CN210834174U - 一种基于共振解调的无线振动传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于共振解调的无线振动传感器，包括依次连接的电荷放大调理电路、采集调理电路、高速高精度AD模块、ARM芯片和WIFI模组；所述的电荷放大调理电路的前端还设置有压电敏感元件。本实用新型将共振解调技术、无线传输集成到传感器中，一体化设计提高了系统可靠性、便捷性和智能性，传感器通过无线传输免去了布线麻烦，可同时部署多个测点进行测试，试验验证共振解调技术集成到传感器识别有效，同时通过算法前移到传感器端，可以减小中间数据传输量，具有很好的实用价值，后续可以将故障诊断逻辑进一步移植到传感器中，直接输出诊断结果进一步提高传感器智能性。

Description

一种基于共振解调的无线振动传感器

技术领域

本实用新型涉及轴承故障检测技术领域，具体的说是一种基于共振解调的无线振动传感器。

背景技术

滚动轴承是旋转机械中应用最广泛的一种通用机械部件。旋转机械的许多故障都与滚动轴承有着密切的关联。据统计，在使用滚动轴承的旋转机械设备中，约有30％的机械故障是与轴承损伤有关联的。可见，滚动轴承工作状态是否正常对于整个机械设备乃至整条生产线的运行状态有着重大影响。

当前主流的故障诊断方式采用压电振动传感器和共振解调采集器构建系统，存在现场不易部署、不易扩展、不好管理的问题，尤其是对于工业现场，现场环境恶劣，信号线容易受扰动导致分析不准。

实用新型内容

针对现有技术中旋转机械滚动轴承故障诊断系统部署不便，现场扩展性差等不足，本实用新型设计了一种基于共振解调技术的无线振动传感器；将共振解调采集端和传感器采用一体化设计，避免信号走线，克服传感器体积增大对振动和谐振的影响，实现了振动冲击信号采集、共振解调、故障诊断、无线传输的功能。

技术方案：本实用新型解决问题所采用的技术方案为：一种基于共振解调的无线振动传感器，包括依次连接的电荷放大调理电路、采集调理电路、高速高精度AD模块、ARM芯片和WIFI模组；所述的电荷放大调理电路的前端还设置有压电敏感元件，压电敏感元件采集信号，电荷放大调理电路将将振动及谐振信号传递至采集调理电路；而所述的采集调理电路通过低噪声运放印制噪声并做抗混叠滤波处理，带宽需要涵盖谐振信号频率2倍以上；通过高速高精度AD模块将高采样率的采集信号送至ARM芯片做共振解调，再将共振解调数据通过WIFI模组实时传输；并且所述的ARM芯片还设置有晶振模块和存储模块。

作为优选，还包括不锈钢底座以及立在不锈钢底座上通过焊接固定的不锈钢壳体，所述的不锈钢壳体通过螺纹固定有聚四氟乙烯塑料壳，不锈钢底座上通过螺栓固定有采集板，并设置电池盒通过螺栓固定在不锈钢底座和不锈钢壳体上，并且不锈钢壳体上还固定有防水航插，采集板上通过接插件焊接有无线发射板，同时通过设置导向槽和电池盒连接到一起，给采集板提供电源。

作为优选，所述的不锈钢底座内安装有压电敏感件，该压电敏感件包括压电敏感元件、用于固定压电敏感元件的预紧力锁紧结构件、将压电敏感元件包裹在内的金属屏蔽内筒以及屏蔽筒上盖。

作为优选，所述的采集调理电路同样设置在金属屏蔽内筒中，并相应与采集板8相连；并且所述的压电敏感元件设置为加速度传感器。

作为优选，所述的ARM芯片采用ST公司的STM32H743型号芯片，工作主频480MHz，缓存1M字节，自带DSP浮点运算，满足后续共振解调实时运算。

作为优选，所述的高速高精度AD模块采用ADI公司的AD7682，16位分辨率，无失码，动态范围设置为93.8dB，满足信号采集精度要求。

作为优选，所述的WIFI模组采用乐鑫的wifi模组ESP32-WROVER-B，片内有8MBPSRAM，数据传输不畅时用于缓存数据，模块支持802.11b/g/n协议，模组尺寸18×31.4×3.3，采用TCP/IP协议；模组作为节点主动连接到上位机，利于多点同时实时监测，重新编写了底层驱动程序，增加了缓存队列，实测数据传输速率达2Mbps，满足当前采样传输要求。

有益效果：本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：本实用新型将共振解调技术、无线传输集成到传感器中，一体化设计提高了系统可靠性、便捷性和智能性，传感器通过无线传输免去了布线麻烦，可同时部署多个测点进行测试，试验验证共振解调技术集成到传感器识别有效，同时通过算法前移到传感器端，可以减小中间数据传输量，具有很好的实用价值，后续可以将故障诊断逻辑进一步移植到传感器中，直接输出诊断结果进一步提高传感器智能性。

