CN218350735U - 一种自供电的无线温振复合传感器 - Google Patents

Abstract

本申请实施例涉及钢铁冶金领域，尤其涉及一种自供电的无线温振复合传感器，由温度感知模块和振动感知模块采集被测设备的温度信号和振动信号，然后将温度信号和振动信号通过信号电缆发送至信号采集传输主板，再通过AD采集电路将模拟量信号转换成数字量信号，微处理器接收到数字量信号后进行计算并将计算值通过无线数据收发模块发送至上位机系统，能够同时实现振动信号和温度信号的检测，能够免除电缆的敷设以及电缆桥架的安装；通过能量收集模块采集外界能量，并将之转换成电能后存储进可充电电池，传感器工作时再由可充电电池供电，能够在不延长信号采集发送周期的前提下，延长本申请实施例的的使用时长。

Description

一种自供电的无线温振复合传感器

技术领域

本申请涉及钢铁冶金领域，尤其涉及一种自供电的无线温振复合传感器。

背景技术

国内外的钢铁厂在进行作业时，所使用的绝大部分关键设备都是旋转设备，在技术不发达的前期，钢铁厂对关键设备的维护以定期检修为主，这种方式要么导致维修不足，要么导致过剩维护。

随着科学技术水平的进步和发展，对旋转设备的设备维护从定期检修转向预测性维护。在进行预测性维护时，基于振动信号和温度信号的设备故障预测技术是实现设备预测性维护功能的主要技术手段之一，因此旋转设备开始要求安装振动传感器和温度传感器。

目前工业现场对于振动信号和温度信号的检测主要通过有线式传感器来实现，且温度传感器和振动传感器大多是分开布置，且传感器要通过电缆把信号连接到低压配电室的PLC系统的IO模块，也会导致传感器的电缆量和电缆桥架较多。通过无线温振复合传感器能够解决上述问题，但其一般采用电池供电，其工作性能与电池电能消耗呈正相关，若要延长电池使用时长，则需要延长信号采集发送的周期时间，导致设备的状态信号监测质量下降。

实用新型内容

本申请针对现有技术中振动和温度传感器使用存在的问题，提供了一种自供电的无线温振复合传感器，该传感器可以实现设备的振动信号和温度信号同时感知，并且通过无线传输传感器信号，采用可充电电池和能量收集模块，实现了传感器的自供电，解决了无线传感器需要频繁更换电池的缺点。

本申请提供了一种自供电的无线温振复合传感器，包括传感器主体和信号采集传输主体；所述传感器主体包括振动感知模块、温度感知模块和传感器信号板，所述振动感知模块和温度感知模块分别与所述传感器信号板电性连接；

所述信号采集传输主体包括信号采集传输主板、可充电电池、能量管理和充电控制板、能量收集模块和天线；

所述传感器信号板和所述信号采集传输主板通过信号电缆连接；

所述能量收集模块与所述能量管理和充电控制板电性连接，所述能量管理和充电控制板分别与所述信号采集传输主板、可充电电池电性连接；

所述天线电性连接至所述信号采集传输主板。

可选的，所述能量管理和充电控制板包括整流电路、稳压电路、储能电路和充放电控制电路；所述整流电路、稳压电路、储能电路和充放电控制电路依次电性连接，所述能量收集模块与所述整流电路电性连接，所述充放电控制电路与可充电电池电性连接。

可选的，所述传感器主体还包括一传感器外壳，所述振动感知模块、温度感知模块和传感器信号板均位于所述传感器外壳内；所述信号采集传输主体还包括一信号采集外壳，所述信号采集传输主板、可充电电池、能量管理和充电控制板和能量收集模块均位于所述信号采集外壳内；所述传感器外壳和所述信号采集外壳的底部分别开设一个凹槽，所述凹槽内分别固定安装磁块。

