一种基于加速度传感器的断路器振动监测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种断路器振动监测系统，具体涉及一种基于加速度传感器的断路器振动监测系统。该系统包括谐振型无线无源声表面波加速度传感器、阅读器、半导体温度传感器、开关量状态传感器和上位机；加速度传感器安装于断路器关键部件的振动源附近；阅读器安装在距离所述加速度传感器2m以内的位置；半导体温度传感器安装于阅读器表面；开关量状态传感器安装于断路器上；阅读器通过串口和以太网接口与所述上位机通信。本实用新型采用无线无源声表面波加速度传感器测量断路器的振动信号，以无线方式传输监测数据，并利用半导体温度传感器实现加速度传感器的温度补偿；加速度传感器具有纯无源、免维护、安装方便、安全性高的优点。
【专利说明】一种基于加速度传感器的断路器振动监测系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种断路器振动监测系统，具体涉及一种基于加速度传感器的断路器振动监测系统。
【背景技术】
[0002]高压断路器作为电力系统中发、输、配电环节中的最为重要的设备，它运行的可靠性对于确保电力系统的安全稳定运行具有至关重要的作用。根据CIGRE与中国电科院的调研结果，机械故障占开关设备故障的近37%，因此对开关设备进行机械故障监测显得极为必要。断路器机械状态在线监测所获得的各类信号里，振动信号所反映的设备运行状态信息的信息量最大，近年来很多学者都在从事从断路器动作时产生的振动信号中提取出有用特征信息的研究，并将其用作断路器机械故障诊断数据样本的来源。断路器机械状态的改变导致振动信号的相应变化，尤其是分、合闸操作时，机构会强烈振动，这是利用振动信号作为故障诊断依据的理论基础。另外，振动信号监测方法是非侵入式的测量方法，不改变高压断路器的内部结构，不影响设备的正常运行。
[0003]振动信号是一系列加速度信号的叠加，所以，利用加速度传感器便可以测量断路器的振动信号。目前，常用的加速度传感器有压电式、压阻式、磁电式几种。压阻式加速度传感器具有频率响应特性好、测量方法易行、线性度好等优点，其缺点是温度效应严重、灵敏度低。压电式加速度传感器结构简单、牢固、体积小、重量轻，加速度测量范围广、具有较强的抗外磁场干扰能力，但它只适合测量高频变化量，且对后续的信号调理电路要求较高。上述两种加速度传感器均采用有线方式与后续处理电路相连，在现场应用中(尤其是开关设备动作时)信号传输线会受到外界电磁干扰，影响测量精度。
[0004]无线无源声表面波加速度传感器采用无线通信方式传输测量信息，绝缘性好，不存在供电的安全隐患及更换电池的问题，无需后期的工程维护。同时传感器的谐振频率随温度漂移的线性度比较好，容易实现温度补偿。此外，无源声表面波加速度传感器实现了固态化，直接输出频率信号，精度高，灵敏度高，特别是它采用了半导体平面工艺制作，便于批量生产，可靠性、一致性很好，因此，它代表了加速度传感器的发展方向。
实用新型内容
[0005]针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种基于加速度传感器的断路器振动监测系统，本实用新型以无线无源声表面波传感测量技术为核心，利用阅读器采集安装在断路器多个位置的谐振式无源声表面波加速度传感器输出的无线信号，通过计算分析得到断路器的振动信息。所用的加速度传感器具有纯无源、免维护、安全可靠、便于安装等特点。
[0006]本实用新型的目的是采用下述技术方案实现的:
[0007]本实用新型提供一种基于加速度传感器的断路器振动监测系统，其改进之处在于，所述系统包括加速度传感器、断路器、阅读器、开关量状态传感器、半导体温度传感器和上位机；所述加速度传感器安装在断路器振动源外表面；所述阅读器安装在距离加速度传感器2m以内的位置；半导体温度传感器安装在阅读器表面；所述开关量状态传感器安装在断路器上；所述阅读器通过串口和以太网接口与所述上位机通信。