附图说明

图1为本实用新型原理框图；

图2为本实用新型结构图；

图3为本实用新型中的压电敏感件安装示意图；

图4为本实用新型中的电荷放大调理电路图；

图5为本实用新型主流程图；

图6为本实用新型数据处理流程图；

图7为通过接收本装置的数据和原始数据绘制的时域对比图；

图8为通过本装置数据得到FFT谱和原始数据得到的FFT谱的对比图；

图9为图7中0-1kHz区域放大对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。

如图1所示，一种基于共振解调的无线振动传感器，包括依次连接的电荷放大调理电路、采集调理电路、高速高精度AD模块、ARM芯片和WIFI模组；所述的电荷放大调理电路的前端还设置有压电敏感元件，压电敏感元件采集信号，电荷放大调理电路将将振动及谐振信号传递至采集调理电路；而所述的采集调理电路通过低噪声运放印制噪声并做抗混叠滤波处理，带宽需要涵盖谐振信号频率2倍以上；通过高速高精度AD模块将高采样率的采集信号送至ARM芯片做共振解调，再将共振解调数据通过WIFI模组实时传输；并且所述的ARM芯片还设置有晶振模块和存储模块。

其中的压电敏感元件为电荷信号，通过电荷放大调理电路调理成电压信号，采集调理电路通过低噪声运放抑制噪声并做抗混叠滤波，带宽需要涵盖谐振信号频率2倍以上，通过高采样率采集信号，送至ARM芯片做共振解调，将共振解调数据和实时数据通过WIFI模组实时传输。

如图2所示，本装置的硬件结构包括不锈钢底座1以及设置在不锈钢底座1上的壳体，该壳体包括设置在不锈钢底座1上的不锈钢外壳2以及接装在外壳2上的防止信号衰减的聚四氟乙烯塑料壳3；壳体内还设置有用于安装锂电池的电池盒4以及壳体的侧边还安装有防水航插5，并且壳体内还通过设置的导向槽6导向安装无线发射板7，并且壳体的底部安装采集板8。

具体的不锈钢底座1以及立在不锈钢底座1上通过焊接固定的不锈钢壳体2，所述的不锈钢壳体2通过螺纹固定有聚四氟乙烯塑料壳3，不锈钢底座1上通过螺栓固定有采集板8，并设置电池盒4通过螺栓固定在不锈钢底座1和不锈钢壳体2上，并且不锈钢壳体2上还固定有防水航插5，采集板8上通过接插件焊接有无线发射板7，同时通过设置导向槽6和电池盒4连接到一起，给采集板8提供电源.

如图3所示，不锈钢底座1设置为镂空剪切型结构，该不锈钢底座1内安装有压电敏感件，该压电敏感件包括压电敏感元件、用于固定压电敏感元件的预紧力锁紧结构件、将压电敏感元件包裹在内的金属屏蔽内筒以及屏蔽筒上盖；上述结构均为刚线连接，组成独立的高谐振频率且可控的谐振单元组件，由于压电敏感件是高阻抗，易于受干扰，因此在屏蔽筒里面集成低噪声调理电路，调理成低输入阻抗信号引出到采集板，保证了振动信号高低频宽带响应、提高了信噪比以及抗干扰性能。

如图4所示，电荷放大调理电路中，P1为压电敏感元件，一级运放电路将电荷放大并转化为电压信号，其中R3用于调整电路低频响应特性，C1为反馈电容，R1取值在M欧以上，运放选用高输入阻抗放大器，二级运放电路用于调整传感器灵敏度输出。

本装置的主芯片为ARM芯片，采用STM32H743型号芯片，工作主频480MHz，缓存1M字节，自带DSP浮点运算，满足后续共振解调实时运算；高速高精度AD模块采用AD7682，16位分辨率，无失码，动态范围设置为93.8dB，满足信号采集精度要求；信号通过抗混叠滤波调理后送至AD模块，主芯片通过SPI获取数据，对数据进行共振解调后通过高速串口传输到WIFI模组，并将数据实时传出。

WIFI模组采用乐鑫模组ESP32-WROVER-B，片内有8MBPSRAM，数据传输不畅时用于缓存数据，模块支持802.11b/g/n协议，模组尺寸18×31.4×3.3，采用TCP/IP协议；模组作为节点主动连接到上位机，利于多点同时实时监测，重新编写了底层驱动程序，增加了缓存队列，实测数据传输速率达2Mbps，满足当前采样传输要求。

如图5所示，本装置的主流程如下：传感器上电，设备初始化，WIFI模组按默认配置主动连接到AP，主动向默认配置IP和端口发起TCP/IP连接，连接建立成功，完成和上位机数据交互。上位机可下发报文可设置更改传感器节点连接AP，以及建立连接IP和端口地址等，模组接收报文，并通过推送给主MCU，主MCU解析报文并放回相应报文，根据报文内容进行操作，包括采样率接变更、灵敏度变更、启停命令等，主MCU接收到开始采集命令报文时控制AD采集数据并做数据处理分析，最后将振动解调数据和原始数据以及计算特征数据传输给WIFI模组，WIFI模组收到数据后通过无线传输到上位机，为保证无线连接可靠，设置心跳包，当连接意外断开时自动重连。

