專利名稱：一種高可靠旋轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的無線振動測量方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高可靠機械設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測方法及裝置，特別是關(guān)于一種用于高可靠旋轉(zhuǎn)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域中的無線振動測量方法及其裝置
背景技術(shù)：
振動信號是旋轉(zhuǎn)設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)測和故障檢測的重要測試參數(shù)，是檢測大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備運行質(zhì)量的關(guān)鍵問題之一。對旋轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的無線振動信號測量不同于一般振動信號測試，具有環(huán)境惡劣、干擾大、工作條件苛刻、功耗要求低、需滿足設(shè)備健康狀態(tài)或故障診斷要求等特點。旋轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)需要監(jiān)測點多、范圍大，無線測量裝置需要能按照某種協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，保障系統(tǒng)可靠運行。旋轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)的振動信號無線采集裝置，需在超低功耗下運行、具有很好的電磁兼容性、滿足設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的信號檢測和故障判斷的數(shù)據(jù)處理要求，能滿足監(jiān)測系統(tǒng)可靠運行要求。
發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)設(shè)備實時振動的高可靠無線監(jiān)測方法與裝置。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明包括(I) 一種旋轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)無線振動方法，由裝置中的振動測量模塊，包括供電接口、MEMS振動傳感器單元、時域中間值與均值濾波處理單元、 FFT計算單元、加窗的頻域濾波與積分單元、烈度計算單元、接口單元組成；(2) —種采用 ZIGBEE協(xié)議的通用無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點裝置，有專用接口與振動模塊中的接口單元相接；并提供電源給振動測量模塊的供電接口 ；能完成自身電壓測試，并帶通用傳感接口，與數(shù)字式或模擬式的溫度、光照、氣體成分等傳感器相接。包括專用電池、通訊處理器、射頻單元 (2. 4GHz)、開關(guān)等組成；(3) —種用于組建ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)的SINK節(jié)點；包括USB接口、通訊處理器、射頻單元(2. 4GHz)、開關(guān)等組成。本發(fā)明中的無線振動測量節(jié)點分為電池、電路板及輔助部件、外殼等組成。電路板分為振動測量模塊和通用傳感節(jié)點組成。實現(xiàn)一種惡劣環(huán)境下高可靠的設(shè)備狀態(tài)檢測方法，包括以下步驟(I)采用3軸 MEMS加速度傳感器ADXL345，測量范圍為±16g，根據(jù)應(yīng)用，自組態(tài)設(shè)置包括采樣頻率、采樣 FIFO、采樣點數(shù)、數(shù)據(jù)自校準(zhǔn)、時域混合中間值與均值濾波常數(shù)等；(2)旋轉(zhuǎn)設(shè)備運行時，由狀態(tài)檢測裝置內(nèi)數(shù)據(jù)采集模塊在線采集時間序列數(shù)據(jù)、進行時域濾波、自我數(shù)據(jù)校核(時頻域分量幅值比較判斷)、烈度計算處理，得到烈度數(shù)據(jù)；(3)裝置根據(jù)能耗情況，進行振動測量模塊的振動測量與通用節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸能量分配；在振動測量模塊中分配數(shù)據(jù)采集、 處理、數(shù)據(jù)傳送時間；(4)利用ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)，實時傳送當(dāng)前FFT計算點數(shù)對應(yīng)的烈度值和最大振動頻率，利用后端監(jiān)控平臺，結(jié)合IS07919和IS010816標(biāo)準(zhǔn)進行自組態(tài)狀態(tài)監(jiān)測和故障判斷。