[0008]进一步地，所述加速度传感器为谐振型无线无源声表面波加速度传感器，断路器的振动源包括灭弧室外的绝缘套筒的垂直方向、操动机构垂直方向和弹簧机构的缓冲器；所述谐振型无线无源声表面波加速度传感器包括悬臂梁、声表面波谐振器、阻抗匹配网络和天线，所述声表面波谐振器镶嵌在悬臂梁的梁臂上；其中声表面波谐振器包括基底、设置在基底上的叉指换能器IDT及叉指换能器IDT两侧的反射栅；
[0009]所述基底的材料选用石英晶体；悬臂梁为矩形截面，在其末端设置有质量块；所述叉指换能器IDT相连的阻抗匹配网络和天线实现声表面波与电磁波的转换；在叉指换能器IDT两侧排列着反射栅阵列，形成声学谐振腔，即声表面波谐振器。
[0010]进一步地，所述阅读器通过无线方式获取谐振型无线无源声表面波加速度传感器发射的射频信号，阅读器的上行通信接口将采集到的振动信息传输到上位机；
[0011]所述阅读器包括天线、单刀双掷射频开关、射频收发器、微控制器、上行通信接口和开关量输入接口；
[0012]所述天线、单刀双掷射频开关、射频收发器和微控制器依次连接；
[0013]所述开关量输入接口与微控制器连接；
[0014]所述上行通信接口与所述微控制器连接。
[0015]进一步地，所述射频收发器的无线发送、接收端口均通过单刀双掷射频开关与天线连接；
[0016]所述射频收发器内部集成可调步长500Hz的频率合成器、低通滤波器、功率放大器、压控振荡器和低噪声放大器；接收谐振型无线无源声表面波加速度传感器的回波信号并解调为基带信号，输出给微控制器内部集成的A/D转换器。
[0017]进一步地，所述上行通信接口包括RS232串口和以太网接口。
[0018]进一步地，所述单刀双掷射频开关用于切换天线与射频收发器之间的无线发射与接收链路，由微控制器的通用I/o进行控制。
[0019]进一步地，所述开关量输入接口由输入滤波电路和光耦隔离电路构成，用于将开关量转换为数字电平信号并输出至微控制器的通用I/o。
[0020]进一步地，所述微控制器作为阅读器的核心芯片，其内部集成A/D转换器、通用异步收发传输器UART、以太网MAC、SPI接口、通用I/O和中断控制器片上外设；
[0021]所述微控制器通过SPI接口配置射频收发器的内部寄存器和无线发射频率值，通过通用I/o设置微控制器的发送和接收模式；当接收到射频收发器输出的模拟信号时，启动A/D转换器；
[0022]所述微控制器通过通用异步收发传输器UART连接RS232收发器构成RS232串口 ；所述微控制器通过以太网MAC连接以太网收发器构成以太网接口。
[0023]进一步地，所述半导体温度传感器采集环境温度数据，并将环境温度数据传输给阅读器，半导体温度传感器的电源由阅读器内部电路提供；所述半导体温度传感器通过数据线连接到微控制器的通用I/o。
[0024]进一步地，所述开关量状态传感器用于将断路器的分、合闸状态转换为干结点信号传输给阅读器的开关量输入接口；
[0025]所述上位机接收阅读器上传的监测数据，通过处理振动信息对断路器进行机械性能分析和故障诊断。
[0026]与现有技术比，本实用新型达到的有益效果是:
[0027]1.断路器振动监测系统中的加速度传感器为无源传感器，避免了铺设电源线或定期更换电池的工作量，具有免维护、安装方便、体积小、安全可靠等优点；
[0028]2.本实用新型所述振动监测系统能够同时监测多路振动信号，并利用断路器分、合闸信号进行辅助分析计算；
[0029]3.阅读器中采用了具有频率综合、滤波、零中频解调、功率放大、时钟管理、信号强度指示等功能的集成型射频收发芯片，在简化电路设计的同时提高了系统可靠性；
[0030]4.本实用新型所述振动监测系统利用温度传感器输出的环境温度信号实现对所测量加速度值的温度补偿，提高了测量精度；
