一种用于结构及设备的振动监测模块的制作方法

1.本实用新型涉及振动监测技术领域，尤其涉及一种用于结构及设备的振动监测模块。


背景技术：

2.振动监测是一种针对设备或结构在工作状态下的振动状态进行监测的方法，可获取用于辅助故障诊断、环境控制、等级评定的振动数据，通过固有频率、阻尼、响应、模态等信息获得设备或结构的动态性能，可针对性地进行隔振处理以改善机械的工作环境和性能，也可通过改进设计以提高其抗振能力。用于振动监测的振动传感器按机械接收原理分为：相对式、惯性式；按机电变换原理分：电动式、压电式、电涡流式、电感式、电容式、电阻式和光电式；按所测机械量分：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、应变传感器、扭矩传感器。
3.振动传感器的发展主流为的无线mems(micro electro mechanical systems)传感器，但现有基于印制电路板pcb(printed circuit board)构建的传感器模块电路，其尺寸通常为30x60mm以上，难以满足日益集成化和小型化的电子设备和制造工艺，且模块电路功能及接口功能较为单一，不利于进行模块的扩展设计。且振动传感器应用领域较广，不同行业的功能需求存在显著区别，例如针对工业设备及电器的小型无线振动传感器，针对于户外结构安全监测的太阳能充电式振动分析传感器，针对高频监测的高速实时数据采集振动分析传感器等。同时，振动监测功能需要综合振动传感器、处理器、存储器、供电装置和机械结构以形成振动监测系统。
4.例如公告号为cn213455835u的专利公开了一种旋转设备振动状态监测装置，包括振动监测传感器和振动分析平台，振动监测传感器安装在被监控的设备上，采集被监控设备的振动数据；振动分析平台，与振动监测传感器通信连接，分析振动监测传感器采集的数据，根据数据分析结果判断设备状态。该专利的技术方案将振动监测传感器和振动分析平台分离设置，振动监测传感器将振动原始数据传输至振动分析平台进行计算分析以获得振动监测结论。而公告号为cn209055213u的专利公开了一种无人值守的一体化结构振动监测仪，包括机箱，三轴mems加速度传感器，a/d转换模块，控制继电器，单片机模块，arm模块，对时模块，数据传输模块，数据存储模块和led屏；采集数据时，a/d转换模块将三轴mems加速度传感器发送的模拟信号转换为数字信号后通过单片机模块发送至arm模块，arm模块通过数据传输模块发送数据、通过数据存储模块将数据存储在sd卡中；标定传感器时，arm模块依次通过单片机模块、控制继电器向传感器发出标定命令，传感器返回标定数据，实现三轴mems加速度传感器的标定功能。该专利的技术方案中的振动监测仪集成传感器监测、数据处理、数据传输、数据存储和定位等功能，适于自动无线振动监测。
5.基于上述分析，现有技术中的振动传感器与外接电路或功能单元的集成化程度不高，且振动监测系统需要结合振动采集、数据分析、供电、存储等诸多模块搭建电路，不适用于现有工业升级中振动监测模块小型化、集成化或分布式设计的情况，尤其是在工业升级
4.0的智能化无线振动监测应用场景中；且现有非集成式构造的振动监测模块，受限于场景和工艺，临时搭建连接线路的结构及接口布置也会对模块运行的稳定性和系统的抗干扰能力产生不利影响。
6.此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本实用新型时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本实用新型不具备这些现有技术的特征，相反本实用新型已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。


技术实现要素：

