CN208206291U - 一种无线采集器及油井无线振动监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种无线采集器及油井无线振动监测系统，所述无线采集器包括：加速度传感器、AD转换模块、处理器模块和无线通讯模块；其中所述加速度传感器适于采集振动信号；所述AD转换模块适于将振动信号转换成数字量信号，并发送至处理器模块；以及所述处理器模块适于通过无线通讯模块将所述数字量信号发射出去；以及所述处理器模块适于通过无线通讯模块将所述数字量信号发射出去；本实用新型的无线采集器可靠性高，能够实现远程采集振动信号，且采集的信号精准度高、完整性好。

Description

一种无线采集器及油井无线振动监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种无线采集器及油井无线振动监测系统。

背景技术

如在一些不适合有人值守的场合(油井、矿区等)安装了大型的电气设备，不安排人员值守的原因可能是物资补给、人工成本以及其他因素，而电气设备在工作期间的运行状态、运行数据、故障数据等都必须要实时的记录下来最好也能够及时的分析，如果使用人工在现场驻守进行观察记录，这样不仅成本会大幅的上升而且会存在疏漏导致一些瞬间故障未能记录下来，这样数据可靠性就会变差。而应用无线数据采集器不仅可以节省昂贵的人工成本，还能极大的增强数据采集的可靠性、完整性。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种无线采集器及油井无线振动监测系统，以实现采集振动信号。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种无线采集器，包括：加速度传感器、 AD转换模块、处理器模块和无线通讯模块；其中所述加速度传感器适于采集振动信号；所述AD转换模块适于将振动信号转换成数字量信号，并发送至处理器模块；以及所述处理器模块适于通过无线通讯模块将所述数字量信号发射出去。

进一步，所加速度传感器采用IEPE压电式加速度传感器。

进一步，所述无线采集器还包括：用于加速度传感器供电且带有温度补偿的恒流源电路；所述恒流源电路包括LM334型三端可调恒流源器件；所述温度补偿包括：电阻R2和二极管 VD；所述电阻R2的一端与LM334的R端相连，其另一端与二极管VD的阴极相连；以及所述二极管VD的阳极与LM334的电源负端相连。

进一步，所述AD转换模块包括：信号调理电路和ADC采集电路；其中所述信号调理电路对所述振动信号进行调理；以及所述信号调理电路的输出作为所述ADC采集电路的输入。

进一步，所述信号调理电路包括：第一、第二同相比例运算电路；其中所述第一同相比例运算电路包括：第一、第二集成运放；第一集成运放的同相端与加速度传感器的输出端相连，其反相端经电阻R3、电容C6接地；第一集成运放的输出端通过反馈电阻R8接入其反相端；第一集成运放的反相端通过电阻R3连接第二集成运放的同相端，且该反相端还通过电阻R9和电阻R7连接至第二集成运放的输出端；第二集成运放的反相端和输出端相连；以及第一集成运放的输出端还经一分压电路与第二同相比例运算电路相连。

进一步，所述第二同相比例运算电路适于采用由第三集成运放构成的电压跟随器；所述分压电路包括：对地串联设置的电阻R23、电阻R25；其中所述电阻R23的一端适于获得输入信号，其另一端适于将分压信号输入至第三集成运放的同相端；以及所述第三集成运放的输出端作为所述信号调理电路的输出端。

进一步，所述无线通讯模块采用ZigBee模块。

又一方面，本实用新型还提供了一种油井无线振动监测系统，包括：服务器，以及若干如前所述的无线采集器；其中各所述无线采集器适于布置在一定区域内，且各无线采集器中的ZigBee模块构成的ZigBee网络为星型拓扑网络；以及所述服务器适于接收各无线采集器采集的区域振动信号。

本实用新型的有益效果是，本实用新型的无线采集器可靠性高，能够实现远程采集振动，且采集的信号精准度高、完整性好。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的无线采集器的原理框图；

图2是本实用新型的无线采集器的恒流源电路图；

图3是本实用新型的无线采集器的信号调理电路图；

图4是本实用新型的无线采集器的ADC采集电路图。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

实施例1

图1是本实用新型的无线采集器的原理框图；

如图1所示，本实施例1提供了一种无线采集器，包括：加速度传感器、AD转换模块、处理器模块和无线通讯模块；其中所述加速度传感器适于采集振动信号；所述AD转换模块适于将振动信号转换成数字量信号，并发送至处理器模块；以及所述处理器模块适于通过无线通讯模块将所述数字量信号发射出去。

具体的，所述处理器模块例如但不限于采用51单片机；所述无线通讯模块采用ZigBee模块；本实施例中，将51单片机和ZigBee模块集成在一个芯片上，且集成有51单片机和ZigBee模块的芯片例如但不限于采用CC2530型芯片。

所述加速度传感器采用IEPE压电式加速度传感器。

具体的，压电式传感器是基于压电效应的传感器，是一种自发电式和机电转换式传感器，它的敏感元件由压电材料制成，压电材料受力后表面产生电荷，此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量，它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。