[0031]5.加速度传感器与阅读器之间采用无线方式传输数据，免去了额外的通信线缆，同时增强了系统抗电磁干扰能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1是本实用新型提供的基于无源声表面波传感器的断路器振动监测系统示意图；
[0033]图2是本实用新型提供的无源声表面波加速度传感器结构原理图；
[0034]图3是本实用新型提供的无源声表面波加速度传感器的声表面波谐振器结构原理图；
[0035]图4是本实用新型提供的阅读器结构原理图。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0037]本实用新型采用多个谐振型无线无源声表面波加速度传感监测断路器振动信号，利用阅读器以扫频方式向传感器发射射频信号，并接收传感器反馈的回波信号，通过计算回波信号的谐振频率得出加速度的值；利用温度传感器测量环境温度，对加速度传感器的测量值进行温度补偿，同时通过监测断路器的分、合闸状态辅助分析断路器的振动信息及机械状态。本实用新型提供的基于无源声表面波传感器的断路器振动监测系统示意图如图1所示。
[0038]1.基于无源声表面波传感器的断路器振动监测系统由谐振型无线无源声表面波加速度传感器、阅读器、开关量状态传感器、半导体温度传感器和上位机构成，如附图1所示。其中，加速度传感器安装在断路器关键部件(故障率高、重要性高)的振动源附近，包括灭弧室外的绝缘套筒(垂直方向)、操动机构(垂直方向)和弹簧机构的缓冲器附近；阅读器安装在距离加速度传感器附近2m以内的位置，通过无线方式获取传感器的测量数据，同时上行通信接口将采集到的振动信息传输到上位机；半导体温度传感器安装在阅读器表面，采集环境温度，并将数据传输给阅读器；开关量状态传感器安装在断路器上，将断路器分、合闸状态传给阅读器。无源声表面波加速度传感器结构原理图如图2所示。[0039]2.无源声表面波加速度传感器无需电池或有线电缆提供电源，与所述阅读器之间通过无线方式通信；所述阅读器通过扫频方式发射射频信号访问多个加速度传感器，通过检测回波信号谐振频率来计算加速度值。
[0040]无源声表面波加速度传感器采用悬臂梁结构，包括悬臂梁、声表面波谐振器、阻抗匹配网络和天线，其中声表面波谐振器包括基底、设置在基底上的叉指换能器及叉指换能器两侧的反射栅。
[0041]基底材料选用石英晶体；悬臂梁为矩形截面，末端附有质量块。石英基底上具有一个叉指换能器(IDT)，结合与其相连的阻抗匹配网络、天线实现声表面波与电磁波的转换。在IDT两侧排列着反射栅阵列，形成一个声学谐振腔，即声表面波谐振器(SurfaceAcoustic Wave Resonator,简称SAWR)。无源声表面波加速度传感器结构如图3所示。
[0042]3.阅读器用于向无源声表面波加速器传感器发射射频信号，并接收其回波信号，由微控制器(STM32F407)、射频收发器(XE1203F)、单刀双掷射频开关(AS177)、天线、上行通信接口、开关量输入接口构成，所述天线、单刀双掷射频开关、射频收发器和微控制器依次连接；所述开关量输入接口与微控制器连接；所述上行通信接口与所述微控制器连接。其结构图如图4所示。
[0043](I)射频收发器内部集成可调的频率合成器(步长500Hz)、低通滤波器、功率放大器、压控振荡器、低噪声放大器等功能模块，可接收微控制器发送的数据并发射频率可调的射频信号；接收加速度传感器的回波信号并解调为基带信号(I，Q)，输出给微控制器内部集成的ADC。射频收发器的无线发送、接收端口通过单刀双掷射频开关连接天线。
[0044](2)上行通信接口包括RS232串口和以太网接口。微控制器通过通用异步收发传输器UART连接RS232收发器构成RS232串口 ；微控制器通过以太网MAC连接以太网收发器构成以太网接口。其中RS232串口用于阅读器功能的调试；以太网接口用于传输阅读器采集的加速度信号、环境温度信息等。
[0045](3)单刀双掷射频开关用于切换天线与射频收发器之间的无线发射与接收链路，由微控制器的通用I/o进行控制。