7.针对现有技术的至少一部分不足之处，本技术提出一种用于结构及设备的振动监测模块，振动监测模块设有包括若干功能单元的集成模组，集成模组的功能单元包括：用于振动监测及信号采集的mems振动传感器；与mems振动传感器连接，用于功能控制和计算分析的mcu单元；与mcu单元连接，用于提供存储的psram单元；与mems振动传感器、mcu单元和psram单元连接，用于提供可调节电能的ldo电源；其中，ldo电源可基于mcu单元的指令分别与mems振动传感器和psram单元保持电性断开或电性连接；在集成模组的若干功能单元基于pcb构建为一体式结构的情况下，振动监测模块设置有覆盖集成模组的屏蔽罩。
8.针对现有技术中结合振动采集、数据分析、供电、存储等诸多模块的振动监测系统集成度不高，难以满足日益集成化和小型化的结构及设备监测需要的问题，本技术将振动监测系统的各功能单元基于pcb进行集成设计，封装结构显著减少了外围电路配置，使得模块集成度大幅提升，可将现有的振动监测模块尺寸由30x60mm缩小至20x20mm，可显著降低振动监测模块的尺寸，符合电子工业和工业升级中关于小型化和集成化的发展趋势，可在铁塔结构安全监测及预警、土木结构安全监测及预警、设备监测及预测性维护等领域布置智能化、分布式的在线监测系统，具有广阔的应用前景。
9.现有技术电路结构复杂，功能较为单一，单芯片一般仅能实现数据获取，需根据应用场景搭建外围功能电路，而本技术将振动监测系统的各功能单元设置为集成模块，使用者可直接将集成模块作为整体使用，显著降低了使用者的应用难度，集成也提高振动监测系统的稳定性和抗干扰能力；同时本技术在集成模块上预留了集成丰富功能的扩展接口，包括对外供电、电量统计等，覆盖集成模组的屏蔽罩能够有效隔绝外部干扰，保证集成模组各功能单元的稳定工作环境；
10.集成模块选用高性能低功耗的mcu单元、mems振动传感器、伪静态随机存储器psram单元和高精度线性电源ldo单元组成集成模组；mems振动传感器监测振动数据并传递至mcu单元，mcu单元根据预设规则将振动数据经psram单元存储计算，获得算法处理后的振动数据；为增加集成模组的运行时长，采用高精度线性电源ldo单元并向mcu单元持续供电，并向mems振动传感器和psram单元动态供电，即在mems振动传感器和psram单元未处于工作状态的情况下，mcu单元接收mcu单元的指令控制ldo单元停止向mems振动传感器和psram单元供电，使得mems振动传感器和psram单元处于休眠模式，当mcu单元基于预设规则开始振动检测时，向mems振动传感器和psram单元发出唤醒指令，并控制ldo单元向mems振动传感器和psram单元恢复供电，集成模组基于动态供电的方式可适用于分布式监测系统进行分时监测的需要，可以显著降低集成模组的能耗以提升模块的运行时长。
11.同时，集成模组可实现加速度峰值、加速度有效值、速度有效值、位移峰值、位移有效值、频率峰值、速度谱、加速度谱、位移谱、希尔伯特谱、包络谱、边际谱等算法，通过扩展接口或通信单元可调用模块计算后的结果，让振动传感器数据的后续分析难度显著降低，可提升数据处理的效率。
12.优选地，集成模组还包括用于无线通讯且与mcu单元连接的通信单元，通信单元由ldo电源提供电能，通信单元设置有若干可用于外接的扩展接口。通信单元可设置无线网络模块和蓝牙模块，使得振动监测单元可作为在线监测系统的子单元形成监测体系，也可形成针对局部重点区域的局域监测网；扩展接口则丰富了本技术中的振动监测模块的扩展功能，可分别设置具有设计扩展、外接数据、外供电能的多种接口，也可设计集成为多功能接口以满足小型集成设计要求。
13.优选地，在屏蔽罩的至少部分结构与pcb进行连接的情况下，覆盖集成模组的屏蔽罩配置为双件式屏蔽罩或单件式屏蔽罩；在屏蔽罩配置为双件式屏蔽罩的情况下，双件式屏蔽罩基于设置在pcb上的屏蔽框和与屏蔽框连接的屏蔽罩板形成保护集成模组的抗干扰空间；在屏蔽罩配置为单件式屏蔽罩的情况下，单件式屏蔽罩通过卡位与设置在pcb上与卡位对应的结构可拆卸地连接，其中，单件式屏蔽罩设置有用于布置扩展接口的若干开口，开口通过设置在单件式屏蔽罩上的半封闭式开口槽和设在pcb上的接口板形成扩展接口的外接孔位。
