振动传感装置、数据筛选及方向判断方法、风机监测系统与流程

本发明涉及一种振动传感装置、数据筛选及方向判断方法、风机监测系统，具体为多方向振动传感装置及使用该多方向振动传感装置的风机振动监测系统和数据筛选及振动方向判断方法。

背景技术

风力发电作为一种清洁、可再生的新型能源发展迅速，风力发电机(简称风机)数量急剧增加。风机作为风力发电的关键设备，由于运行环境复杂，不可避免地会出现故障。如果因此导致非正常停机，会严重影响发电效率。所以，监测风机的关键运行信号，分析诊断风机故障是非常必要和迫切的。风机的故障主要包括电气故障和机械故障，目前关于风机电气信号的监测和分析诊断系统较为成熟，而对于风机机械信号的监测分析及故障诊断技术还相对匮乏。风机的机械故障通常是从振动方面表现出来的，根据对振动信号的监测分析进行风机的机械故障诊断是当前风机维护管理的主要手段。

现有技术中，对于风机振动信号的监测分析是通过在监测部位设置振动传感器，并将采集的数据通过电缆或光纤传输给主控plc以及与主控plc连接的服务器。现有技术中在风机待检测部位设置的振动传感器大多只能采集单方向的振动数据，而在实际情况下，风机监测部位会在多方向上均进行振动，并且不同方向的振动对监测部位的影响不尽相同，现有的振动传感器无法采集其他方向上的振动数据，降低了振动传感器采集数据的准确性、无法对监测部位的振动方向进行准确的判断。另外，现有报道的风机振动监测系统通常需要振动传感器采集的信号实时传输，其中包含有环境本身存在对风机监测部位构不成损害的微小振动，增大了数据传输量、占据了系统数据库的大量空间并且增大了分析服务器的工作强度，严重降低了监测分析系统的效率。此外，现有技术中公开的风机振动监测系统均需要外接电源或者提供备用电池为振动传感器及其他用电部件进行供电，并且通过有线通信的方式进行数据传输，导致布线复杂，后期维护困难。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种风机振动监测系统，以解决现有技术中振动监测系统只能采集单方向的振动数据、无法准确判断振动方向的技术问题；还提供一种多方向振动传感装置和数据筛选及振动方向判断方法。

为实现上述目的，本发明风机振动监测系统的技术方案是：一种风机振动监测系统，包括风机多方向振动传感器、数据传输模块、风机主控plc和监测分析服务器，所述风机多方向振动传感器包括多方向振动传感装置，多方向振动传感装置包括用于安装在风机待监测部位上的安装座，所述安装座上设有可随风机待监测部位的振动发生偏摆的摆块，所述安装座上环绕所述摆块布置有多个弹性梁对，各弹性梁对均包括沿中心对称布置的两个弹性梁，各弹性梁上分别设有在对应弹性梁被摆块撞击时发生形变并将形变量转换为对应电信号的压电片。

本发明的有益效果是：本发明提供的风机振动监测系统包括风机多方向振动传感器、数据传输模块、风机主控plc和监测分析服务器，所述风机多方向振动传感器包括多方向振动传感装置，多方向振动传感装置包括安装座和设在安装座上的摆块，安装座上环绕布置有多个弹性梁对，各弹性梁对均包括沿中心对称布置的两个弹性梁，各弹性梁上分别设有压电片。使用时，当风机待监测部位发生振动时，能够带动摆动发生偏摆，摆块撞击弹性梁并发生反弹，在撞击弹性梁时，压电片能够发出对应的电信号，通过判断是否具有电信号以及电信号的大小，能够判断出该方向是否为振动方向，本发明中，通过设置多个沿周向布置的弹性梁，能够测出风机待监测部位多个方向的振动，采集多个方向的振动数据，提高了数据采集的准确性。

