CN209961327U

CN209961327U - 振动传感器及振动检测系统

Info

Publication number: CN209961327U
Application number: CN201920606107.9U
Authority: CN
Inventors: 王建国; 申亚琪; 廖建辉
Original assignee: Suzhou Jiejie Sensing Technology Co Ltd
Current assignee: Suzhou Jiejie Sensing Technology Co Ltd
Priority date: 2019-04-29
Filing date: 2019-04-29
Publication date: 2020-01-17
Anticipated expiration: 2029-04-29

Abstract

本实用新型揭示了振动传感器及振动检测系统，传感器包括探头组件，包括振动检测芯片,探头组件的质量小于其所测结构的质量的1/10；数据转换及收发电路，与探头组件在物理空间上分离，并通过通信线连接以进行通信。本方案将信号采集与供电、数据转换等分割开，从而可以极大的减小探头组件的重量和体积，可以满足狭小空间的安装要求，降低对被测结构的动态特性的影响，保证测量精度；另一方，电源与探头组件分开后，电池的容量不再受到探头组件的体积限制，有效的解决了振动传感器整体小型化与设备续航能力的矛盾，并且可以将多种供电方式集成从而适用于不同的应用场景，应用灵活性大大改善，应用范围广，便于推广。

Description

振动传感器及振动检测系统

技术领域

本实用新型涉及振动测量领域，尤其是振动传感器及振动检测系统。

背景技术

振动传感器是用于采集各种物体振动的重要仪器，常规的振动传感器包括组装在一起的外壳、振动检测芯片、电池、数据转换电路板、通信模块等元件，这就造成振动传感器的整体尺寸和质量往往较大，对于一些狭小安装空间的应用场景，传统的振动传感器结构因体积较大而经常无法有效安装，并且，当需要在测量对象上布置大量传感器或测量轻小试件的振动时，振动传感器的质量大小就显得十分重要了，因振动为传感器的附加质量对被测结构动态特性有较大的影响。

同时，传统的传感器一般由电池供电，由于传感器体积的限制，所以电池容量一般比较低，满足不了实时波形或频繁数据传输，因此振动传感器整体小型化与设备续航能力的矛盾成为影响振动传感器使用的重要因素；并且由于，体积的限制，常规的针对传感器一般仅有一种供电方式，无法适用于不同的工业现场的供电环境。

另外，一般的振动传感器由于体积的限制，往往采用有线传输或无线传输方式进行通信，单一的通信方式限制了其应用。

最后，现有的振动传感器无法满足设备预测性维护、建模分析的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种振动传感器及振动检测系统。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

振动传感器，用于固定在非旋转振动部件上，包括

探头组件，其中集成有用于采集振动信号的振动检测芯片,所述探头组件的质量小于其所测结构的质量的1/10；

电源组件，与所述探头组件在物理空间上分离，并通过电源线为探头组件供电；

数据转换及收发电路，与所述探头组件在物理空间上分离，并通过通信线连接以进行通信，且与电源组件连接。

优选的，所述的振动传感器中，所述振动传感器的质量满足安装谐振频率在50-100KHz之间。

优选的，所述的振动传感器中，所述探头组件包括安装体，所述振动检测芯片固设于所述安装体内，所述安装体的一端具有用于连接的螺杆。

优选的，所述的振动传感器中，所述振动检测芯片为压电陶瓷振动传感器。

优选的，所述的振动传感器中，所述探头组件还包括温度检测芯片。

优选的，所述的振动传感器中，所述电源组件包括充电锂电池及市电供电电路及直流供电电路。

优选的，所述的振动传感器中，所述数据转换及收发电路包括RS485接口和射频收发单元。

优选的，所述的振动传感器中，所述数据转换及收发电路还包括外扩SRAM。

优选的，所述的振动传感器中，所述电源线和通信线集成为一根连接线，所述连接线的一端连接到一连接头，所述探头组件上具有与所述连接头匹配的连接座，并且，所述连接头和连接座上具有位置匹配的定位孔和定位凸筋。

