量程可变的振动信号无线传感系统的制作方法

本发明属于工业数据采集和故障诊断领域，涉及量程能够自适应调节的振动监测系统。

背景技术：

舱内空间密闭，金属设备较多，以有线的方式实现分布式节点通信会提高环境的复杂度，节点位置受限，网络节点容量较低，而无线传感网络是一种较好的选择。

通过无线传感网络加振动传感器的方式可以监测舱内环境中的振动情况，若有机器发生故障，其振动信号在一定程度上会发生变化。通过采集这些振动数据，进行特征提取再基于机器学习算法进行判定，可以有效地排查故障。而为了全面地监测舱内各处的工作情况，应该在舱内各处布置传感器节点，使得监测系统能够统筹全局、完成监测。因此需要把传感器节点和无线传感网络结合起来进行组网，网络结构如图1所示。传统的无线组网技术如zigbee、蓝牙等在抗干扰能力和传输速率上存在不足。

同时，在实际应用中，大多数故障诊断方法只注重算法的设计，对于系统的整体设计例如数据传输、数据采集等内容没有深入的研究。事实上，在实际应用这些问题也是至关重要的，振动数据的采集和传输是故障诊断的数据来源，如果在数据方面无法做到精确采集和传输，即使算法再准确，也无法保证结果的正确性。同时，传统的振动传感监测系统量程固定，不能灵活变化，但是在实际应用中，由于使用场景的不同、器件工作状态的不同、器件类型的不同的等多种因素，振动数据的范围也是不同的。若量程远大于信号的振幅，则降低了采集数据的精度，若量程小于信号的振幅，则无法正确获取振动信号幅度。即使是同样的器件，随着运行时间的变化或者工作模式的变化，振动幅度都会发生变化，因此事先调整好的固定量程无法满足监测的需要。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决固定量程的振动传感器无法准确采集振动信号数据、采用zigbee或蓝牙技术组网传输速度不足的问题，提供了一种量程可变的振动信号无线传感系统。

本发明所述量程可变的振动信号无线传感系统，该系统为一种由采集节点、路由节点和汇聚节点组成的树状网络，且采用超宽带通信技术uwb进行节点间通信；

所述采集节点包括振动传感器、ad数据采集模块、微处理器、超宽带无线通信模块、天线、dac控制模块和振动传感器电源驱动电路；

振动传感器采集的振动信号通过ad数据采集模块发送给微处理器，所述振动信号通过超宽带无线通信模块、天线发送出去；

微处理器通过dac控制模块控制振动传感器电源驱动电路为振动传感器提供工作电压，当微处理器检测到接收的振动信号衰弱或者增强时，通过改变振动传感器供电电压的大小来改变振动传感器的量程。

优选地，还包括系统电源，所述系统电源为振动传感器电源驱动电路提供工作电源。

优选地，振动传感器包括敏感结构、前级电荷放大器、前置相位补偿器、环路滤波器、带通滤波器和加速度反馈单元，振动信号与加速度反馈单元输出的加速度信号叠加后输入敏感结构，敏感结构输出电压信号经前级电荷放大器、前置相位补偿器、环路滤波器和带通滤波器后输出。

优选地，敏感结构可测量加速度的量程为

其中，cf是敏感结构中等效积分电容，d为平衡状态下敏感结构中上下两个极板和质量块的间距，ω0为振动频率，c0为静态电容，vr是参考电压，vcc为振动传感器的供电电压。

优选地，微处理器改变振动传感器的量程的具体过程为：

微处理器对比振动信号的幅度和传感器量程之间的关系，当出以下三种情况时通过改变振动传感器的供电电压vcc来改变量程：

若振动信号的幅度小于传感器量程的1/2，表征量程过大，则通过降低振动传感器的供电电压vcc来降低量程；

若振动信号的幅度大于量程的3/4，表征量程过小，则通过提高振动传感器的供电电压vcc来提高量程；

若振动信号幅度处于量程的1/2和3/4之间，表征量程合适，不改变振动传感器的供电电压vcc。

优选地，环路滤波器采用积分器电路实现。

优选地，加速度反馈单元将带通滤波器输出的数字电压信号转换为模拟的加速度信号。

本发明的有益效果：本发明振动信号无线传感系统根据现场实际信号幅值适应性改变振动传感器的量程，使得量程与振动信号幅度相匹配，以采集准确数据用于系统故障诊断。

在舱内环境中，由于存在多径效应、空间狭窄等因素，通信网络需要具有较高的抗干扰能力，并且转发速率要足够快，而传统的无线传感技术如zigbee、蓝牙等并不能达到这一速率要求，因此本发明基于超宽带通信技术uwb(ultrawideband)的无线传感网络进行组网通信。

uwb技术是一种具有高抗干扰能力的通信技术，但是传统的uwb技术通常应用于室内定位领域，使用星状网络进行通信，市场上和学术界对于uwb技术组网通信的研究较少。而本发明将uwb转用于组网技术进行树状组网，进行数据的转发，该网络具有强抗干扰能力，对比于传统的无线传感网络具有更高的通信速率和抗干扰能力。各传感器节点通过树状网络将振动数据上报，为故障诊断算法提供了足够的数据支持。数据中心使用故障诊断算法处理数据并判断是否有故障发生，从而完成对待测目标全方位的监测。本发明用于室内、舱内等多种场景下的机器故障诊断。