各所述弹性梁沿周向均匀间隔布置，相邻两弹性梁之间的周向间距小于所述摆块的外部尺寸，且摆块的外部尺寸小于两周向间距与弹性梁周向尺寸之和。

所述安装座上沿周向间隔布置有多个径向滑槽，各所述弹性梁径向位置可调地设于该径向滑槽内。

所述弹性梁的一端设于所述安装座上，另一端为自由端，自由端上背离所述摆块的一侧设有端部加重块，弹性梁的根部设有所述的压电片。

所述安装座包括用于安装在风机待监测部位上的底座和固定罩设在底座上的罩体，所述底座和罩体上分设有所述的弹性梁和摆块，所述摆块通过拉簧悬置于所述罩体的顶端内壁上。

所述摆块包括悬置于罩体顶端内壁上的顶部永磁体，多方向振动传感装置还包括设于底座上并与顶部永磁体上下对应的底部永磁体，顶部永磁体和底部永磁体之间设有位于由顶部永磁体和底部永磁体形成的磁场内的电磁线圈，所述电磁线圈具有延伸至罩体外部的两接线端。

所述摆块还包括由内至外依次套装于顶部永磁体周向外部的磁隔离套和刚性碰撞套。

多方向振动传感装置还包括套装于所述电磁线圈和底部永磁体外部的磁屏蔽套，所述罩体为磁屏蔽外壳。

本发明多方向振动传感装置的技术方案是：一种多方向振动传感装置，包括用于安装在风机待监测部位上的安装座，所述安装座上设有可随风机待监测部位的振动发生偏摆的摆块，所述安装座上环绕所述摆块布置有多个弹性梁对，各弹性梁对均包括沿中心对称布置的两个弹性梁，各弹性梁上分别设有在对应弹性梁被摆块撞击时发生形变并将形变量转换为对应电信号的压电片。

本发明的有益效果是：本发明提供的多方向振动传感装置包括安装座和设在安装座上的摆块，安装座上环绕布置有多个弹性梁对，各弹性梁对均包括沿中心对称布置的两个弹性梁，各弹性梁上分别设有压电片。使用时，当风机待监测部位发生振动时，能够带动摆动发生偏摆，摆块撞击弹性梁并发生反弹，在撞击弹性梁时，压电片能够发出对应的电信号，通过判断是否具有电信号以及电信号的大小，能够判断出该方向是否为振动方向，本发明中，通过设置多个沿周向布置的弹性梁，能够测出风机待监测部位多个方向的振动，采集多个方向的振动数据，提高了数据采集的准确性。

各所述弹性梁沿周向均匀间隔布置，相邻两弹性梁之间的周向间距小于所述摆块的外部尺寸，且摆块的外部尺寸小于两周向间距与弹性梁周向尺寸之和。

所述安装座上沿周向间隔布置有多个径向滑槽，各所述弹性梁径向位置可调地设于该径向滑槽内。

所述弹性梁的一端设于所述安装座上，另一端为自由端，自由端上背离所述摆块的一侧设有端部加重块，弹性梁的根部设有所述的压电片。

所述安装座包括用于安装在风机待监测部位上的底座和固定罩设在底座上的罩体，所述底座和罩体上分设有所述的弹性梁和摆块，所述摆块通过拉簧悬置于所述罩体的顶端内壁上。

所述摆块包括悬置于罩体顶端内壁上的顶部永磁体，多方向振动传感装置还包括设于底座上并与顶部永磁体上下对应的底部永磁体，顶部永磁体和底部永磁体之间设有位于由顶部永磁体和底部永磁体形成的磁场内的电磁线圈，所述电磁线圈具有延伸至罩体外部的两接线端。

所述摆块还包括由内至外依次套装于顶部永磁体周向外部的磁隔离套和刚性碰撞套。

多方向振动传感装置还包括套装于所述电磁线圈和底部永磁体外部的磁屏蔽套，所述罩体为磁屏蔽外壳。

本发明数据筛选和振动方向判断方法的技术方案是：检测多组间隔设定时间取样的各弹性梁的电信号数据，设定阈值，若任意一组内的各电信号数据均小于该阈值，则舍弃该组电信号数据；若在任意相邻的两组有效的电信号数据中，仅有其中一个弹性梁对中的两个弹性梁所对应的电信号数据大于阈值且交替出现最大值，则该弹性梁对所在的方向即为风机待监测部位的振动方向；若在任意相邻的两组有效的电信号数据中，两相邻弹性梁对中每个弹性梁对的两个弹性梁所对应的电信号数据均大于阈值，且交替出现最大值，则该相邻弹性梁对所对应的电信号数据合成的方向为风机待监测部位的振动方向。