优选的，所述的振动传感器中，所述连接座的外壁具有外螺纹，所述外螺纹处覆盖有类金刚石薄膜层，所述连接头具有可与所述连接座的外螺纹连接的螺母。

本实用新型技术方案的优点主要体现在：

本方案设计精巧，结构简单，将信号采集与供电、数据转换等分割开，从而可以极大的减小探头组件的重量和体积，从而可以满足狭小空间的安装要求，并且能够降低对被测结构的动态特性的影响，保证测量精度；另一方，电源与探头组件分开后，电池的容量不再受到探头组件的体积限制，可以根据应用需要选择相应容量的电池，有效的解决了振动传感器整体小型化与设备续航能力的矛盾，并且可以将多种供电方式集成从而适用于不同的应用场景，应用灵活性大大改善，应用范围广，便于推广。

本方案的数据转换电路中外扩了64Mbit SRAM以存储过程数据，可以做状态建模分析，能够有效适应工业现场设备健康状态诊断分析的要求。

本方案将有线通信和无线通信方式结合，可以有效的适应不同应用场合的环境条件，应用的灵活性更好，并且通信距离更远。

本方案的接线方式方便快捷、连接稳定，并且螺纹等螺接部位具有类金刚石薄膜层，能够有效的利用其自身耐磨和自润滑特性，从而间隙连接时的磨损和降低操作难度，延长零件的使用寿命，提高操作效率。

本方案的中增加了三色LED灯，能够进行各种状态提示，并且由于三色LED灯位于安装位置外部，便于工作人员直观的观察。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的原理示意图；

图3是本实用新型的连接座和连接头的示意图；

图4是本实用新型的连接座的放大图；

图5是本实用新型的系统的示意图。

具体实施方式

本实用新型的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本实用新型技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本实用新型要求保护的范围之内。

在方案的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。并且，在方案的描述中，以操作人员为参照，靠近操作者的方向为近端，远离操作者的方向为远端。

下面结合附图对本实用新型揭示的振动传感器进行阐述，其用于固定在非旋转振动部件上以测量其振动，当需要在测量对象上布置大量传感器或测量轻小试件的振动时，振动传感器的质量大小显得十分重要，因为振动传感器的附加质量(振动传感器中除了传感芯片之外的其他部分的质量)对被测结构动态特性有较大影响，其影响可进似根据如下公式(1)进行估算

式中，f_s为振动传感器的附加质量对被测结构动态特性的影响程度，f_m为带振动传感器的结构固有频率，m_a为振动传感器的附加质量,m_s为结构在该阶固有频率下的等效质量。通过发明人的研究发现，一般来说，振动传感器的质量在小于其所测结构的质量的1/10时，对被测结构动态特性的影响几乎可以忽略。

因此，为了减小振动传感器的附加质量和尺寸，本方案中的振动传感器，如附图1、附图2所示，包括

探头组件1，其中集成有用于采集振动信号的振动检测芯片11，所述探头11的质量小于其所测结构的质量的1/10；

电源组件2，与所述探头组件1在物理空间上分离，并通过电源线为探头组件1供电；

数据转换及收发电路3，与所述探头组件1在物理空间上分离，并通过通信线连接以进行通信，且与电源组件2连接。

由于所述探头组件1和电源组件2及数据转换及收发电路3不是一体的结构，因此，当安装在设备上时，只有探头组件1位于设备上，此时探头组件1的质量为施加在设备上的负荷，而电源组件2和数据转化及转发电路3可以通过电源线和通信线设置于远离待测设备的地方，相对于传统的结构，传感器的附加质量大大降低，从而有效的降低了对动态特性的影响，且更加易于狭小场合的应用。

详细来看，如附图1、附图2所示，所述探头组件1包括安装体12，所述安装体12整体是一内部具有腔体121的柱体，并且所述安装体12的一端具有用于连接设备的螺杆122，所述螺杆122的表面覆盖有类金刚石薄膜，因此在使用时，通过螺杆122连接在相应的螺孔中即可；当然，所述安装体12也可以采用其他方式安装，例如，在另一种优选的实施例中，所述安装体12的外壁上设有永磁吸盘(图中未示出)。