所述步驟⑵中的所述時域濾波方法包括以下步驟⑴根據(jù)組態(tài)要求，動態(tài)、超小容量動態(tài)中間數(shù)組；(2)采用最大、最小法剔除兩邊最值和次最值，對于其它窗內(nèi)各點進行平均；得出滑動當(dāng)前時刻值；(3)依據(jù)時刻點，滑動得到相應(yīng)采樣段的濾波后數(shù)組值。所述步驟(2)中的所述烈度計算方法采用基2時抽FFT作為時頻域轉(zhuǎn)換工具，包括以下步驟 (I)采集振動加速度更新算法輸入序列；(2)去均值，加窗；(3) FFT時頻域轉(zhuǎn)換；(4)頻譜轉(zhuǎn)換得到速度譜；(5)計算振動烈度。烈度公式如下Vrms = -Jiy-)2 +(-T-)2 + …+ (デ)2 = VvI2 + v22 ++v 2=^xlO-3 ji[(5,/i)2 +(s2/2)2 +... + (Sjn)2所述步驟⑵中的所述自我數(shù)據(jù)校核，包括以下步驟(1)利用時域數(shù)組，得到最大加速度值(最大值法)和對應(yīng)頻率(過零點和插值法)；(2)利用FFT中取最大值和頻率；(3)利用FFT時頻域轉(zhuǎn)換幅值對應(yīng)關(guān)系，結(jié)合可信度，判斷測量結(jié)果的可靠性與可行度；
(4)把測量數(shù)據(jù)和可信程度作為整體結(jié)果，存儲、傳輸。所述步驟(3)中的所述能量分配，結(jié)合IS07919和IS010816標(biāo)準(zhǔn)得到設(shè)備狀態(tài)參數(shù)確定方法；由前端振動測量模塊從測量的實時加速度值，按時間段獲得計算和分析后的窗內(nèi)的烈度和振動頻率數(shù)據(jù)，(或按時間段得到主要加速度與振動頻率數(shù)據(jù))構(gòu)建故障診斷時間序列，最大限度減少數(shù)據(jù)傳輸量；替代把加速度值實時在網(wǎng)絡(luò)傳輸，在后端再進行診斷和分析的方法；實現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中最大減低能耗而實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測。所述步驟(3)中的一種應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的時間分配和自組態(tài)傳輸方法， 通過接收后臺的監(jiān)控要求，設(shè)定發(fā)送間隔和數(shù)據(jù)方式；裝置按照處理器CPU處理能力，傳感器的FIFO ;分配數(shù)組大小、滑動窗大小、FIFO大小、輸出數(shù)據(jù)大?。粍討B(tài)確定振動測量模塊數(shù)據(jù)采集、處理、數(shù)據(jù)傳送的時間分配。所述步驟(4)中的所述ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議路由采用按需距離矢量路由協(xié)議，采用主干網(wǎng)絡(luò)和傳感簇組成的分層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過SINK節(jié)點和通用無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點裝置組建網(wǎng)絡(luò)，SINK節(jié)點接收從通用節(jié)點發(fā)送的測量信息，經(jīng)過USB發(fā)送給PC機， PC機進行溫濕度補償處理和顯示等。
圖I旋轉(zhuǎn)設(shè)備無線振動監(jiān)測裝置的組成圖2旋轉(zhuǎn)設(shè)備無線振動監(jiān)測裝置的功能分配框圖
圖3旋轉(zhuǎn)設(shè)備無線振動監(jiān)測裝置組成網(wǎng)絡(luò)的分層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖4烈度和最大振動頻率算法框5時域濾波框6自我數(shù)據(jù)校核框圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細(xì)的描述。如圖I所示，本發(fā)明包括一供電模塊，可充電電池I、一充電接ロ 2、一通用無線傳感節(jié)點3、ー電源開關(guān)4、一振動測量模塊5、一其它傳感接ロ 6、一天線7 ;供電模塊I的輸出端分別與電源開關(guān)4和通用無線傳感節(jié)點3連接，實現(xiàn)可控制為其供電功能；振動測量模塊5、其它傳感器供電由通用無線傳感節(jié)點3的電源輸出口提供。振動測量模塊5將檢測到的振動信號送入數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集測量8，再由數(shù)據(jù)采集模塊將振動信號送入數(shù)據(jù)時域濾波模塊9內(nèi)進行濾波處理后，然后將處理后數(shù)據(jù)傳送到頻域濾波與烈度計算模塊10，而后進行時頻域數(shù)據(jù)校核與可信度計算11，最后將得出的烈度、最大振動頻率、可信度(可選)數(shù)據(jù)發(fā)送回通用無線傳感節(jié)點3，由通用無線傳感節(jié)點3經(jīng)過天線7把數(shù)據(jù)按要求傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)。如圖2所示，本發(fā)明的無線振動測量裝置的功能分配，包括ー個MEMS加速度傳感器I、一個設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測用振動數(shù)據(jù)處理模塊2、ー個通訊處理器模塊3、ー個射頻收發(fā)模塊