[0046](4)开关量输入接口由输入滤波电路(采用滤波器)、光耦隔离电路构成，将开关量转换为数字电平信号输出给微控制器的通用I/O。
[0047](5)微控制器为阅读器的核心芯片，其内部集成ADC、UART、以太网MAC、SPI接口、通用I/o、中断控制器等片上外设。微控制器通过SPI接口配置射频收发器的内部寄存器、无线发射频率值等，通过通用I/o设置其发送、接收模式；当接收到射频收发器输出的模拟信号时，便启动A/d转换。微控制器通过内部集成的UART、以太网MAC分别连接RS232收发器和以太网收发器构成串口、以太网接口。
[0048]4.半导体温度传感器采用DS18B20芯片，用于采集环境温度数据，并将环境温度数据传输给阅读器，半导体温度传感器的电源由阅读器内部电路提供；所述半导体温度传感器通过数据线连接到微控制器的通用I/o。
[0049]5.开关量状态传感器可将断路器的分、合闸状态转换为干结点信号传输给阅读器的开关量输入接口。
[0050]6.上位机接收阅读器上传的监测数据，通过处理振动信息对断路器进行机械性能分析、故障诊断。[0051]本实用新型提供一种基于加速度传感器的断路器振动监测方法，包括下述步骤:
[0052](I)在断路器的多个位置安装谐振型无线无源声表面波加速度传感器，在传感器附近2m内安装阅读器。传感器无需外接电源或电池维持工作，与阅读器之间采用无线方式通信。
[0053](2)阅读器向谐振型无线无源声表面波加速度传感器发射射频信号，传感器中的叉指换能器接收到射频信号后将其转换为声表面波并在石英基底上形成谐振，最后又经过叉指换能器转换为射频信号输出。当断路器发生振动时，传感器中的石英材料的基底会受到拉升或压缩，从而改变声表面波的谐振频率；阅读器通过检测回波信号的谐振频率获取加速度值。
[0054](3)阅读器以扫频方式向谐振型无线无源声表面波加速度传感器发射射频信号，射频信号的频率范围为428MHz?438MHz，每个谐振型无线无源声表面波加速度传感器具有独立的谐振频率范围，因此阅读器对多个谐振型无线无源声表面波加速度传感器的输出信号进行区分。
[0055](4)阅读器中的微控制器通过SPI接口向射频收发器写入频率值，从而调节其发射的射频信号频率；发射过程结束后，微控制器通过通用I/o切换射频开关，同时将射频收发器设置为接收模式；射频收发器接收到信号后，便向微控制器的ADC输出经过零中频解调后的基带信号，同时输出中断信号(IRQ);微控制器响应中断后便进行模拟信号采集、A/D转换并计算加速度值，同时读取射频收发器提供的接收信号强度指示值(RSSI)，可判断谐振型无线无源声表面波加速度传感器是否在信号强度大于-15dBm时的有效范围内，以剔除无效背景噪声。
[0056](5)阅读器采集半导体温度传感器输出的环境温度信号，结合存储在控制器中的温度-加速度标定数据表(该数据表是在实验室中经过温度影响试验得出)，对计算的加速值进行插值修正，从而实现温度补偿。
[0057](6)阅读器通过开关量输入接口采集断路器分、合闸信号，并将其作为触发信号，辅助上位机的数据分析。
[0058](7)上位机接收阅读器上传的各类监测数据，并对断路器进行诊断分析。根据上位机显示的不同位置的分合闸振动信号的波形，监控人员通过对比分析可挑选出最能反映断路器分合闸动作过程的波形，并确定谐振型无线无源声表面波加速度传感器的最佳安装位置。
[0059]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本实用新型的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种基于加速度传感器的断路器振动监测系统，其特征在于，所述系统包括加速度传感器、断路器、阅读器、开关量状态传感器、半导体温度传感器和上位机；所述加速度传感器安装在断路器振动源外表面；所述阅读器安装在距离加速度传感器2m以内的位置；半导体温度传感器安装在阅读器表面；所述开关量状态传感器安装在断路器上；所述阅读器通过串口和以太网接口与所述上位机通信。