压电关系表达式：Q＝d*F，其中d：压电常数。

一般压电式传感器的输出为电荷量，而本实施例1在电荷式压电传感器的基础上做了多项改进：首先使用了IEPE技术，IEPE是Integrated Electronics Piezo Electric的缩写，指内部集成了电路的加速度计；IEPE压电式加速度传感器内部自带了电荷放大器，供电和信号输出共用一根电缆(俗称二线制方式，即用同轴电缆给传感器供给2-10mA的恒流电源，而输出信号也由这同轴电缆输出，国际上通称ICP方式)，降低了干扰，提供了可靠性，简化了测试方式。其次根据使用场合的需要降低了IEPE传感器的偏置电压，将普通工业标准 10v的静态电压改进为3V左右，在保证动态范围的前提下减小了恒流驱动电流为1mA，通过这种方法减小了传感器功耗，利于应用在低功耗的监测场合。

相对于瑞典等国进口的加速度传感器，此传感器与进口传感器性能相当，价格较为低廉，能够适合大规模布网使用(进口的压电陶瓷传感器单价为1万多，对于布网的成本太过昂贵，不适应大规模工业推广，压电陶瓷振动传感器，相比较于目前市面上的MEMS传感器和电感传感器，压电传感器虽然研发生产成本较高，输出信号为模拟信号不易于集成，但由于其温度稳定度较高，灵敏度高，抗损毁能力强，所以我们在传感器选型上选择压电式传感器。

图2是本实用新型的无线采集器的恒流源电路图；

如图2所示，所述无线采集器还包括：用于加速度传感器供电且带有温度补偿的恒流源电路；所述恒流源电路包括LM334型三端可调恒流源器件；所述温度补偿包括：电阻R2和二极管VD；所述电阻R2的一端与LM334的R端相连，其另一端与二极管VD的阴极相连；以及所述二极管VD的阳极与LM334的电源负端相连。

具体的，由于IEPE型电压式加速度传感器内部自带电荷放大器，供电和信号输出共用一根电缆，对外表现出电阻特性，需要一个精密恒流源提供电流在测量两端的电压差，因此恒流源的精度非常重要，恒流源是输出电流保持恒定的电流源，而理想的恒流源应该具有以下特点：

a)不因负载(输出电压)变化而改变；

b)不因环境温度变化而改变；

c)内阻为无限大(以使其电流可以全部流出到外面)；

本实施例采用LM334作为恒流源的主要元件，LM334是美国国家半导体公司生产的三端可调式集成恒流源。同类产品还有LM1349(一类军品),LM234(二类军品),它们的电路原理完全相同,只是工作温度范围不同,LM334的工作温度范围为0-70℃。LM334有TO-46(金属壳封装)、TO-92(塑料封装)两种型式。它属于三端器件,第一脚R是电流设定端,第二脚+V接电源, 第三脚-V接恒流电源输出。R端与-V端之间接有一外部设定电阻,用来设定输出电流Io的大小。LM334的电流调整率达0.02％/℃,仅接外部设定电阻时电流温度系数为+0.33％/℃,若再增加一只二极管VD和一只电阻R2,利用硅NP结的温度系数对ML334的正温度系数进行补偿,以形成接近于零温漂的恒流源。

所述AD转换模块包括：信号调理电路和ADC采集电路；其中所述信号调理电路对所述振动信号进行调理；以及所述信号调理电路的输出作为所述ADC采集电路的输入。

具体的，所述加速度传感器的电压输出动态范围根据不同应用而不同，一般应用的动态范围需求大概96dB-144dB，因此在将模拟电压的数字量化过程中就需要采用较高精度的ADC以及低噪声、低温漂系数的调理电路；本实施例的信号调理电路用于对加速度传感器采集的振动信号进行滤波，即只允许一定频率范围内的振动信号通过，而阻止另一部分频率的振动信号通过，以输出符合要求的振动信号。

图3是本实用新型的无线采集器的信号调理电路图；

如图3所示，所述信号调理电路包括：第一、第二同相比例运算电路；其中所述第一同相比例运算电路包括：第一、第二集成运放；第一集成运放的同相端与加速度传感器的输出端相连，其反相端经电阻R3、电容C6接地；第一集成运放的输出端通过反馈电阻R8接入其反相端；第一集成运放的反相端通过电阻R3连接第二集成运放的同相端，且该反相端还通过电阻R9和电阻R7连接至第二集成运放的输出端；第二集成运放的反相端和输出端相连；以及第一集成运放的输出端还经一分压电路与第二同相比例运算电路相连。

所述第二同相比例运算电路适于采用由第三集成运放构成的电压跟随器；所述分压电路包括：对地串联设置的电阻R23、电阻R25；其中所述电阻R23的一端适于获得输入信号，其另一端适于将分压信号输入至第三集成运放的同相端；以及所述第三集成运放的输出端作为所述信号调理电路的输出端。

具体的，本实施例中，在信号调理电路部分使用的是德州仪器的OPA2180 0.1μV/℃漂移、低噪声、轨到轨输出，36V，零漂移运算放大器，即第一、第二同相比例运算电路包括OPA2180型运算放大器。