本发明的有益效果是：通过数据筛选，能够将无用的电信号数据进行删除，减小了数据传输量、减轻了系统数据库的存储压力和分析服务器的工作强度，提高了监测分析系统的效率。根据保留下来的有效的电信号数据，能够准确判断出风机振动的方向，不仅能对触发一对弹性梁对的情况进行振动方向判断，也能够合成同时触发两对弹性梁对的情况下的振动方向，实现对多方向振动的监测。

附图说明

图1为本发明风机振动监测系统的流程示意图；

图2为本发明风机振动监测系统实施例中多方向振动传感装置的示意图；

图3为本发明风机振动监测系统实施例中数据筛选和振动方向判断策略流程图；

图4为本发明风机振动监测系统实施例中振动方向判断和数据三角合成原理图；

图5为本发明风机振动监测系统实施例中监控分析模块的功能示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明的风机振动监测系统的具体实施例，如图1至图5所示，风机振动监测系统包括传感模块u1、信号调理电路u2、数据处理与控制模块u3、zigbee无线传输模块u4、集中处理模块u5、监测分析模块u6以及电源管理电路u7。其中，传感模块u1、信号调理电路u2、数据处理与控制模块u3构成了风机多方向振动传感器。zigbee无线传输模块u4包含终端发射节点u41和协调器接收节点u42。传感模块u1为自供电振动传感装置，其一方面将风机监测部位的振动信号转换为电信号经信号调理电路u2滤波、峰值保持处理后传输至数据处理与控制模块u3进行ad采样、阈值比较以及振动方向判断等处理，然后将带有振动方向的有效数据通过spi接口传送至终端发射节点u41进行无线发送，接收端的协调器接收节点u42收到数据后经串口传输至集中处理模块u5，即风机主控plc，在此，其将接收到的风机各振动监测部位的信号进行集中处理和存储并通过光纤以太网发送至监测分析模块u6，即监测分析服务器上进行显示、存储和故障分析诊断；另一方面，传感模块u1收集环境中的振动能量并转化为电能经电源管理电路u7整流、储能、dc/dc稳压处理后为数据处理与控制模块u3和终端发射节点u41供电，实现振动信号采集传感、处理以及传出的自供电。

其中，传感模块u1包括多方向振动传感装置，多方向振动传感装置包括底座1、自供电部分2、多方向振动传感部分3和磁屏蔽外壳4构成。其中，底座1和磁屏蔽外壳4均为圆形，磁屏蔽外壳4为罩设在底座1上的罩体。底座1的中心部位开设有用来与风机待监测部位连接的螺纹孔101，在底座1上沿周向间隔均布有多个径向滑槽102。

自供电部分2包括底部永磁体201、电磁线圈202、磁屏蔽套203、顶部磁部件204和拉簧205，顶部磁部件204包括顶部永磁体20401，顶部永磁体20401与底部永磁体201上下对应，在顶部永磁体20401的周向外部由内向外依次套装有磁隔离套20402和刚性碰撞套20403。底部永磁体201固定在底座1的中心位置处，同时位于磁屏蔽套203内，电磁线圈202也固定在磁屏蔽套203内，顶部磁部件204通过拉簧205安装在磁屏蔽外壳4上，拉簧205的一端与顶部磁部件204相连、另一端与磁屏蔽外壳4相连。本实施例中，顶部永磁体20401与底部永磁体201之间的磁极相对(即相对的两端中一个为n极、一个为s极)。顶部永磁体20401在底部永磁体201与拉簧205的双重作用下处于动态稳定的状态，顶部永磁体20401可以在很小的任意方向的环境振动激励下发生振动，并且由于磁力的非线性，使顶部永磁体20401可以拾取环境中宽频带的振动。而由于底座1以及磁屏蔽外壳4安装在风机待监测部位上，顶部永磁体20401一直处于振动状态，处于顶部永磁体20401和底部永磁体201形成的磁场中的电磁线圈202能够感受到时变的磁通量，从而输出电能。