4、一個天線5。MEMS加速度傳感器I與振動數(shù)據(jù)處理模塊2相連，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的振動測量、得出基本的狀態(tài)判斷參數(shù)與基本時間序列；這樣通訊處理器3只接收最小數(shù)量的振動狀態(tài)數(shù)據(jù)，保證在射頻收發(fā)器4中只發(fā)射或接收最小數(shù)量的測量數(shù)據(jù)，這樣保證整個系統(tǒng)的最小能量消耗。發(fā)明進行傳遞是烈度值、振動最大頻率值、測量可靠性值，以定時2秒或根據(jù)網(wǎng)絡(luò)自組態(tài)的時間進行傳輸。烈度值為2字節(jié)、最大頻率2字節(jié)、測量可靠性I字節(jié)、 加上通用傳感器測量的溫度2字節(jié)、節(jié)點號I字節(jié)、電池電壓2字節(jié)，測量數(shù)據(jù)為10字節(jié)。 多字節(jié)的數(shù)據(jù)均為“高位在前，低位在后”。格式如表I。表I網(wǎng)絡(luò)中傳感節(jié)點發(fā)送的測量信息格式
權(quán)利要求
1.一種實時的振動模塊應(yīng)用的高可靠時域濾波方法包括以下步驟(I)根據(jù)后臺的監(jiān)控組態(tài)要求，如需求的監(jiān)控時間間隔，設(shè)定可滑動中間臨時數(shù)組、采樣的參數(shù)；(2)實時性、 綜合性能好的時域濾波方法，采用最大、最小法剔除兩邊最值和次最值，對于其它窗內(nèi)各點進行平均；得出滑動當(dāng)前時刻值；算法描述如下如果X1, X2, ...，Xn為測量序列，按升序排列后為Xil彡Xi2彡…彡Xllri彡Xln取奇數(shù)時(取η > 5，如η = 3，Xmcdlan = Xi2 ;如11 = 4， Xmcdian = (Xi2+x13)/2)，中值為=Xmedian= (Xi2+. ..+Xin_2)/(n-4) ；(3)依據(jù)時刻點，滑動得到相應(yīng)采樣段的濾波后各個采樣值。
2.一種旋轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測用烈度計算方法，采用基2時抽FFT作為時頻域轉(zhuǎn)換工具，包括以下步驟(I)采集振動加速度更新算法輸入序列；(2)去均值，加窗；(3)FFT時頻域轉(zhuǎn)換；(4)頻譜轉(zhuǎn)換得到速度譜；(5)計算振動烈度；實現(xiàn)過程獲取振動加速度時間序列數(shù)據(jù)；為防止能量泄露進行加Hamming窗；進行 FFT變換；進行頻域積分；進行振動烈度計算；
3.一種高可靠的數(shù)據(jù)校核方法，包括以下步驟(I)利用時域數(shù)組，得到最大加速度值 (最大值法)和對應(yīng)頻率(過零點、插值法)；(2)利用FFT中取最大值和頻率；(3)利用FFT 時頻域轉(zhuǎn)換幅值對應(yīng)關(guān)系，結(jié)合可信度，判斷測量結(jié)果的可靠性與可行度；(4)把測量數(shù)據(jù)和可信程度作為整體結(jié)果，存儲、傳輸；可信度描述如下采用并行處理方法、得到兩種不同自由度，Y = 2 ;相對誤差(Μ_-Μ 得到其偏差；這個值能反映數(shù)據(jù)測量可信的程度，實現(xiàn)數(shù)據(jù)測量的在線自校核。
4.一種結(jié)合IS07919和IS010816標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)確定方法；由前端振動測量模塊從測量的實時加速度值，按時間段獲得計算和分析后的窗內(nèi)的烈度和振動頻率數(shù)據(jù)，(或按時間段得到主要加速度與振動頻率數(shù)據(jù))構(gòu)建故障診斷時間序列，最大限度減少數(shù)據(jù)傳輸量；而不是把加速度值實時在網(wǎng)絡(luò)傳輸，在后端再進行診斷和分析的方法；實現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中最大減低能耗；這種旋轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的能量分配原則是在現(xiàn)場端(振動測量模塊)進行狀態(tài)監(jiān)測的信號分析與處理，獲取狀態(tài)監(jiān)測的時間序列，消耗較小的能量；而保證在數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)量充分壓縮和有效，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能耗的最小化和狀態(tài)監(jiān)測的有效性。