2.如权利要求1所述的断路器振动监测系统，其特征在于，所述加速度传感器为谐振型无线无源声表面波加速度传感器，断路器的振动源包括灭弧室外的绝缘套筒的垂直方向、操动机构垂直方向和弹簧机构的缓冲器；所述谐振型无线无源声表面波加速度传感器包括悬臂梁、声表面波谐振器、阻抗匹配网络和天线，所述声表面波谐振器镶嵌在悬臂梁的梁臂上；其中声表面波谐振器包括基底、设置在基底上的叉指换能器IDT及叉指换能器IDT两侧的反射栅； 所述基底的材料选用石英晶体；悬臂梁为矩形截面，在其末端设置有质量块；所述叉指换能器IDT相连的阻抗匹配网络和天线实现声表面波与电磁波的转换；在叉指换能器IDT两侧排列着反射栅阵列，形成声学谐振腔，即声表面波谐振器。
3.如权利要求1所述的断路器振动监测系统，其特征在于，所述阅读器通过无线方式获取谐振型无线无源声表面波加速度传感器发射的射频信号，阅读器的上行通信接口将采集到的振动信息传输到上位机； 所述阅读器包括天线、单刀双掷射频开关、射频收发器、微控制器、上行通信接口和开关量输入接口； 所述天线、单刀双掷射频开关、射频收发器和微控制器依次连接； 所述开关量输入接口与微控制器连接； 所述上行通信接口与所述微控制器连接。
4.如权利要求3所述的断路器振动监测系统，其特征在于，所述射频收发器的无线发送、接收端口均通过单刀双掷射频开关与天线连接； 所述射频收发器内部集成可调步长500Hz的频率合成器、低通滤波器、功率放大器、压控振荡器和低噪声放大器；接收谐振型无线无源声表面波加速度传感器的回波信号并解调为基带信号，输出给微控制器内部集成的A/D转换器。
5.如权利要求3所述的断路器振动监测系统，其特征在于，所述上行通信接口包括RS232串口和以太网接口。
6.如权利要求3所述的断路器振动监测系统，其特征在于，所述单刀双掷射频开关用于切换天线与射频收发器之间的无线发射与接收链路，由微控制器的通用I/O进行控制。
7.如权利要求3所述的断路器振动监测系统，其特征在于，所述开关量输入接口由输入滤波电路和光耦隔离电路构成，用于将开关量转换为数字电平信号并输出至微控制器的通用I/O。
8.如权利要求3所述的断路器振动监测系统，其特征在于，所述微控制器作为阅读器的核心芯片，其内部集成A/D转换器、通用异步收发传输器UART、以太网MAC、SPI接口、通用I/O和中断控制器片上外设； 所述微控制器通过SPI接口配置射频收发器的内部寄存器和无线发射频率值，通过通用I/O设置微控制器的发送和接收模式；当接收到射频收发器输出的模拟信号时，启动A/D转换器； 所述微控制器通过通用异步收发传输器UART连接RS232收发器构成RS232串口 ；所述微控制器通过以太网MAC连接以太网收发器构成以太网接口。
9.如权利要求1所述的断路器振动监测系统，其特征在于，所述半导体温度传感器采集环境温度数据，并将环境温度数据传输给阅读器，半导体温度传感器的电源由阅读器内部电路提供；所述半导体温度传感器通过数据线连接到微控制器的通用I/o。
10.如权利要求1所述的断路器振动监测系统，其特征在于，所述开关量状态传感器用于将断路器的分、合闸状态转换为干结点信号传输给阅读器的开关量输入接口 ； 所述上位机接收阅读器上传的监测数据，通过处理振动信息对断路器进行机械性能分析和故障诊断。`
【文档编号】G01H17/00GK203616002SQ201320839222
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2013年12月18日
【发明者】盛万兴, 孙军平, 李玉凌, 李二霞, 史常凯, 姜建钊, 孙智涛, 樊勇华, 许保平, 周自强, 徐晓华, 江明强 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院, 国网浙江海宁市供电公司