振传感网络节点，能够实现对电力、石化、钢铁、船舶、建筑等行业的大型设备和结构如汽轮机、汽机给水泵、电动给水泵、燃气轮机、内燃机、柴油机、机床振动、风力发电机、变压器、塔器、大型建筑等进行振动检测，也能够实现对某些人员不易进入的场合如井矿、核电站、钢材加工场等危险环境进行振动检测。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：
图1是本实用新型无线振动传感装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，是本实用新型无线振动传感装置的结构示意图。本实用新型无线振动传感装置，包括：检测单元模块、微控制处理单元模块、无线传输单元模块和能量单元模块。所述检测单元模块，负责采集和处理传感器传来的信号；所述微控制处理单元模块，负责对传感器采集的数据进行处理，通过射频模块发射和接收数据；所述无线传输单元模块，即数据无线收发，接收和发射数据；所述能量单元模块，即动力电源，为整个系统提供稳定可靠的电压。
所述检测单元模块包括依次连接的振动传感器、信号调理电路、模数转换器(ADC)。所述微控制处理单元模块包括微控制单元(MCU)和数据存储器。所述微控制单元分别和所述模数转换器、所述无线传输单元模块相连接。所述无线传输单元模块通过射频信号在所述微控制单元和上位机即图1中所示接收处理终端间相连接。所述能量单元模块为一动力电源并分别与所述检测单元模块、所述微控制处理单元模块和所述无线传输单元模块相连接。
所述振动传感器为压电式加速度传感器，压电式加速度传感器特点：压电加速度传感器采用压电晶体作为转换材料，将振动加速度量转化为与之成正比的电荷量。压电式传感器与其他类型的传感器相比，其最大的特点是固有频率高，而且频带很宽。对于普通的压电式传感器其频率可以达到几万赫兹，如果进一步减小石英晶体和其它零件的质量，并适当增加预紧力之后，固有频率可以高达200kHz。另外，压电式传感器与电荷放大器配套使用的时候，低频响应好。总的来说，压电加速度传感器具有量程范围大、频带为0.2kHz～10kHz、体积(尺寸)小、重量(质量)轻、安装简单、适用于比较恶劣的工业测量环境等优点，其特点还有较宽的动态范围；在其频率响应范围内具有良好的线性度；结构坚固，工作可靠，能够长时间保持稳定的特性。其内部不封装有任何活动件，所以具有较高的可靠性。压电式加速度传感器的一种较优选择为LC0108内装IC(ICP)压电加速度传感器的典型电压输出范围为0V～+5V的交流电压信号、低阻抗、频率响应范围是0.1KHz～5KHz，在环境噪声允许的前提下，振动信号可以被后续采集电路直接采样。
所述信号调理电路包括依次连接的差分放大电路、滤波电路、积分电路；所述差分放大器的输入端接所述振动传感器的输出信号。所述积分电路包括一次积分电路和二次积分电路；所述一次积分电路、所述二次积分电路的输出端分别输出加速度信号、速度信号和位移信号。通过一多路选择开关将加速度信号、速度信号和位移信号选择输入到所述模数转换器的输入端连接。所述滤波电路包括低通滤波电路(LPF)和高通滤波电路(HPF)，所述低通滤波电路去除高频噪声，所述高通滤波器滤去非振动信号如截止频率为4Hz～5Hz。所述信号调理电路还包括小信号线性补偿电路，以确保振动的测量精度。
所述模数转换器为逐次逼近型模数转换器，所述逐次逼近型模数转换器的最高采样频率为100KHz以上、供电电压为2.7V～5.5V、工作温度范围为40℃～80℃、参考电压大于2.5V小于电源电压。从速度、精度、价格等方面综合考虑，所述逐次逼近型模数转换器能选用TI公司的逐次逼近型A/D转换器ADS8325。ADS8325的特点：①采样率高：最高采样频率可达100kHZ；②供电电压选择范围宽：可选择2.7v到5.5v之间的任意值；③低功耗：即使在100kHz数据率下工作，平均功耗不超过4.8mw，10kHz数据率时，功耗小于1mW；④工作速度非常快：采用1MHz的时钟时，一次转换(包括结果输出)需时22μs，由于转换速度快，因此在低数据率的情况下，ADS8325大部分时间都处于掉电模式，这非常利于节能；⑤线性特性非常好：1.5LSB typ：低噪声：3LSBp-p；⑥支持同步串行接口(SPI/SSI兼容)，串行原码输出。ADS8325与其他ADC相比具有非常低的功耗与丰富的片上资源，内部结构紧凑，集成度高，工作性能好，可在40～80度范围内正常工作。参考电压可以是2.5V到电源电压之间的任何值。