14.优选地，pcb的部分面积或若干功能单元也可设置屏蔽罩以隔离集成模组之间功能单元的相互干扰，屏蔽罩可配置为单件式屏蔽罩，单件式屏蔽罩通过焊接位与pcb连接，其中，焊接位配置为向远离pcb方向卷曲的u形凸出面；单件式屏蔽罩可配置散热孔，散热孔沿功能单元的形状边缘进行布置以形成矩形或圆形散热孔，使得散热孔的几何中心与功能单元的几何中心保持对齐。例如mcu单元、psram单元、ldo电源和mems振动传感器中的一个或多个。
15.屏蔽罩包括单件式屏蔽罩和双件式屏蔽罩，也分别称为固定式屏蔽罩和可拆卸式屏蔽罩，屏蔽罩与pcb可拆卸地连接，使得振动监测模块可提高检查维护的便捷性，而不易更换的结构则配置固定式屏蔽罩以保证屏蔽效果的稳定性，同时，基于集成化的设计使得振动监测模块不必对其它功能单元进行重新连接以实现改板的便捷性和稳定性；屏蔽罩设置散热孔一方面是为了工作时内部器件的散热，另一方面在回流焊时可降低屏蔽罩内外的温差以保证焊接的可靠性，避免出现内爆造成屏蔽罩炸裂或内部器件损坏；对于屏蔽罩内部分超高或发热量较大的部件，散热孔可容纳部分超高结构以保证集成模组的尺寸，也可在散热孔设置散热材料以强化散热能力。
16.优选地，振动监测模块包括用于连接至振动监测对象的安装单元，安装单元设置有边脚和安装孔，在集成模组与屏蔽罩形成封装整体的情况下，封装整体的每边布置有不少于一组边脚和安装孔，使得边脚和安装孔能够相对封装整体的几何中心对称地布置。
17.优选地，边脚基于预设应力配置为边脚两端连线所在的平面与封装整体的平面保持倾斜并形成曲率中心朝向振动监测对象的弯曲结构，其中，边脚靠近封装整体的一端处于封装整体的平面，边脚远离封装整体的一端高于封装整体的平面。
18.集成模组和屏蔽罩组合形成封装整体，相对封装整体对称设置的安装单元可保证振动监测单元在结构或设备上贴合的一致性，使得振动监测单元附着在结构或设备上的作
用力在各方向保持均匀，避免部分位置因受力不均而出现弯曲或翘起，保证振动监测单元的监测精度和正常工作能力。在安装单元相对封装整体对称布置的基础上，与封装整体边缘连接的边脚可设置预设应力，在边脚通过安装孔连接至监测对象的情况下，边脚可基于预设应力为封装整体提供朝向监测对象的作用力，使得封装整体能够与监测对象更好地贴合以获取准确的振动数据信息。
19.优选地，集成模组通过通信单元和/或扩展接口与外部设备建立连接，外部设备包括用于控制展示的终端、用于存储共享的服务器和外接的扩展模组。
附图说明
20.图1是本实用新型一种优选实施方式的整体结构示意图；
21.图2是本实用新型一种优选实施方式的功能连接示意图；
22.图3是本实用新型一种优选实施方式的局部结构示意图。
23.附图标记列表
24.100：集成模组；101：mems振动传感器；102：mcu单元；103：psram单元；104：ldo电源；106：扩展接口；107：通信单元；108：pcb；200：屏蔽罩；201：第一屏蔽罩；2011：屏蔽框；2012：屏蔽罩板；2013：焊接位；2014：散热孔；202：第二屏蔽罩；2021：卡位；300：安装单元；301：边脚；302：安装孔；400：外部设备；401：终端；402：服务器；403：扩展模组。
具体实施方式
25.下面结合附图对本实用新型进行详细说明。