5.一種應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的時間分配和自組態(tài)傳輸方法，通過接收后臺的監(jiān)控要求，設(shè)定發(fā)送間隔和數(shù)據(jù)方式；裝置按照處理器CPU處理能力，傳感器的FIFO ;分配數(shù)組大小、滑動窗大小、FIFO大小、輸出數(shù)據(jù)大??；動態(tài)確定振動測量模塊數(shù)據(jù)采集、處理、數(shù)據(jù)傳送的時間分配；自組態(tài)方式是節(jié)點接收組網(wǎng)節(jié)點的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)監(jiān)測需求，解析其含義，設(shè)定其測量結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送間隔，進而把需求發(fā)給測量模塊，在測量模塊中確定傳感器的FIFO ;分配數(shù)組大小、滑動窗大小、FIFO大小等。
6.一種應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議路由采用按需距離矢量路由協(xié)議，采用主干網(wǎng)絡(luò)和傳感簇組成的分層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過SINK節(jié)點和通用無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點裝置組建網(wǎng)絡(luò)，SINK節(jié)點接收從通用節(jié)點發(fā)送的測量信息，經(jīng)過USB發(fā)送給PC機，PC機進行補償處理和顯示等；描述如下網(wǎng)絡(luò)的路由采用按需距離矢量路由協(xié)議 (ZigBee Ad-hoc On-demand Distance Vector Routing,ZAODV)通過路由發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中廣播路由請求的方式來尋找最優(yōu)路徑；本發(fā)明的傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含兩層上層主干網(wǎng)絡(luò)和下層的簇；上層主干網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)關(guān)和簇頭節(jié)點組成，下層由簇頭節(jié)點和傳感節(jié)點各自組成的簇形成，簇頭節(jié)點作為中間節(jié)點存在；上層一般采用星型拓?fù)?，對于面積較大、設(shè)備等實體對象之間通信距離較遠(yuǎn)的環(huán)境，選用網(wǎng)狀拓?fù)?；簇?nèi)網(wǎng)絡(luò)選擇樹型拓?fù)洹?br>
全文摘要
一種高可靠旋轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的無線振動測量方法與其裝置(1)由振動測量模塊和采用ZIGBEE協(xié)議通用無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成；振動測量模塊，包括供電接口、MEMS振動傳感器、濾波處理、烈度計算單元、通信接口單元；(2)旋轉(zhuǎn)設(shè)備運行時，由狀態(tài)檢測裝置內(nèi)數(shù)據(jù)采集模塊在線采集時間序列數(shù)據(jù)、進行時域濾波、自動數(shù)據(jù)校核(時頻域分量幅值比較判斷)、烈度計算處理，得到烈度和振動頻率數(shù)據(jù)；通過通用無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送到后端平臺，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)設(shè)備可組態(tài)的狀態(tài)監(jiān)測；(3)裝置根據(jù)能耗情況，進行振動測量模塊的振動測量與通用節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸能量分配；根據(jù)實時性，在振動測量模塊中進行數(shù)據(jù)采集、處理、數(shù)據(jù)傳送時間分配。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)進行實時監(jiān)測。
文檔編號H04W84/18GK102589681SQ20121009681
公開日2012年7月18日 申請日期2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月5日
發(fā)明者凌建中, 張衡, 李元, 胡紅陽, 鄧昌建, 陳東義 申請人:張衡, 鄧昌建, 陳東義