微控制处理单元模块，负责对传感器采集的数据进行处理，通过射频模块发射和接收数据。微处理单元模块是无线传感单元的“大脑”，实现和无线通信模块的通信和数据传输，管理整个无线传感单元。所述微控制单元为Flash型16位RISC指令混合信号微控制器，包括多条指令、片内寄存器、Flash程序存储器、RAM和JTAG模块，所述微控制单元能外接多组晶体振荡器。考虑到系统以后性能扩展和程序存贮的要求，所述微控制单元能选择MSP430F149微处理器。MSP430F149是MSP430XIXX系列中的功能最强的单片机。MSP430F149是超低功耗Flash型16位RISC指令混合信号控制器，它具有以下特点：(1)超低功耗，3.0V电压供电，在1MHz时钟条件下工作电流仅为400uA，能最大限度地降低系统功耗；(2)处理能力强大，指令简洁，只需27条指令；(3)可外接两组晶振，其中LFXT1振荡器可直接与32768Hz的晶体相连，无需再接其他元件，XTZ振荡器可接高达8MHz的晶体，大多指令都是单周期指令，因此运算速度亦十分可观，MSP另外还有一个DCO时钟源，这是一个可以实现数控的RC振荡器，无需外接任何晶体即可工作；(4)存储空间大，有16个16位片内寄存器，多达60K的FLASH程序存储器，2k的片上RAM；(5)内部集成JTAG模块，调试仿真方便；(6)处理能力强大，片上外设丰富。
所述数据存储器的数据存储速率大于所述模数转转换器的数据采集速度。所述数据存储器为铁电存储器。考虑到采样速度高(每秒采样1000次)及数据存储量大(一次采集数据160Kbit)，所述数据存储选择FM18L08存储器。FM08L08的特点：①采用32K*8Bit的存储结构；②低电压，使用2.7V～3.6v电源供电：③无限次读写；④掉电数据保存10年；⑤写数据无延时，以总线速度进行读写，无需页写及数据轮询；⑥内存访问速度可达70ns；⑦先进的高可靠性铁电存储方式；⑧低功耗，小于20μA的静态工作电流，读写操作的功耗相同；⑨硬件上可将SRAM及EEROM整合进一片FRAM中，提高了系统的集成度。
无线传输单元模块，即数据无线收发，接收和发射数据。根据一定的通讯规则对数据进行编码解码，提供相应的接口与MCU进行数据交换。并实现上位机和无线传感单元的通信和数据传输。所述无线传输单元模块包括无线接口、数据接收模块、数据发送模块、数据编码模块、数据解码模块和SPI接口，所述无线传输单元模块通过SPI接口和所述微控制单元相连，所述无线传输单元模块的发射功率最高值大于+20dBm，所述无线传输单元模块的室内通信距离的最大值为60米～150米、室外通信距离的最大值为200米～400米。在考虑低功耗的基础上，我们选用的无线通信芯片为高传输速率的PTR8000模块。该模块内核使用nRF905，硬件电路己经焊好，使用起来相对方便一些。其发射功率最高+20dBm，室内通信60-150米，室外通信200-400米。在硬件设计时把MCU的SPI接口和nRF905的SPI接口相连即可，另外还可以再选几个I/O口连接nRF905的输入输出信号。
所述能量单元模块，即动力电源，提供稳定可靠的电压。能量单元模块实现对电源的管理，对整个无线传感单元供电。综合考虑成本、尺寸、重量、可靠性、体积、安装等各方面的因素，所述能量单元模块选用3.0V的CR2032锂电池。MSP430系列的电源电压范围为1.8-3.6V，标准使用3.0V。nRF905的PTR8000的供电电压也为3.0V。锂锰电子电池的能量密度高，几乎没有“记忆效应”，并且不含有毒物质。
以上所述为本实用新型的结构特征，下面描述本实用新型的工作过程。
如图1所示，在虚拟仪器也即接收处理终端的上位机的界面上点击“开始”按钮，上位机将指令通过所述上位机的无线传输单元模块A发给所述无线振动传感装置的无线传输单元模块B，B再将指令发送给单片机即所述微控制处理单元模块，单片机收到指令后便开始控制检测单元模块进行数据采集，振动传感器将采集到的振动信号经过一定的信号调理后进行A/D转换进入单变机；单片机再将采集到的数据通过无线传输单元模块B发给A，A通过串口将数据上传到PC机。于是，在虚拟仪器界面上便可以观测波形，并进行数据存储和诊断分析。在虚拟仪器界面上点击“结束”按钮，便停止正在进行的数据采集。在整个过程中由能量单元模块为各个耗能模块提供电源。