26.本实用新型涉及一种用于结构及设备的振动监测模块，如图1和图2所示，所示振动监测模块包括集成模组100，集成模组100内置有高性能低功耗的mcu单元102，作为计算控制处理中心，mcu单元102与用于数据存储的psram单元103和用于振动数据监测的mems振动传感器101连接，伪静态随机存储器psram单元103相比于常规使用的sdram或sram对于mcu单元102的适用性更强，只需要简单的接口即可存储大容量的ram数据，mems振动传感器101使用振动频响范围为0.3hz～8.5khz的mems电容式振动传感器，其性能指标包括响应带宽、使用时长以及数据分析算法，使用mems电容式振动传感器响应带宽受限于当前的技术一般不超过10khz，使用时长与使用场景和信息传输频次相关。集成模组100将若干功能单元和pcb108集成设置，可降低常规振动分析传感器的体积，将核心电路做成独立的模块以适配安装在不同的结构外壳中；mcu单元102和psram单元103结合可将数据分析算法集成于模块端，大大降低模块端输出数据的后续处理难度，将加速度峰值、加速度有效值、速度有效值、位移峰值、位移有效值、频率峰值、速度谱、加速度谱、位移谱、希尔伯特谱、包络谱、边际谱等算法集成在模块中，通过通信接口调用模块计算后的结果，让振动传感器数据分析的难度大大降低。
27.如图2所示，ldo电源104与mems振动传感器101、mcu单元102和psram单元103连接，为增加集成模组100的运行时长，采用高精度线性电源ldo单元向mcu单元102持续供电，向mems振动传感器101和psram单元103动态供电，即在mems振动传感器101和psram单元103未处于工作状态的情况下，mcu单元102控制ldo单元停止向mems振动传感器101和psram单元103供电，使得mems振动传感器101和psram单元103处于休眠模式，当mcu单元102基于预设
规则开始振动检测时，向mems振动传感器101和psram单元103发出唤醒指令，并控制ldo单元向mems振动传感器101和psram单元103恢复供电，集成模组100基于动态供电的方式可适用于分布式监测系统进行分时监测的需要，可以显著降低集成模组100的能耗以提升模块的运行时长。
28.如图1和图3所示，振动监测模块设置有用于保护电子设备的屏蔽罩200，屏蔽罩200包括覆盖集成模组100部分结构的第一屏蔽罩201和覆盖集成模组100整体的第二屏蔽罩202。集成模组100的功能单元覆盖有第一屏蔽罩201，集成模组100整体覆盖有第二屏蔽罩202，第一屏蔽罩201可有效避免集成模组100内各功能单元之间的相互影响，而第二屏蔽罩202在第一屏蔽罩201的基础上建立了覆盖整个集成模组100的保护空间，可避免集成模组100在振动监测中受到外部电路干扰，进一步增强振动监测模块的抗干扰能力。
29.屏蔽罩200包括单件式屏蔽罩和双件式屏蔽罩，也分别称为固定式屏蔽罩和可拆卸式屏蔽罩，单件式屏蔽罩由布置在pcb108上的屏蔽框2011和连接屏蔽框2011的屏蔽罩板2012组成，而单件式屏蔽罩直接布置在pcb108上，通过焊接位2013与pcb108连接。由于mems振动传感器101的多样化，在不同应用场景下需选取对应种类的振动传感器，因此，mems振动传感器101与pcb108可拆卸地连接，使得振动监测模块可根据需求安装对应振动传感器以提高其适用性，为配合可拆卸的mems振动传感器101，覆盖mems振动传感器101的第一屏蔽罩201设置为可拆卸式屏蔽罩，对于可能定期更换的ldo电源104也可设置双件式屏蔽罩，而其它不易更换的结构则配置固定式屏蔽罩以保证屏蔽效果的稳定性，同时，基于集成化的设计使得振动监测模块不必对其它功能单元进行重新连接以保证改板的便捷性和稳定性，
30.如图3所示，图3仅展示出集成模组100和屏蔽罩200的部分结构。第一屏蔽罩201配置有散热孔2014，散热孔2014沿功能单元的形状边缘进行布置以形成矩形或圆形散热孔2014，使得散热孔2014的几何中心与功能单元的几何中心保持对齐。例如针对功能模块中元件的形状为圆形时，第一屏蔽罩201的散热孔2014也为圆形，在保证散热通道的同时可减少第一屏蔽罩201的开孔面积，提高屏蔽效果；屏蔽罩200设置散热孔2014一方面是为了工作时内部器件的散热，另一方面在回流焊时可降低屏蔽罩200内外的温差以保证焊接的可靠性，避免出现内爆造成屏蔽罩200炸裂或内部器件损坏；对于屏蔽罩200内部分超高或发热量较大的部件，散热孔2014可容纳部分超高结构以保证集成模组100的尺寸，也可在散热孔2014设置散热材料以强化散热能力。