可选的，所述温度感知模块包括一感温探头，所述感温探头内嵌在所述传感器外壳的实心底部，贴近所述传感器外壳的底部外表面。

可选的，所述信号采集传输主板包括一无线数据收发模块，所述天线与所述无线数据收发模块电性连接，所述天线探出所述信号采集外壳外并通过一塑料外壳包裹。

可选的，所述传感器外壳内固定安装至少两个固定座，所述传感器信号板与所述固定座通过螺钉连接；所述振动感知模块固定安装在所述传感器信号板上。

可选的，所述能量收集模块为振动能量收集器或太阳能电池板。

由以上技术方案可知，本申请实施例提供了一种自供电的无线温振复合传感器，由温度感知模块和振动感知模块采集被测设备的温度信号和振动信号，然后将温度信号和振动信号通过信号电缆发送至信号采集传输主板，由于温度感知模块和振动感知模块所采集的信号为模拟量信号，因此需要通过信号调理电路对其进行信号滤波、信号放大等信号调理处理，再通过AD采集电路将模拟量信号转换成数字量信号，再由AD采集电路将数字量信号发送至微处理器，微处理器接收到数字量信号后进行计算并将计算值通过无线数据收发模块发送至上位机系统，能够同时实现振动信号和温度信号的检测，且信号向外发送采用无线传输的形式，能够免除电缆的敷设以及电缆桥架的安装；通过能量收集模块采集外界能量，并将之转换成电能后存储进可充电电池，传感器工作时再由可充电电池供电，能够在不延长信号采集发送周期的前提下，延长本申请实施例的的使用时长。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一示例性实施例示出的自供电无线温振复合传感器的结构示意图；

图2是本申请一示例性实施例示出的传感器电路主板的电路模块框图；

图3是本申请一示例性实施例示出的储能流程示意图；

图4是本申请一示例性实施例示出的周期性工作方法的流程示意图。

其中：

1、传感器外壳，2、振动感知模块，3、温度感知模块，4、传感器信号板，5、固定座，6、磁块，7、信号电缆，8、螺钉，9、信号采集传输主板，10、可充电电池，11、能量管理和充电控制板，12、能量收集模块，13、天线，14、采集传输外壳。

具体实施方式

下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

参见图1，本申请实施例第一方面提供一种自供电的无线温振复合传感器，所述传感器由传感器主体和信号采集传输主体组成。所述传感器主体和信号采集传输主体通过信号电缆7连接，从而实现信号和电能的传输。所述传感器主体包括传感器外壳1、振动感知模块2、温度感知模块3、传感器信号板4、固定座5和磁块6。

所述传感器外壳1采用不锈钢材质制得，呈圆柱体形状，直径25mm～50mm，高度40mm～70mm，传感器外壳1顶部或者侧部开圆孔，用于供信号电缆7穿过。

所述振动感知模块2焊接在传感器信号板4的上表面，以上两者电性连接，振动感知模块2采用MEMS加速度传感器或者压电加速度传感器等，其具有体积小、质量轻、响应快、灵敏度高以及可测量被测物体的加速度等特点。

所述温度感知模块3包括一感温探头，感温探头内嵌在传感器外壳1的实心底部并与所述传感器信号板4电性连接，贴近传感器外壳1的底部外表面，传感器的底部贴合被测设备的表面，温度感知模块3能够快速的检测出被测设备的温度值。

所述传感器信号板4呈圆形，其直径比传感器外壳1的内径小2～3mm，通过固定座4固定在传感器壳体1内，传感器信号板4两侧分别开设固定孔，固定座5共两个且其上均开设螺孔，通过螺钉8穿过固定孔后拧入螺孔，将传感器信号板4固定在固定座5上。

所述传感器外壳1底部开设一个凹槽，磁块6安装在凹槽内，磁块6的外端面平齐于传感器外壳1的底部外表面，磁块6选用强磁性的材料制得，例如钕铁硼强磁铁，从而构成传感器的磁吸底座。凹槽和磁块6均为环形结构，磁吸底座方便所述传感器的现场安装，安装过程不需要打孔、攻螺纹，也方便维修时拆卸；其他实施例中，也可选用其他形状的凹槽和磁块6。

所述传感器壳体1内部采用导热灌封胶进行灌封保护其内部电子部件以及连接电缆的接头，导热灌封胶具有良好的导热性和阻燃性，低粘度，流平性好，固化形成柔软的橡胶状，抗冲击性好，附着力强，绝缘，防潮，抗震，抗氧化，抗漏电等性能，导热灌封胶可使传感器本体做到IP65以上的防护等级。

所述信号采集传输主体包括信号采集传输主板9、可充电电池10、能量管理和充电控制板11、能量收集模块12、天线13和采集传输外壳14，所述信号采集传输主板9、可充电电池10和能量管理和充电控制板11均固定安装于所述采集传输外壳14内。

所述信号电缆7的一端连接所述传感器信号板4的信号接口端子排，另一端连接所述信号采集传输主板9的信号接口端子排。

所述能量收集模块12与所述能量管理和充电控制板11电性连接，所述能量管理和充电控制板11分别与所述信号采集传输主板9、可充电电池10电性连接。

所述能量管理和充电控制板11包括整流电路、稳压电路、储能电路和充放电控制电路。

参见图2，所述信号采集传输主板9包括信号调理电路、AD采集电路、微控制器、无线数据收发模块和电源管理电路。无线数据收发模块可以采用Lora模块、Zigbee模块或者NB-IOT模块。

