一种非接触式的球磨机旋转筒体振动信号采集系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及球磨机负荷检测系统及技术领域，特别是一种非接触式的球磨机旋转 筒体振动信号采集系统。
【背景技术】
[0002] 球磨机是一种高能耗、应用广泛的大型旋转设备，磨机负荷是磨矿过程优化控制 和优化运行的关键设备参数。通常采用安装在球磨机轴承座上振动信号间接测量磨机负荷 大小。近几年由于具有较高灵敏度和较强抗干扰性的球磨机筒体振动信号蕴含大量反映 球磨机负荷运行状态变化的信息，常被用于改进球磨机负荷状态识别和参数监测精度。然 而，由于运行过程中球磨机筒体处于不断旋转状态，筒壁上振动信号的获取存在安装维护 困难，还涉及振动采集装置系统的持续供电以及振动信号无线传输问题。
【发明内容】
[0003] 针对上述部分问题，本公开提供了一种非接触式的球磨机旋转筒体振动信号采集 系统，所述系统包括数据采集端和接收处理端；其中：
[0004] 所述数据采集端包括信号采集模块、信号调理模块、AD数据采集模块、处理器模块 和无线发送模块；其中：
[0005] 所述信号采集模块用于将采集的信号传输至信号调理模块，所述信号采集模块包 括激光振动传感器，所述激光振动传感器用于采集球磨机旋转筒体的振动信号；
[0006] 所述信号调理模块，用于将采集的信号依次进行低通滤波，信号放大和相位补偿 的处理；
[0007] 所述AD数据采集模块用于对信号调理模块调理后的信号转换为数据，并传输至 处理器模块；
[0008] 所述处理器模块用于将采集的数据进行信号预处理，并将处理后的数据以无线方 式发送至无线发送模块；
[0009] 所述无线发送模块包括无线发送器，用于实时发送数据；
[0010] 所述接收处理端包括无线接收模块；
[0011] 所述无线接收模块包括无线接收器，所述无线接收器与无线发送器相匹配，用于 实时接收数据。
[0012] 本公开的信号采集模块使用激光振动传感器，其安装可以脱离筒壁，不用附着至 球磨机表面，进而克服了安装在筒壁的传统振动传感器供电问题；通过无线方式传输和接 收数据，不仅满足数据实时处理的需求，而且提高了系统的可移动性和多用性。
【附图说明】
[0013] 图1本公开一个实施例中传感器位置摆放示意图；
[0014] 图2本公开一个实施例中系统的模块结构示意图；
[0015] 图3本公开一个实施例中采用具体元件的系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0016] 在一个基础的实施例中，提供了一种非接触式的球磨机旋转筒体振动信号采集系 统，所述系统包括数据采集端和接收处理端；其中：
[0017] 所述数据采集端包括信号采集模块、信号调理模块、AD数据采集模块、处理器模块 和无线发送模块；其中：
[0018] 所述信号采集模块用于将采集的信号传输至信号调理模块，所述信号采集模块包 括激光振动传感器，所述激光振动传感器用于采集球磨机旋转筒体的振动信号；
[0019] 所述信号调理模块，用于将采集的信号依次进行低通滤波，信号放大和相位补偿 的处理；
[0020] 所述AD数据采集模块用于对信号调理模块调理后的信号转换为数据，并传输至 处理器模块；
[0021] 所述处理器模块用于将采集的数据进行信号预处理，并将处理后的数据以无线方 式发送至无线发送模块；
[0022] 所述无线发送模块包括无线发送器，用于实时发送数据；
[0023] 所述接收处理端包括无线接收模块；
[0024] 所述无线接收模块包括无线接收器，所述无线接收器与无线发送器相匹配，用于 实时接收数据。
[0025] 在这个实施例中，鉴于球磨机振动信号的振动频率范围为50KHz~OKHz，而选择 的传感器感知外界信号频率务必大于被采信号的最高频率，因此所述信号采集模块使用激 光振动传感器。由于所述激光振动传感器的安装可以脱离筒壁，不用附着至球磨机表面，因 此克服了安装在筒壁的传统振动传感器供电问题；由于通过无线方式传输和接收数据，因 此不仅满足数据实时处理的需求，而且提高了装置系统的可移动性和多用性。如图1所示， 将激光传感器支架放置在上图的Pl，P2, P3, P4位置分别在箭头拐角处的点放置传感器分 别照射至A，B，C，D四点于桶壁上。数据进行4路轮回采样，可以对某一路进行单独处理， 也可以将4路数据合成一路，即分辨率提升4倍。优选的，所述激光振动传感器为单点激光 测振ZLDS100/HS，其测量频率最大可以达到150KHz，完全在磨机振动频率范围之内。
[0026] 在一个实施例中，将所述处理器模块设计为包括单片机控制器和DSP处理器的模 块，其中：
[0027] 所述单片机控制器用于发出控制信号；
[0028] 所述DSP处理器用于进行数据中转、傅里叶频谱变换，以及控制AD数据采集模块 进行数据采样，控制无线发送模块进行数据传输。