31.优选地，在第二屏蔽罩202配合pcb108形成覆盖集成模组100的保护空间的情况下，第二屏蔽罩202通过卡位2021与设置pcb108上于卡位2021对应的结构可拆卸地连接，其中，第二屏蔽罩202与pcb108形成的高度大于第一屏蔽罩201与pcb108形成的最大高度。例如第一屏蔽罩201的设置高度为对应功能单元的最高元件高度再加0.25-0.5mm，第二屏蔽罩202的高度则在第一屏蔽罩201最大高度的基础上在加上0.25-0.5mm；在留足散热空间的同时，也控制了模块的厚度尺寸；为保护扩展接口106，第二屏蔽罩202设置有用于布置扩展接口106的若干开口，开口通过设置在第二屏蔽罩上的半封闭式开口槽和设在pcb108上的接口板形成扩展接口106的外接孔位，外接孔位形成包围扩展接口106并稍突出于集成模组100pcb108的接口，可在连接扩展模组403时保证较好的限定性。
32.优选地，如图1和图3所示，振动监测模块包括用于连接至振动监测目标位置的安
装单元300，安装单元300设置有边脚301和安装孔302，在集成模组100与第二屏蔽罩202形成封装整体的情况下，封装整体的每边布置有不少于一组边脚301和安装孔302，使得边脚301和安装孔302能够相对封装整体的几何中心对称地布置。边脚301基于预设应力配置为边脚301两端连线所在的平面与封装整体的平面保持倾斜并形成曲率中心朝向振动监测对象的弯曲结构，其中，边脚301靠近封装整体的一端处于封装整体的平面，边脚301远离封装整体的一端高于封装整体的平面。集成模组100和屏蔽罩组合形成封装整体，相对封装整体对称设置的安装单元300可保证振动监测单元在结构或设备上贴合的一致性，使得振动监测单元附着在结构或设备上的作用力在各方向保持均匀，避免部分位置因受力不均而出现弯曲或翘起，保证振动监测单元的监测精度和正常工作能力。在安装单元300相对封装整体对称布置的基础上，与封装整体边缘连接的边脚301可设置预设应力，在边脚301通过安装孔302连接至监测对象的情况下，边脚301可基于预设应力为封装整体提供朝向监测对象的作用力，使得封装整体能够与监测对象更好地贴合以获取准确的振动数据信息。
33.优选地，如图2所示，集成模组100通过通信单元107和/或扩展接口106与外部设备400建立连接，外部设备400包括用于控制展示的终端401、用于存储共享的服务器402和外接的扩展模组403。终端401可以是用于接受振动监测模块输出数据的智能终端401或电脑设备，可进一步对数据进行分析处理以获得对应的振动监测结论，并以数据图形或图表方式进行展示；振动监测模块的输出数据和终端401的分析结果也可上传至服务器402进行保存，各相关方可依据权限进行查看和下载，提高振动监测模块在无线智能监测领域的适用性；同时本技术的振动监测模块也保留了扩展接口106，可集成丰富的功能，包括外展设计、对外供电、电量统计等。
34.需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本实用新型公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本实用新型的公开范围并落入本实用新型的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本实用新型说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本实用新型的保护范围由权利要求及其等同物限定。