CN204496686U - 基于振动传感器的无线监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供基于振动传感器的无线监测系统，包括上位机、网关模块以及至少一个振动传感器，其中：所述上位机与网关模块通过工业以太网连接；振动传感器设置数据测量单元，用于在线获取机械的振动和温度数据并通过无线传输模块发送给网关模块；网关模块，用于实时接收振动传感器发送的振动和温度数据，汇集并通过工业以太网上传给上位机，并且接收上位机端发送给振动传感器的设置信息，通过无线通讯方式下发给对应的无线振动传感器。本实用新型采用无线网络监测模式来构建无线、分布式振动监测系统，实现对机械设备运行的实时监测的同时，节省线缆布线成本，可维护性好、系统灵活性高，可选择输出时域/频域分析数据，节省了转换过程，大大提高了整个系统的实时性和效率，同时，振动传感器采用圆柱体设计，底部设置固定圆孔并采用永磁体材料，使安装方便，适用范围广，频率响应范围和实时采样率大大提高。

Description

基于振动传感器的无线监测系统

技术领域

本实用新型涉及旋转机电设备运行状态监测技术领域，具体地说，涉及基于振动传感器的无线监测系统。

背景技术

工业生产过程越来越依赖于电机和相关机械设备高效可靠、始终如一的运作。机器设备的不平衡、缺陷、紧固件松动和其它异常现象往往会转化为振动，导致精度下降，并且引发安全问题。如果置之不理，除了会导致性能和安全问题外，若导致设备停机修理，也必然会带来生产损失。而设备性能发生微小的改变，通常是很难及时预测，日积月累也会迅速转化为重大的生产损失。

目前，国内外对大型旋转机械轴承的振动在线监测系统进行了开发、测试以及实验研究，但是，仍存在诸多缺陷，如：

第一，对于目前已经较为成熟的基于有线连接的监测系统，传感器信号与采集卡之间的信号通道多采用有线传输多采用有线传输方式，线缆长度需要几十甚至上百米，但是存在线缆布设复杂、成本较高、可维护性差、系统灵活性差等缺点，面对这些问题，一个可选择的解决思路就是采用无线传感网络监测模式来构建无线、分布式振动监测系统，但是无线传感网络技术还不成熟，因此，仍需要开展利用无线传感设备对大型旋转机械轴承振动进行监测的可行性研究。

第二，一般地，任何设备都有多种振动源，如轴承缺陷、不平衡和齿轮啮合等，此外还有设计带来的振动源，例如钻孔机或压制机在正常工作过程中产生的振动。传统的无线振动传感器有单轴、双轴和三轴，但是他们只提供时域信号，基于时间的分析会产生一个综合所有这些振动源的复杂波形，在进行FFT分析之前，它提供的信息难以辨别，而多数压电传感器解决方案依赖外部FFT（快速傅里叶变换）计算和分析，在上位机上通过专门软件进行频域分析，这不仅使整个系统的实时性和同步性毫无可能，而且将大部分额外设计工作推给了设备开发商。

第三，之前的无线振动传感器大多是长方体，对于设备上带有弧面的监测点来说，需要较大平整的接触面积，安装时很不方便。而其功能也相对单一，频率响应范围和实时采样率较小，不能根据实际情况进行设置，适应性差。

实用新型内容

为了解决目前机械设备运行监测中的上述问题，本实用新型提供一种基于振动传感器的无线监测系统，其具体的技术方案如下：

基于振动传感器的无线监测系统，包括上位机、网关模块以及至少一个振动传感器，其中：

所述上位机与网关模块通过工业以太网连接；

振动传感器设置传感单元，用于在线获取机械的振动和温度数据并进行频域分析；

网关模块，用于实时接收振动传感器发送的振动和温度数据，汇集并通过工业以太网上传给上位机，并且接收上位机端发送给振动传感器的设置信息，通过无线通讯方式下发给对应的无线振动传感器。

作为优选方案，所述振动传感器与网关之间的无线通讯方式为ZigBee或wifi。

进一步地，所述振动传感器包括传感单元与处理器，所述传感单元通过配合连接器连接处理器，所述处理器内嵌RF收发器，与天线连接，用于向网关模块收发数据；

进一步地，所述振动传感器还设置供电单元，所述供电单元内置锂电池，用于直接为传感单元供电；所述供电单元还设置外接电源插座，用于外接电源为给锂电池充电以及为振动传感器供电。