如附图1、附图2所示，所述振动检测芯片11位于所述安装体12的内腔中，并且，所述振动检测芯片11可以是已知的各种用于振动测量的振动检测芯片，优选为压电陶瓷振动传感器，其能够满足高量程、宽频响的要求；进一步，所述安装体12内还设置有温度检测芯片13，所述温度检测芯片13可以是已知的各种用于测量温度的传感器，优选为TP100温度传感器，能满足-40℃～125℃温度测量范围，并且其与所述振动检测芯片11集成在一起，例如，它们集成在一块PCB板14上，在安装时，将PCB板14固定在所述安装体12内即可。

如附图1、附图2所示，所述PCB板14上还形成有对振动检测芯片11和温度检测芯片13的信号进行调理的调理电路(图中未示出)，所述调理电路连接到信号输出接口，其用于将传感器采集的模拟信号的输出电压进行了调理供后续的AD转换单元处理，以满足AD装换单元的采集范围；所述调理电路及其与振动检测芯片11和温度检测芯片13的连接关系可以是已知的各种电路的结构，为已知技术，不作赘述，并且，所述信号输出接口与所述电源线接口集成为一个连接座7，所述电源线接口和所述PCB板14上的IDO电路15连接，所述IDO电路15用于将与其连接的电源组件2的供电转换为所述振动检测芯片11和温度检测芯片13及调理电路所需的工作电压，以为它们供电。

如附图1、附图2所示，所述电源组件2及数据转换及收发电路3集成为一个供电及数据处理装置4，所述供电及数据处理装置包括具有内腔的壳体41，所述壳体41的外部设置有缓冲垫，所述电源组件2和数据转换及收发电路3集成于同一电路板上，所述电源组件2采用电池供电、市电供电和直流供电三种方式，由电源管理电路实现三者的有效管理和切换，三种供电方式及电源管理电路的具体结构及它们的连接电路均为现有技术，本方案的适于实用的改进方案在于将三种供电方式集成在一起，从而能够满足不同应用场景的使用需要，并且，对主要的设备参数进行了研究和设置，其中，电池及市电供电电路中的电池21是锂电池且容量为40000mAH，即使设备附近没有其他供电系统，一直处于系统最大功耗50mA的运行条件下,电池21也能满足振动传感器一个月的供电量要求，并且，所述电池21可从电路板上拆卸和安装，即电路板上设置有电池安装槽；市电供电主要通过可与连接市电的适配器23连接电源组件的电源接口22实现，所述适配器23包括AC-DC转换器及DC-DC转换器，若现场有220V交流电即可通过适配器23连接供电；用于直流供电的直流供电电路可选择9-36V宽范围，当设备使用现场有12V、24V、36V等直流电源是，都可以直接供电，并且所述电路板上还设置有LDO电路24以将各种电源的电压降低至数据转换及收发电路3所需的工作电压以进行供电。

如附图1、附图2所示，所述数据转换及收发电路3可以是已知的各种具有将探头组件1采集的信号进行采集、处理和传输的电路结构，其是已知技术，在此不作赘述，并且其与电源组件2的连接同样是已知技术，不作赘述，本方案的适于实用的改进在于，所述数据转换及收发电路3中的AD转换单元31优选是高精度20位分辨率器件，所述数据转换及收发电路3中的MCU32优选型号为STM32L471RGT6的振动检测芯片，其具有功耗低的特点,在Standby模式时，能耗为420nA,并且，内置1MbitSRAM，可以轻松传输400ms加速度波形；所述数据转换及收发电路3的信号输出通过输出输入接口33和射频收发单元34实现，其中所述输出输入接口优选为RS485接口，所述射频收发单元34优选为zigbee模块，此处RS485接口及zigbee模块及它们与整个电路的连接结构均为已知技术，不作赘述，本方案的适于实用的改进在于，在不受传感器体积的限制的条件下，将有线和无线两种数据传输方式有效的结合，从而可以有效的适应多种场合的应用需要。