本实施例中，在磁屏蔽外壳4上开设有两个出线孔401，供电磁线圈202的两个接线端伸出，电磁线圈202内的电能经过整流电路、储能电路以及dc/dc稳压后向后续的数据处理与控制模块u3、zigbee无线传输模块u4进行供电，能够实现自供电，不需要外接电源和备用电池。

多方向振动传感部分3包括8根沿周向均匀间隔布置的承力件301，分别命名为a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2、d2，本实施例中，a1和a2相对、b1和b2相对、c1和c2相对、d1和d2相对，多方向振动传感部分3还包括上述的顶部磁部件204和拉簧205，其中承力件301包括安装在对应的径向滑槽102内的弹性梁30101，其中，弹性梁30101为布置在径向滑槽102内的悬臂结构，弹性梁30101可以在径向滑槽102内滑动以调整弹性梁30101的径向位置，在弹性梁30101上还开设有螺纹孔30104，在弹性梁30101调整到位后通过在螺纹孔30104内旋装顶紧螺钉能够将弹性梁30101固定。弹性梁30101的上端外侧设置有端部加重块30102，在弹性梁30101的根部还设置有压电片30103。

使用时，通过调整承力件301的位置，使得承力件301与顶部磁部件204之间的间距满足以下要求：正常使用时承力件301与顶部磁部件204之间不发生碰撞，在顶部磁部件204随风机待监测部位进行摆动时，能够与一个或相邻的两个承力件301进行碰撞。

本实施例中，各承力件301环绕顶部磁部件204周向间隔均布，而且，两相邻承力件301之间的周向间距应小于顶部磁部件204的外径，能够使得无论顶部磁部件204朝任意的方向摆动，均可以撞击到弹性梁，各承力件301之间的间距还应该保证，在顶部磁部件204摆动时，最多只能顶推两个承力件301，便于后续的数值运算。即顶部磁部件204的外径应当小于两个间距与承力件301之和。

本实施例中，底座1、底部永磁体201、电磁线圈202、磁屏蔽套203、顶部磁部件204以及磁屏蔽外壳4的形状为圆形，承力件301中的端部加重块30102和压电片30103的形状为方形，固定底盘1、磁屏蔽套203、磁隔离套20402和磁屏蔽外壳4的材料为金属铝；端部加重块30102的材料为金属铅；刚性碰撞套20403的材料为合金钢；弹性梁30101的材料为合金铍青铜。本实施例中，关于中心对称布置的两个弹性梁构成了弹性梁对，本实施例包括四个弹性梁对。

使用时，在风机正常运行时，顶部磁部件204在拉簧205的作用下与承力件301之间保持一定的间距，当风机待监测部位发生振动时，顶部磁部件204受力发生较大偏摆，短时会定向碰撞周向分布的承力件301中的一个或两个，以a1或a1、b1为例，随后会反向碰撞a2或a2、b2，接着又会碰撞a1或a1、b1，如此反复几次。承力件a1或a1、b1以及a2或a2、b2发生形变，压电片30103感受应变，从而将振动信号转换为电信号输出，振动越强，输出的电压信号越大；振动越弱，输出的电压信号越小。承力件301在风机的运行环境中，即使未被顶部磁部件204碰撞，也会有微小的振动，即有微小电信号输出。这些信号经信号调理电路u2处理后，传输至数据处理与控制模块u3。同时，数据处理与控制模块u3能够对压电片输出的电压信号进行处理。