[0029] 在这个实施例中，所述单片机控制器用于发出控制信号，用于对整个装置系统进 行控制，能够通过SMBus (System Management Bus，系统管理总线）发送指令到DSP处理器。 其中，所述控制信号包括开启设备，关闭设备，开始无线传输数据，进行频谱变换，复位等信 号。优选的，为了显示状态，所述单片机控制器可以配有一个IXD显示屏，用于显示当前控 制状态。所述DSP处理器将采集的数据用于信号预处理，包含粗大噪声剔除、数字滤波和频 谱变换等，用户可通过对单片机控制器的操作，决定DSP处理器将原始数据还是变换后的 频谱数据通过无线发送模块发送到到接收处理端。例如，当单片机控制器传输一个开启传 输的命令，DSP处理器立即开始控制无线装置模块进行数据传输。
[0030] 优选的，所述DSP处理器的滤波采用软件滤波的低通滤波器实现；
[0031] 所述低通滤波器通过MTLAB仿真确定系数，其中：设定通带边缘频率10kHz，阻带 边缘频率22kHz，阻带衰减75dB，采样频率50kHz。
[0032] 在一个实施例中，所述低通滤波器根据MTLAB仿真确定其系数，其中：设定通带 边缘频率50kHz，阻带边缘频率62kHz，阻带衰减75dB，采样频率IOOkHz，则可以得到：
[0033] (1)过渡带宽度=阻带边缘频率-通带边缘频率=62-50 = 12kHz
[0034] (2)采样频率：
[0035] Fl =通带边缘频率 +(过渡带宽度）/2 = 50000+12000/2 = 56kHz
[0036] Ω 1 = 2 π fl/fs = I. 12 π
[0037] (3)理想低通滤波器脉冲响应：
[0038] hi [n] = sin (η Ω I) /n/ π = sin (1. 12 π η) /n/ π
[0039] 根据要求，选择凯瑟（Kaiser)窗，窗函数长度为：
[0040] N = 5. 98fs/ 过渡带宽度=5. 98*100/56 = 10. 7
[0041] 选择N =11，窗函数为：
[0042] w [η] = 0. 42+0. 5cos (2 π n/11) +0. 8cos (4 π n/11)
[0043] 则滤波器脉冲响应为：
[0044] h [η] = hi [n] w[n] I n I < 11
[0045] h [η] = 0 I n I > 11
[0046] 进一步地，所述无线发送模块和无线接收模块之间的无线传输的最高速率不能低 于 0· 78M/s〇
[0047] 由于米集的为时域的信号，激光振动传感器、AD转换模块和处理器模块都有各自 的要求，为了达到指标务必要选择一个合理的数据采集量。在将模拟量转换成数字量的过 程中，务必要遵循奈奎斯特时域采样定理。设定信号的最高频率为100ΚΗz，则需要以至少 200KHz的速率进行采样，为了达到一定的精度，以4倍的速率进行采样，则为400KHz，因此 采样两个点之间的时间为：
[0048]
[0049] 在Is内采样400000个数，每个数共16bit，则Is的数据量为：
[0050] N = 400000 X 16bit = 6. 4X 106bit
[0051] 所以，需要的速度V为：
[0052] V = 6400Kbps = 800KBps = 0· 78MB/s
[0053] 所以，无线传输的最高速率不能低于0. 78M/s。
[0054] 优选的，所述DSP处理器为TMS320F28335,用于完成所有的数据处理和功能协调， 其为所述装置系统的核心，是数据的中转站，能够识别主控的命令，并且将数据采集模块与 无线发送模块无缝地连接起来。该型号的处理器该DSP芯片采用超长指令字哈佛流水线结 构，在这种架构中，单个周期时间内可以实现多条指令，而每个指令所实现的任务比一般处 理器要少，因此哈佛流水线结构加上优秀的指令集使DSP在指令执行方面获得了优越性。 其次，就是DSP的时钟速率，可以倍频到外部晶振的32倍，其处理速度完全满足本装置系统 的使用。
[0055] 但由于TMS320F28335内部的ADC转换速率比较低，采样频率仅仅21. 5KHz，所以只 能采样一些频率比较低的信号，进而无法满足本公开装置系统的要求。因此，采用扩展ADC 芯片的方式来进行数据信号的采集。
[0056] 优选的，所述TMS320F28335与无线发送模块之间使用SPI协议进行数据传输。 TMS320F28335提供了 SPI外设模块，通过配置寄存器即可完成对于SPI外设备的操作。在 TMS320F28335为核心的处理器与无线发送模块在数据交换时，设定TMS320F28335为核心 的处理器为主设备，设定无线发送模块的RF24L01+芯片为从设备，这样TMS320F28335在数 据传输时候的将提供脉冲信号直至这一轮传输结束。