附图说明

图1是本发明所述量程可变的振动信号无线传感系统的网络拓扑图；

图2是振动传感器采集节点的原理框图；

图3是振动传感器的原理框图；

图4是振动传感器的等效结构图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

具体实施方式一：下面结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述量程可变的振动信号无线传感系统，参见图1所示，该系统为一种由采集节点、路由节点和汇聚节点组成的树状网络，且采用超宽带通信技术uwb进行节点间通信；采集节点采集到数据后，采集节点通过超宽带无线通信模块和天线将数据转发给对应的路由节点，各个路由节点会将数据汇总到汇聚节点中，汇聚节点会把所有的振动数据都上传到上位机中。然后上位机会通过相应的故障诊断算法对机器的运行情况做出判断。

参见图2，所述采集节点包括振动传感器、ad数据采集模块、微处理器、超宽带无线通信模块、天线、dac控制模块和振动传感器电源驱动电路；

振动传感器采集的振动信号通过ad数据采集模块发送给微处理器，所述振动信号通过超宽带无线通信模块、天线发送出去；

微处理器通过dac控制模块控制振动传感器电源驱动电路为振动传感器提供工作电压，当微处理器检测到接收的振动信号衰弱或者增强时，通过改变振动传感器供电电压的大小来改变振动传感器的量程。

振动传感器在新的量程下继续采集数据并输出给ad数据采集模块，微处理器可通过分析振动数据来确定合适的量程。传感器的输出被采集后发送至微处理器加以分析，从而构成了采集-分析-改变量程的闭环系统，使系统具有自适应性改变量程的能力。

进一步包括系统电源，所述系统电源为振动传感器电源驱动电路提供工作电源。

参见图4，振动传感器的等效结构图，这种结构为常规结构，包括上下极板及质量块等部件。

参见图3，振动传感器包括敏感结构、前级电荷放大器、前置相位补偿器、环路滤波器、带通滤波器和加速度反馈单元，振动信号与加速度反馈单元输出的加速度信号叠加后输入敏感结构，敏感结构输出电压信号经前级电荷放大器、前置相位补偿器、环路滤波器和带通滤波器后输出。

敏感结构将振动信号转换为电压信号，此处引入了机械噪声；前级电荷放大器对该电压信号进行放大，此处引入了前级电荷放大器噪声，为电学噪声；前置相位补偿器的补偿系数优化为0.9，环路滤波器采用积分器电路实现，增益优化为65db，带宽为20mhz，摆率为20v/μs；带通滤波器对量化噪声具有高通特性，经过带通滤波器对噪声整形后，信号带内的大部分量化噪声会被转移到信号带外，实现高精度的数字输出。

加速度反馈单元将带通滤波器输出的数字电压信号转换为模拟的加速度信号，与输入的振动信号进行叠加，形成闭环控制系统，使系统具有自适应性改变量程的能力。

敏感结构可测量加速度的量程为

其中，cf是敏感结构中等效积分电容，d为平衡状态下敏感结构中上下两个极板和质量块的间距，ω0为振动频率，c0为静态电容，vr是参考电压，vcc为振动传感器的供电电压。

可见，敏感结构的量程与供电电压vcc呈线性比例关系，因此，本实施方式通过调整vcc的大小以达到到改变振动传感器量程的目的，使其量程与被测振动信号的幅度相匹配，以保证测量结果的准确性。

微处理器改变振动传感器的量程的具体过程为：

微处理器对比振动信号的幅度和传感器量程之间的关系，当出以下三种情况时通过改变振动传感器的供电电压vcc来改变量程：

若振动信号的幅度小于传感器量程的1/2，表征量程过大，则通过降低振动传感器的供电电压vcc来降低量程；

若振动信号的幅度大于量程的3/4，表征量程过小，则通过提高振动传感器的供电电压vcc来提高量程；

若振动信号幅度处于量程的1/2和3/4之间，表征量程合适，不改变振动传感器的供电电压vcc。

本实施方式中，采用多路数据采集的方式，对多个维度的振动数据进行采集，每路振动传感器的采样速率为16kb/s，且传感器量程会随着供电电压的变化而改变，每个振动传感器将采集到的振动数据以电压的方式传递给ad数据采集模块。该ad数据采集模块具有多路采集的功能，用来收集多个振动传感器输出的数据，并且数据采集模块具有低功耗的特性，随后采集数据被存储到微处理器之中。由于机器在运行过程中伴随着老化、模式切换等情况，其振动信号的振幅是变化的，微处理器对比振动信号的幅度和传感器之间的量程关系，按上述过程进行调整，使量程与被测振动信号保持最佳比例关系，确保测量结果的准确性。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。