上述过程中的所述检测单元模块进行数据采集的过程如下：
信号采集系统即所述检测单元模块从振动传感器探头获得原始振动信号，再将所述原始振动信号送入所述检测单元模块中完成对信号的预处理，即振动信号通过所述振动传感器的压电晶体将振动信号的加速度量转换成电信号也即模拟信号，经差分放大器将压电晶体的输出的微小的电信号放大、滤波，再经积分变换器将振动的加速度信号转换成振动的速度信号或位移信号。由于压电晶体感应得到的振动信号的电信号较小线性较差，所以在电路中应该进行小信号线性补偿，以确保振动的测量精度，然后通过模数转化器转换将模拟信号转换成数字信号。由于是对振动的模拟信号进行的实时采样，数字信号通过MCU时，单片机内部又没有足够的缓存空间，所得数字信号的数据必须及时存入外部存储器，所以数据存储器的存取速度必须高于数据采集速度。再由MCU控制RF发射模块，把数据按一定的传输速率发射到空中。具体的振动信号处理过程如下：
原始振动信号接入到压电加速度传感器并转换为电压交流信号输出，系统要得到的振动信号有冲击信号、振动加速度信号、振动速度信号和振动位移信号。由于压电加速度传感器的输出为电压交流信号，为了得到上述所需要的几种信号，电路中必定要加入滤波电路，积分电路、交流/直流变换电路和放大电路等进行信号调理。低通滤波器(LPF)去除高频噪声，高通滤波器(HPF)滤去非振动信号即截止频率4Hz～5Hz的信号滤波后的信号信噪比有了很大提高，但还不能直接对信号进行A/D采样，因为在实际测振中传感器为加速度传感器，但实际中常常需要分析速度和位移信号来了解现场机组的运行状态，所以还需要对滤波后的信号进行一次积分和二次积分，然后通过多路选择开关CD4066选择加速度，速度或位移信号。
为了对振动信号进行分析、处理，首先需将与振动成比例的模拟电压信号即电压交流信号，进行模数(A/D)转换。A/D转换器是把采集到的模拟信号即所述模拟电压信号进行量化和编码，然后转换成数字信号以便于MCU来传输和处理。在转换阶段，模拟信号数字化首先要对信号进行时域采样，然后A/D转换器再把得到的采样模拟信号量转换为相应的能够被A/D转换器识别的有限集里的离散值。这样，模拟信号被转换成了数字信号。nRF905负责接收来自MCU的数字信号，再通过发射模块将接收的数字信号输送到处于上位机端的接收模块以便接收终端系统进行分析、处理。
以上通过具体实施例对本实用新型进行了详细的说明，但这些并非构成对本实用新型的限制。在不脱离本实用新型原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种无线振动传感装置，其特征在于，包括：检测单元模块、微控制处理单元模块、无线传输单元模块和能量单元模块；
所述检测单元模块包括依次连接的振动传感器、信号调理电路、模数转换器；所述微控制处理单元模块包括微控制单元和数据存储器；
所述微控制单元分别和所述模数转换器、所述无线传输单元模块相连接；
所述无线传输单元模块通过射频信号在所述微控制单元和上位机间相连接；
所述能量单元模块为一动力电源并分别与所述检测单元模块、所述微控制处理单元模块和所述无线传输单元模块相连接。
2.如权利要求1所述无线振动传感装置，其特征在于：所述振动传感器为压电式加速度传感器，所述压电式加速度传感器的频率范围为0.2KHz～10KHz，输出信号为0V～5V的交流电压。
3.如权利要求1所述无线振动传感装置，其特征在于：所述信号调理电路包括依次连接的差分放大电路、滤波电路、积分电路；所述差分放大电路的输入端接所述振动传感器的输出信号。
4.如权利要求3所述无线振动传感装置，其特征在于：所述积分电路包括一次积分电路和二次积分电路；所述滤波电路、所述一次积分电路、所述二次积分电路的输出端分别和多路选择开关相连接再通过所述多路选择开关和所述模数转换器的输入端连接。
5.如权利要求3所述无线振动传感装置，其特征在于：所述滤波电 路包括低通滤波电路和高通滤波电路。
6.如权利要求3所述无线振动传感装置，其特征在于：所述信号调理电路还包括小信号线性补偿电路。
7.如权利要求1所述无线振动传感装置，其特征在于：所述模数转换器为逐次逼近型模数转换器，所述逐次逼近型模数转换器的最高采样频率为100KHz以上、供电电压为2.7V～5.5V、工作温度范围为40℃～80℃、参考电压大于2.5V小于电源电压。