数据处理与控制模块u3选用低功耗、多i/o口、处理性能强的芯片msp430f5438。模块内设置阈值s。标记其ad采样后，承力件a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2、d2的数据分别为da1、db1、dc1、dd1、da2、db2、dc2、dd2。其筛选有效数据，判断振动方向的策略如图3所示。以顶部磁部件204碰撞a1或a1、b1为例，此时da1或da1、db1应当为组中最大数据。如果组1(da1、db1、dc1、dd1、da2、db2、dc2、dd2)中没有数据大于阈值s，则将组1数据丢弃；反之，则将组1(da1、db1、dc1、dd1、da2、db2、dc2、dd2)保存，并根据随后传入的组2、组3、组4数据决定组1数据是否有效。若组1(da1、db1、dc1、dd1、da2、db2、dc2、dd2)中只有da1大于阈值s，则判断组2(da1、db1、dc1、dd1、da2、db2、dc2、dd2)中是否最大数据是da2，如果是则再根据组3、组4数据继续判断，否则将组1数据视为无效数据，丢弃。若组3(da1、db1、dc1、dd1、da2、db2、dc2、dd2)中最大数据为da1，组4(da1、db1、dc1、dd1、da2、db2、dc2、dd2)中最大数据为da2，则认为组1(da1、db1、dc1、dd1、da2、db2、dc2、dd2)数据有效，并且可以确定监测部位的振动方向为沿着承力件a1、a2的方向，然后取出组1中的da1加上振动方向传送至zigbee无线传输模块；否则，认为组1(da1、db1、dc1、dd1、da2、db2、dc2、dd2)数据为无效数据，将其丢弃。若组1(da1、db1、dc1、dd1、da2、db2、dc2、dd2)中da1、db1大于阈值s，则接着判断随后传入的组2数据；如果组1(da1、db1、dc1、dd1、da2、db2、dc2、dd2)中有超过两个数据大于阈值s，则认为组1(da1、db1、dc1、dd1、da2、db2、dc2、dd2)数据为无效数据，将其丢弃。若组2(da1、db1、dc1、dd1、da2、db2、dc2、dd2)中da2、db2大于其余数据，则再根据组3、组4数据继续判断，否则，将组1数据视为无效数据，丢弃。若组3(da1、db1、dc1、dd1、da2、db2、dc2、dd2)中最大数据为da1、db1，组4(da1、db1、dc1、dd1、da2、db2、dc2、dd2)中最大数据为da2、db2，则认为组1(da1、db1、dc1、dd1、da2、db2、dc2、dd2)数据有效，并可根据承力件a1、b1，a2、b2的位置和组1(da1、db1、dc1、dd1、da2、db2、dc2、dd2)中da1、db1依据相似三角形原理确定振动方向然后将组1(da1、db1、dc1、dd1、da2、db2、dc2、dd2)中da1、db1根据振动方向合成d后加上判断的振动方向传送至zigbee无线传输模块，振动方向判断和数据三角合成原理如图4所示。否则，认为组1(da1、db1、dc1、dd1、da2、db2、dc2、dd2)数据为无效数据，将其丢弃。在模块内设置阈值并经过两轮判断，一方面可以丢弃无效数据，减少需要传输的数据量；另一方面可以确定振动方向；另外，通过设置阈值的方式还可以有效避免由于电磁等干扰和顶部磁部件无效振荡引起的误差。

数据传输部分采用低功耗、低成本、高可靠性的zigbee无线传输模块u4，终端发射节点u41和协调器接收节点u42均选用cc2530最小系统。终端发射节点u41平时保持休眠模式，当有数据需要发送时，将其唤醒，等数据传输结束后，其继续进入休眠模式。协调器接收节点u42收到数据后，传输至集中处理模块u5。集中处理模块u5为风机主控plc，其将接收到的风机各监测部位的信号进行集中处理和存储，并传输至监测分析服务器。

如图5所示，监测分析模块u6即监测分析服务器的功能包括监测管理和分析诊断，即对收到的数据进行显示、存储和查询，并根据测试样本库、故障历史库、专家分析库等对风机监测部位的振动情况进行分析和故障诊断。

本实施例中，顶部磁部件构成了摆块，既起到了自供电作用，也起到了撞击弹性梁的作用。磁屏蔽外壳构成了罩体，罩体和底座构成了安装座，本实施例中，弹性梁设置在底座上，摆块通过拉簧悬置在罩体的顶端内壁上，其他实施例中，可以将弹性梁和摆块的位置互换，或者，将摆块和弹性梁均设置在底座或罩体上。

其他实施例中，若仅为了实施撞击弹性梁，可以将摆块设置为普通的撞击块，而磁屏蔽外壳也可以为普通的罩体。

本发明多方向振动传感装置的具体实施例，多方向振动传感装置的结构与上述实施例中的一致，在此不再赘述。

本发明数据筛选及振动方向判断的方法的具体实施例，该方法与上述实施例中的一致，其内容不再赘述。