作为其中的优选方案，所述处理器为增强型8051或ARM或DSP。

进一步地，所述振动传感器外部包覆铝质外壳。所述振动传感器底部材料为永磁体，并设置有固定圆孔。

此外，所述网关模块，包括天线、处理器、电平转换模块、网络模块、网口插座，串口插座，其中，

处理器内嵌RF收发器，与天线连接，用于与振动传感器进行通信；

网络模块，与处理器和网口插座连接，用于为网关模块提供一个网口；

电平转换模块，用于进行处理器的电平转换，为网关模块提供工业通讯接口；

串口插座，用于为网关模块提供工业通讯接口。

进一步地，所述网关模块外覆长方体铝合金防水外壳。

进一步地，所述上位机对振动传感器的量程、工作方式、报警上限与报警等级、采样率、FFT平均次数参数进行设置，实时监测传感器的时域/频域数据。

本实用新型所提供的基于振动传感器的无线监测系统，具有以下优点：

第一：采用无线网络监测模式来构建无线、分布式振动监测系统，实现对机械设备运行的实时监测的同时，节省线缆布线成本，可维护性好、系统灵活性高；

第二：可选择输出时域/频域分析数据，节省了转换过程，大大提高了整个系统的实时性和效率；

第三：振动传感器采用圆柱体设计，底部设置固定圆孔并采用永磁体材料，使安装方便，适用范围广，频率响应范围和实时采样率大大提高。

附图说明

图1为本实用新型基于振动传感器的无线监测系统结构示意图；

图2为本实用新型基于振动传感器的无线监测系统振动传感器结构示意图；

图3为本实用新型基于振动传感器的无线监测系统振动传感器网关模块结构示意图。

【主要部件符号说明】

1:振动传感器；2：无线网络；3：网关模块；4：工业以太网；5：上位机。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型的基于振动传感器的无线监测系统作进一步详细的说明。

参照图1，基于振动传感器的无线监测系统，包括上位机5、网关模块3以及至少一个振动传感器1，基中：上位机5与网关模块3通过工业以太网4连接；振动传感器1设置数据测量单元，用于在线获取机械的振动数据并通过无线传输模块发送给网关模块3；网关模块3，用于实时接收振动传感器1发送的振动数据，汇集并通过工业以太网4上传给上位机5，并且接收上位机端发送给振动传感器的设置信息，通过无线通讯方式下发给对应的无线振动传感器，所述无线传输模块优选为ZigBee或wifi无线网络2通讯模块。

参照图2，振动传感器包括传感单元，所述传感单元通过配合连接器连接处理器，所述处理器内嵌RF收发器，与天线连接，用于向网关模块收发数据；作为优选，所述振动传感器还设置供电单元，所述供电单元内置锂电池，用于直接为传感单元供电。其中，所述供电单元还设置外接电源插座，用于外接电源为给锂电池充电以及为振动传感器供电。振动传感器外部包覆铝质外壳，所述振动传感器底部材料为永磁体，并设置有固定圆孔，更易于安装，适用范围广。无线振动传感器外壳材质为铸铝，形状为圆柱形，防护等级达到IP65。底部有三个用于固定的圆孔，并且可以通过永磁体吸附固定在待振动测机械表面。

振动传感器可选为三轴振动传感器，接口电路为一个配合连接器，将振动传感器与处理器进行接口连接，处理器为增强型8051 CPU或DSP或ARM，内嵌RF收发器，与天线连接，向无线网关模块收发数据；直流插座与锂电池连接，当有连接外部电源供电时，可将锂电池断开，当无外部供电电源时，由锂电池给整个传感器供电。通过这种设计实现了小型化的硬件系统，有利于减小传感器的体积和设置成本，方便的实现目标特征提取。

参照图3，无线网关模块，形状为长方体，材质为铝合金，采用防水设计。包括天线、处理器、电平转换模块，网络模块、网口插座，串口插座。其中，处理器为增强型8051 CPU或DSP或ARM，内嵌RF收发器，与天线连接，与无线振动传感器进行通信；网络模块，与处理器和网口插座连接，为无线网关模块提供一个网口；网口插座为RJ45；电平转换模块，将处理器的TTL电平转换为232/485电平；串口插座为DB9，为无线网关模块提供RS-232/485接口。

上位机端装有配套的监测软件，可以对无线传感器进行量程、工作方式、报警上限与报警等级、采样率、FFT平均次数进行设置，并可以设置无线网关模块的IP地址。当设置好相应参数后，可以实时监测对应无线传感器的三轴时域或频域数据。

通常，任何设备都有多种振动源，如轴承缺陷、不平衡和齿轮啮合等，此外还有设计带来的振动源，例如钻孔机或压制机在正常工作过程中产生的振动。传统的无线振动传感器有单轴、双轴和三轴，但是他们只提供时域信号，基于时间的分析会产生一个综合所有这些振动源的复杂波形，在进行FFT分析之前，它提供的信息难以辨别，而多数压电传感器解决方案依赖外部 FFT计算和分析，在上位机上通过专门软件进行频域分析，这不仅使整个系统的实时性和同步性毫无可能，而且将大部分额外设计工作推给了设备开发商。而我们的而无线振动传感器自身就可以提供三轴的时域信号和对应的频域数据，内嵌FFT分析功能，及时确定振动偏移的具体来源，而不需要在上位机上进行操作，提高了上位机的工作效率，保证了数据的实时性，降低了编程的难度，缩短了开发周期。