8.如权利要求1所述无线振动传感装置，其特征在于：所述微控制单元为Flash型16位RISC指令混合信号微控制器，包括片内寄存器、Flash程序存储器、RAM和JTAG模块，所述微控制单元能外接多组晶体振荡器。
9.如权利要求1所述无线振动传感装置，其特征在于：所述数据存储器为铁电存储器，所述铁电存储器的数据存储速率大于所述模数转换器的数据采集速度。
10.如权利要求1所述无线振动传感装置，其特征在于：所述无线传输单元模块包括接收模块、发送模块、编码模块、解码模块、SPI接口，所述无线传输单元模块通过SPI接口和所述微控制单元相连，所述无线传输单元模块的发射功率最高值大于+20dBm，所述无线传输单元模块的室内通信距离的最大值为60米～150米、室外通信距离的最大值为200米～400米。
Priority Applications (1)
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Owner name: ZHU XIAODONG Effective date: 20120120 |
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Effective date of registration: 20120120 Address after: 201203, Shanghai Zhangjiang hi tech park, Pudong New Area, No. 518 blue wave road, 103A Co-patentee after: Zhu Xiaodong Patentee after: Liu Song Address before: 201203, Shanghai Zhangjiang hi tech park, Pudong New Area, No. 518 blue wave road, 103A Patentee before: Liu Song |
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SHANGHAI TIANHONG INFORMATION ENGINEERING CO., LTD Free format text: FORMER OWNER: LIU SONG Effective date: 20130806 Free format text: FORMER OWNER: ZHU XIAODONG Effective date: 20130806 |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 201203 PUDONG NEW AREA, SHANGHAI TO: 200092 YANGPU, SHANGHAI |
|
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20130806 Address after: 708 room 2, No. 2005, Huang Xing Road, Shanghai, Yangpu District, 200092 Patentee after: Shanghai Tianhong Information Engineering Limited by Share Ltd Address before: 201203, Shanghai Zhangjiang hi tech park, Pudong New Area, No. 518 blue wave road, 103A Patentee before: Liu Song Patentee before: Zhu Xiaodong |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
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Granted publication date: 20110928 Termination date: 20161122 |
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