如图6所示，本装置的数据处理流程如下：数据处理程序主要对数据进行预处理，通过高通、选频放大带通、高通、绝对值检波和低通滤波组合实现共振解调，同时计算诊断相关特征值包括：加速度峰值、速度有效值、峭度指标、峰值指标、裕度指标等。

通过将本装置的无线振动传感器安装到轴承试验上进行测试验证；轴承选SKF6314深沟球轴承，有内圈和外圈故障，采集数据对比分析共振解调的准确性。轴承参数：滚动体个数Z＝8，滚动体直径d＝25.4mm，轴承中径D＝110mm，接触角α＝0；轴承试验台转速1800转。根据轴承故障频率计算公式计算轴承故障频率如表1所示：

表1

结构	内圈	外圈	保持架	滚动体
					特征频率	147.7	92.3	12	123

如图7所示，上位机通过WIFI测试软件接收数据绘制时域图形以及通过原始数据绘制的时域图形进行对比；而FFT谱对比图则如图8所示；在图9中将图7内0-1kHz的区域放大；从图中可以看出，原始数据频谱中，轴承故障频率淹没在常规振动中，频谱以轴承固有频率为主，原因就是轴承内外圈冲击引起了结构共振；共振解调谱轴承内圈(93Hz)和外圈故障频率(147Hz)及倍频非常明显，在传感器端做解调能有效的分析出轴承故障位置，同时可以降低无线传输数据量，体现了传感器采集分析一体化设计的有效和实用性。

综上，本装置将共振解调技术、无线传输集成到传感器中，一体化设计提高了系统可靠性、便捷性和智能性，传感器通过无线传输免去了布线麻烦，可同时部署多个测点进行测试，试验验证共振解调技术集成到传感器识别有效，同时通过算法前移到传感器端，可以减小中间数据传输量，具有很好的实用价值，后续可以将故障诊断逻辑进一步移植到传感器中，直接输出诊断结果进一步提高传感器智能性。

上述具体实施方式只是本实用新型的一个优选实施例，并不是用来限制本实用新型的实施与权利要求范围的，凡依据本实用新型申请专利保护范围内容做出的等效变化和修饰，均应包括于本实用新型专利申请范围内。

Claims (7)

1.一种基于共振解调的无线振动传感器，其特征在于：包括依次连接的电荷放大调理电路、采集调理电路、高速高精度AD模块、ARM芯片以及WIFI模组；所述的电荷放大调理电路的前端还设置有压电敏感元件，压电敏感元件感应信号，经过电荷放大调理后送采集调理电路；而所述的采集调理电路通过低噪声运放抑制噪声并做抗混叠滤波处理，通过高速高精度AD采集信号送至ARM芯片做共振解调，再将共振解调数据通过WIFI模组实时传输；并且所述的ARM芯片还设置有晶振模块和存储模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于共振解调的无线振动传感器，其特征在于：还包括不锈钢底座(1)以及立在不锈钢底座(1)上通过焊接固定的不锈钢壳体(2)，所述的不锈钢壳体(2)通过螺纹固定有聚四氟乙烯塑料壳(3)，不锈钢底座(1)上通过螺栓固定有采集板(8)，并设置电池盒(4)通过螺栓固定在不锈钢底座(1)和不锈钢壳体(2)上，并且不锈钢壳体(2)上还固定有防水航插(5)，采集板(8)上通过接插件焊接有无线发射板(7)，同时通过设置导向槽(6)和电池盒(4)连接到一起，给采集板(8)提供电源。

3.根据权利要求2所述的一种基于共振解调的无线振动传感器，其特征在于：所述的不锈钢底座(1)设置为镂空剪切型结构，该不锈钢底座(1)内安装有压电敏感件(9)，该压电敏感件(9)包括压电敏感元件、用于固定压电敏感元件的预紧力锁紧结构件、将压电敏感元件包裹在内的金属屏蔽内筒以及屏蔽筒上盖。

4.根据权利要求3所述的一种基于共振解调的无线振动传感器，其特征在于：所述的采集调理电路同样设置在金属屏蔽内筒中，并相应与采集板(8)相连；并且所述的压电敏感元件设置为加速度传感器。

5.根据权利要求1所述的一种基于共振解调的无线振动传感器，其特征在于：所述的ARM芯片采用ST公司的STM32H743型号芯片，工作主频480MHz，缓存1M字节，自带DSP浮点运算，满足后续共振解调实时运算。

6.根据权利要求1所述的一种基于共振解调的无线振动传感器，其特征在于：所述的高速高精度AD采用ADI公司的AD7682芯片，16位分辨率，无失码，动态范围设置为93.8dB，满足信号采集精度要求。

7.根据权利要求1所述的一种基于共振解调的无线振动传感器，其特征在于：所述的WIFI模组采用乐鑫的wifi模组ESP32-WROVER-B，片内有8MBPSRAM，数据传输不畅时用于缓存数据，模块支持802.11b/g/n协议，模组尺寸18×31.4×3.3，采用TCP/IP协议。

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