之前的无线振动传感器大多是长方体，对于设备上带有弧面的监测点来说，需要较大平整的接触面积，安装时很不方便；我们采用圆柱形设计，需要与设备上平整的接触面积较少，便于安装。

典型数据采集方法包括安装在机器上的简单压电传感器和手持式数据采集工具等，与理想的全面检测与分析系统解决方案相比较，这些方法存在多种局限性，我们将无线振动传感器嵌入机器上或机器中，通过ZigBee 无线网络方式实时传输数据到无线网关模块，无线网关模块通过网线连接交换机接入工业以太网与远程上位机通信，在上位机上实现实时全面检测与分析。

无线振动传感器可实现完全可编程，参数如下：可以根据实际需要设置量程：0-1g/5g/10g/20g；单轴/三轴实时采样率可以达到20.48ksps，5 kHz平坦频段提供的频率响应适合许多机械健康状况检测应用；频域处理包括针对各轴的512点、实数值FFT和FFT最多255个均值计算功能，可降低噪音变化，提高分辨率；可编程抽取滤波器，提供11种速率设置，还可以提供三种加窗处理：矩形窗、汉宁窗以及平顶窗；还可以设置6个频段的两种等级报警上限，并且提供数字供电电压和温度测量。

其工作流程如下：

当有外部供电时，外部电源既给锂电池充电，又给整个系统供电；当无外接电源时，由锂电池直接供电。按下开关，整体得电，传感器开始工作，一直在等待基站发送的无线射频数据指令，按照发送的命令进行相应的工作。

上位机与网关模块通过以太网连接。运行时，上位机软件发送查询命令给基站，基站收到之后以无线射频方式发送给放置于监测现场的无线振动传感器，当振动传感器收到相应的指令之后将采集并处理过的振动数据打包以无线方式送至网关模块，网关模块再将收到的无线数据通过网口送至上位机，上位机软件对送达的数据包进行解析。

Claims (10)

1.基于振动传感器的无线监测系统，其特征在于：包括上位机、网关模块以及至少一个振动传感器，其中：

所述上位机与网关模块通过工业以太网连接；

振动传感器设置传感单元，用于在线获取机械的振动和温度数据并进行频域分析；

网关模块，用于实时接收振动传感器发送的振动和温度数据，汇集并通过工业以太网上传给上位机，并且接收上位机端发送给振动传感器的设置信息，通过无线通讯方式下发给对应的无线振动传感器。

2.根据权利要求1所述的基于振动传感器的无线监测系统，其特征在于：所述振动传感器与网关之间的无线通讯方式为ZigBee或wifi。

3.根据权利要求1所述的基于振动传感器的无线监测系统，其特征在于：所述振动传感器包括传感单元与处理器，所述传感单元通过配合连接器连接处理器，所述处理器内嵌RF收发器，与天线连接，用于向网关模块收发数据。

4.根据权利要求1所述的基于振动传感器的无线监测系统，其特征在于：所述振动传感器还设置供电单元，所述供电单元内置锂电池，用于直接为传感单元供电；所述供电单元还设置外接电源插座，用于外接电源为给锂电池充电以及为振动传感器供电。

5.根据权利要求3所述的基于振动传感器的无线监测系统，其特征在于：所述处理器为增强型8051或ARM或DSP。

6.根据权利要求1所述的基于振动传感器的无线监测系统，其特征在于：所述振动传感器外部包覆铝质外壳。

7.根据权利要求1所述的基于振动传感器的无线监测系统，其特征在于：所述振动传感器底部材料为永磁体，并设置有固定圆孔。

8.根据权利要求1所述的基于振动传感器的无线监测系统，其特征在于：所述网关模块，包括天线、处理器、电平转换模块、网络模块、网口插座，串口插座，其中，

处理器内嵌RF收发器，与天线连接，用于与振动传感器进行通信；

网络模块，与处理器和网口插座连接，用于为网关模块提供一个网口；

电平转换模块，用于进行处理器的电平转换，为网关模块提供工业通讯接口；

串口插座，用于为网关模块提供工业通讯接口。

9.根据权利要求1所述的基于振动传感器的无线监测系统，其特征在于：所述网关模块外覆长方体铝合金防水外壳。

10.根据权利要求1所述的基于振动传感器的无线监测系统，其特征在于：所述上位机对振动传感器的量程、工作方式、报警上限与报警等级、采样率、FFT平均次数参数进行设置，实时监测传感器的时域/频域数据。