图4是本实用新型的无线采集器的ADC采集电路图。

具体的，ADC采集电路使用的采集芯片是德州仪器ADS1220，如图4所示，集成 PGA和基准的4通道、2kSPS、低功耗、24位ADC。ADS1220是一款精密24位模数转换器(ADC)，所集成的多种特性能够降低系统成本并减少小型传感器信号测量应用中的组件数量。该器件具有通过输入多路复用器(MUX)实现的两个差分输入或四个单端输入，一个低噪声可编程增益放大器(PGA)，两个可编程激励电流源，一个电压基准，一个振荡器，一个低侧开关和一个精密温度传感器。此器件能够以高达2000次/秒(SPS)采样数据速率行转换，并且能够在单周期内稳定。此外，该器件还可配置为禁用内部PGA，同时仍提供高输入阻抗和高达4V/V的增益，从而实现单端测量。在禁用PGA后的占空比模式下运行功耗可低至120μA。ADS1220采用无引线VQFN-16或薄型小外形尺寸(TSSOP)-16封装，额定工作温度范围为-40℃至+125℃，可以很好的满足户外恶劣的采集环境。

具体的，本实施例中，所述AD转换模块还包括：AD数据存储电路，在某些采集场合，因为采集速率较大而当前的无线传输空速达不到采集的输出速度，这是就需要在传感器节点使用数据暂存技术，数据暂存技术是基于非易失存储器的数据存储技术，本产品使用的是邦公司推出的大容量SPI FLASH产品，其容量为64Mb，擦写次数大于10万次，可满足数年的数据存储需要，FLASH通过SPI总线与CC2530连接，最大数据传输的速度超过 10Mb/s。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例2提供了一种油井无线振动监测系统，包括：服务器，以及若干如实施例1所述的无线采集器；其中各所述无线采集器适于布置在一定区域内，且各无线采集器中的ZigBee模块构成的ZigBee网络为星型拓扑网络；以及所述服务器适于接收各无线采集器采集的区域振动信号。

关于所述无线采集器的具体结构，请参见实施例1的内容，此处不再赘述。

具体的，实际应用中，所述油井无线振动监测系统需要长时间的离线工作，因此需要低功耗的特点，在设计中无线采集器要做低功耗的处理：

1)电路设计采用低功耗的器件，如ADC，运算放大器和恒流源以及处理器。

2)系统采用低功耗的工作方式，间歇性的循环工作，在不需要采集数据的时间进入低功耗模式以节约电能。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种无线采集器，其特征在于，包括：

加速度传感器、AD转换模块、处理器模块和无线通讯模块；其中

所述加速度传感器适于采集振动信号；

所述AD转换模块适于将振动信号转换成数字量信号，并发送至处理器模块；以及

所述处理器模块适于通过无线通讯模块将所述数字量信号发射出去；

所述无线采集器还包括：用于加速度传感器供电且带有温度补偿的恒流源电路；

所述恒流源电路包括LM334型三端可调恒流源器件；

所述温度补偿包括：电阻R2和二极管VD；

所述电阻R2的一端与LM334的R端相连，其另一端与二极管VD的阴极相连；以及

所述二极管VD的阳极与LM334的电源负端相连。

2.根据权利要求1所述的无线采集器，其特征在于，

所加速度传感器采用IEPE压电式加速度传感器。

3.根据权利要求1所述的无线采集器，其特征在于，

所述AD转换模块包括：信号调理电路和ADC采集电路；其中

所述信号调理电路对所述振动信号进行调理；以及

所述信号调理电路的输出作为所述ADC采集电路的输入。

4.根据权利要求3所述的无线采集器，其特征在于，

所述信号调理电路包括：第一、第二同相比例运算电路；其中

所述第一同相比例运算电路包括：第一、第二集成运放；

第一集成运放的同相端与加速度传感器的输出端相连，其反相端经电阻R3、电容C6接地；

第一集成运放的输出端通过反馈电阻R8接入其反相端；

第一集成运放的反相端通过电阻R3连接第二集成运放的同相端，且该反相端还通过电阻R9和电阻R7连接至第二集成运放的输出端；

第二集成运放的反相端和输出端相连；以及

第一集成运放的输出端还经一分压电路与第二同相比例运算电路相连。

5.根据权利要求4所述的无线采集器，其特征在于，

所述第二同相比例运算电路适于采用由第三集成运放构成的电压跟随器；

所述分压电路包括：对地串联设置的电阻R23、电阻R25；其中

所述电阻R23的一端适于获得输入信号，其另一端适于将分压信号输入至第三集成运放的同相端；以及

所述第三集成运放的输出端作为所述信号调理电路的输出端。

6.根据权利要求1所述的无线采集器，其特征在于，

所述无线通讯模块采用ZigBee模块。

7.一种油井无线振动监测系统，其特征在于，包括：

服务器，以及若干如权利要求1-6任一所述的无线采集器；其中

各所述无线采集器适于布置在一定区域内，且

各无线采集器中的ZigBee模块构成的ZigBee网络为星型拓扑网络；以及

所述服务器适于接收各无线采集器采集的区域振动信号。