所述天线13通过IPEX接口与无线数据收发模块连接，通过塑料外壳布置在所述采集传输外壳14的侧部，所述采集传输外壳14与所述塑料外壳可通过粘接等方式固定连接，天线13设于塑料外壳内，能够避免天线13被外部物体或人为损坏，且无线信号不会塑料外壳所阻。

所述采集传输外壳14底部开设一个凹槽，且所述凹槽内安装另一个磁块6。所述采集传输外壳14上的凹槽和磁块6为矩形、方形或圆形结构，所述采集传输外壳14也为矩形、方形或圆形结构，该结构能够实现所述信号采集传输主体与被测设备的快速连接或拆卸。

所述能量收集模块12为振动能量收集器或太阳能电池板。

选用振动能量收集器时，将所述振动能量收集器以悬梁臂的结构固定在振动源即旋转设备上，参见图3，所述能量收集模块12将收集到的振动能量转换成交流电压信号，然后将所述交流电压信号发送至所述能量管理和充电控制板11；所述能量管理和充电控制板11通过整流电路将所述交流电压信号转换为直流电压信号，然后通过稳压电路实现电压稳定输出，再通过储能电路实现能量的存储，然后将之发送至充放电控制电路，由所述充放电控制电路实现对所述可充电电池10的充放电控制。

所述储能电路选用电容器即可。

选用太阳能电池板时，由于其输出的是直流电压，因此不需要整流电路，所述直流电压输入稳压电路，实现电压的稳定输出，再通过储能电路实现能量的存储，然后将之发送至充放电控制电路，由所述充放电控制电路实现对所述可充电电池10的充放电控制即可。

由以上技术方案可知，本申请实施例提供了一种自供电的无线温振复合传感器，由温度感知模块和振动感知模块采集被测设备的温度信号和振动信号，然后将温度信号和振动信号通过传感器信号板和信号电缆发送至信号采集传输主板，由于温度感知模块和振动感知模块所采集的信号为模拟量信号，因此需要通过信号调理电路对其进行信号滤波、信号放大等信号调理处理，再通过AD采集电路将模拟量信号转换成数字量信号，再由AD采集电路将数字量信号发送至微处理器，微处理器接收到数字量信号后进行计算并将计算值通过无线数据收发模块发送至上位机系统，能够同时实现振动信号和温度信号的检测，且信号向外发送采用无线传输的形式，能够免除电缆的敷设以及电缆桥架的安装；通过能量收集模块采集外界能量，并将之转换成电能后存储进可充电电池，传感器工作时再由可充电电池供电，能够在不延长信号采集发送周期的前提下，延长本申请实施例的的使用时长。

参见图4，本申请实施例另一方面提供一种自供电的无线温振复合传感器的周期性工作方法，所述方法用以使所述传感器根据周期时间进行工作或者休眠，工作前，MCU(微处理器)的系统时钟、外设模块以及GPIO(通用输入与输出)的输入输出状态进行初始化配置，所述外设模块包括微控制器的串口、定时器、SPI通讯接口或者I2C通讯接口，所述方法包括：

S1：AD采集电路(AD转换芯片)将振动感知模块和温度感知模块采集的模拟量信号转换成数字量信号；所述MCU通过SPI总线或者I2C总线与所述AD转换芯片连接，获取所述数字量信号；

S2：所述MCU根据所述AD转换芯片的电压基准和位数，计算出振动信号的电压值，根据电压值与振动感知模块加速度的线性关系，计算出振动加速度值；同理，计算出温度值；

S3：所述MCU按照无线传输协议格式将振动加速度值和温度值打包封装，然后所述MCU调用无线数据发送函数，将含有振动加速度值和温度值的第一数据包发送至无线数据收发模块；所述无线数据收发模块将所述第一数据包发送至无线网络的网关；所述网关将所述第一数据包发送至上位机系统；

所述通讯协议格式选用LoraWan的通讯协议格式或者其它无线方式的通讯协议格式。

S4：所述上位机系统将周期时间修改指令打包封装后发送至所述无线数据收发模块，所述MCU的主程序判断所述无线数据收发模块是否接收到含有周期时间修改指令的第二数据包，若是，则执行步骤S5；若否，则执行步骤S6；