并且，如附图1、附图2所示，为了能适应工业现场设备健康状态诊断分析，所述数据转换及收发电路3还包括与所述MCU32连接通信的外扩SRAM35(静态随机存取存储器)用以存储过程数据，做状态建模分析，所述外扩SRAM35的存储空间为64Mbit，并且SRAM相对FLASH具有读写速度快的特点，64Mbit SRAM能够一次性传输3-10s的数据波形，其中SRAM及其与电路连接的结构为已知技术，不作赘述。

进一步，如附图1、附图2所示，在所述数据转换及收发电路3中还包括三色LED灯36，能够进行温度、加速度阈值报警，以及信号数据传输功能提示的功能，其中三色LED灯自身的结构及其与电路的连接为已知技术，在此不作赘述，其发光区显露在所述壳体41的外部。

另外，为了方便组装，如附图1、附图2所示，所述电源线和通信线集成为一根连接线5，所述连接线5的外壁喷涂有电磁屏蔽涂料(图中未示出)，并且所述连接线5的外端套装有铁氟龙套管(图中未示出)，从而可以有效的对外界电磁干扰进行防护，并对连接线5进行保护。

所述连接线5的一端连接到一与所述探头组件1的连接座7相匹配的连接头6，如附图3所示，所述连接头6和连接座7上具有位置匹配的定位孔61和定位凸筋71；并且，为了避免设备振动导致连接头6和连接座7的连接出现松动，如附图1、附图4所示，在所述连接座7的外壁上设置有外螺纹72，所述外螺纹72处覆盖有类金刚石薄膜层73，所述连接头6具有可与所述连接座7的外螺纹72螺接的螺母62。

本方案进一步揭示了一种振动检测系统，如附图5所示，包括上述的振动传感器，所述振动传感器通过有线或无线的方式将数据传输给工业网关、4G上云或以太网，并通过串行或网口传输给PC或服务器，本系统中将全新设计的振动传感器应用于现有的振动检测系统中，从而可以充分发挥新设计的振动传感器在应用中的优势。

本实用新型尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.振动传感器，用于固定在非旋转振动部件上，其特征在于：包括

探头组件（1），其中集成有用于采集振动信号的振动检测芯片(11)；所述探头组件（1）的质量小于其所测结构的质量的1/10；

电源组件（2），其与所述探头组件（1）在物理空间上分离并通过电源线为探头组件（1）供电；

数据转换及收发电路（3），其与所述探头组件（1）在物理空间上分离并通过通信线连接以进行通信，且其与电源组件（2）连接。

2.根据权利要求1所述的振动传感器，其特征在于：所述探头组件（1）包括安装体（12），所述振动检测芯片（11）固设于所述安装体(12)内，所述安装体的一端具有用于连接的螺杆。

3.根据权利要求2所述的振动传感器，其特征在于：所述振动检测芯片（11）为压电陶瓷振动传感器。

4.根据权利要求2所述的振动传感器，其特征在于：所述探头组件（1）还包括温度检测芯片（14）。

5.根据权利要求1所述的振动传感器，其特征在于：所述探头组件（1）的质量满足安装谐振频率在50-100 KHz之间。

6.根据权利要求2所述的振动传感器，其特征在于：所述电源组件（2）包括充电锂电池及市电供电电路和直流供电电路。

7.根据权利要求2所述的振动传感器，其特征在于：所述数据转换及收发电路（3）包括RS485接口（33）和射频收发单元（34）。

8.根据权利要求2所述的振动传感器，其特征在于：所述数据转换及收发电路（3）还包括外扩SRAM（35）。

9.根据权利要求2所述的振动传感器，其特征在于：所述电源线和通信线集成为一根连接线（5），所述连接线（5）的一端连接到一连接头（6），所述探头组件（1）上具有与所述连接头（6）匹配的连接座（7），并且，所述连接头（6）和连接座（7）上具有位置匹配的定位孔（61）和定位凸筋（71）。

10.根据权利要求9所述的振动传感器，其特征在于：所述连接座（7）的外壁具有外螺纹，所述外螺纹处覆盖有类金刚石薄膜层，所述连接头（6）具有可与所述连接座（7）的外螺纹连接的螺母（62）。