S5：所述主程序对所述第二数据包进行数据处理，所述主程序将处理后得到的数据赋值给周期时间设定值T2；

所述数据处理为所述主程序对第二数据包按照无线传输协议格式进行解包。

S6：所述主程序将周期时间当前值T1清零，调用休眠指令，使所述MCU进入休眠状态；

S7：所述MCU进入休眠状态后，定时器中断保持工作状态，在定时中断函数中执行T1＝T1+1程序语句，判断T1是否等于T2，若是，则执行步骤S8；

S8：所述主程序调用唤醒指令，使所述MCU进入工作状态，执行步骤S1～S3。

本实施例中，所述MCU工作期间，所述无线数据收发模块还能用以接收所述上位机系统发出的周期时间修改指令，再将所述周期时间修改指令发送至所述MCU，所述MCU修改周期时间设定值T2，从而更改所述MCU的工作间隔，实现远程设置。本实施例将所述传感器的工作状态分为休眠模式和工作模式，当所述传感器处于休眠模式时，不进行振动信号和温度信号的采集以及无线信号的发送工作，所述MCU外设模块中的串口和通讯接口等也停止工作，能够降低电能消耗。

由以上技术方案可知，本申请实施例提供了一种自供电的无线温振复合传感器，由温度感知模块和振动感知模块采集被测设备的温度信号和振动信号，然后将温度信号和振动信号通过信号电缆发送至信号采集传输主板，由于温度感知模块和振动感知模块所采集的信号为模拟量信号，因此需要通过信号调理电路对其进行信号滤波、信号放大等信号调理处理，再通过AD采集电路将模拟量信号转换成数字量信号，再由AD采集电路将数字量信号发送至微处理器，微处理器接收到数字量信号后进行计算并将计算值通过无线数据收发模块发送至上位机系统，能够同时实现振动信号和温度信号的检测，且信号向外发送采用无线传输的形式，能够免除电缆的敷设以及电缆桥架的安装；使无线温振复合传感器呈周期性工作，从而减少无线温振复合传感器非工作期间的耗能，且通过能量收集模块采集外界能量，并将之转换成电能后存储进可充电电池，传感器工作时再由可充电电池供电，能够在不延长信号采集发送周期的前提下，延长本申请实施例的的使用时长。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种自供电的无线温振复合传感器，其特征在于，包括：传感器主体和信号采集传输主体；所述传感器主体包括振动感知模块(2)、温度感知模块(3)和传感器信号板(4)，所述振动感知模块(2)和温度感知模块(3)分别与所述传感器信号板(4)电性连接；

所述信号采集传输主体包括信号采集传输主板(9)、可充电电池(10)、能量管理和充电控制板(11)、能量收集模块(12)和天线(13)；

所述传感器信号板(4)和所述信号采集传输主板(9)通过信号电缆(7)连接；

所述能量收集模块(12)与所述能量管理和充电控制板(11)电性连接，所述能量管理和充电控制板(11)分别与所述信号采集传输主板(9)、可充电电池(10)电性连接；

所述天线(13)电性连接至所述信号采集传输主板(9)。

2.根据权利要求1所述的自供电的无线温振复合传感器，其特征在于，所述能量管理和充电控制板(11)包括整流电路、稳压电路、储能电路和充放电控制电路；所述整流电路、稳压电路、储能电路和充放电控制电路依次电性连接，所述能量收集模块(12)与所述整流电路电性连接，所述充放电控制电路与可充电电池(10)电性连接。

3.根据权利要求1所述的自供电的无线温振复合传感器，其特征在于，所述传感器主体还包括一传感器外壳(1)，所述振动感知模块(2)、温度感知模块(3)和传感器信号板(4)均位于所述传感器外壳(1)内；所述信号采集传输主体还包括一信号采集外壳(14)，所述信号采集传输主板(9)、可充电电池(10)、能量管理和充电控制板(11)和能量收集模块(12)均位于所述信号采集外壳(14)内；所述传感器外壳(1)和所述信号采集外壳(14)的底部分别开设一个凹槽，所述凹槽内分别固定安装磁块(6)。

4.根据权利要求3所述的自供电的无线温振复合传感器，其特征在于，所述温度感知模块(3)包括一感温探头，所述感温探头内嵌在所述传感器外壳(1)的实心底部，贴近所述传感器外壳(1)的底部外表面。

5.根据权利要求3所述的自供电的无线温振复合传感器，其特征在于，所述信号采集传输主板(9)包括一无线数据收发模块，所述天线(13)与所述无线数据收发模块电性连接，所述天线(13)探出所述信号采集外壳(14)外并通过一塑料外壳包裹。

6.根据权利要求3所述的自供电的无线温振复合传感器，其特征在于，所述传感器外壳(1)内固定安装至少两个固定座(5)，所述传感器信号板(4)与所述固定座(5)通过螺钉(8)连接；所述振动感知模块(2)固定安装在所述传感器信号板(4)上。

7.根据权利要求1所述的自供电的无线温振复合传感器，其特征在于，所述能量收集模块(12)为振动能量收集器或太阳能电池板。

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