一種便攜式本安型振動(dòng)信號(hào)采集裝置及振動(dòng)信息采集方法
【專利摘要】一種便攜式本安型振動(dòng)信號(hào)采集裝置，包括振動(dòng)信號(hào)采集單元、信號(hào)處理單元、信號(hào)存儲(chǔ)單元和本安電源；所述振動(dòng)信號(hào)采集單元通過(guò)信號(hào)處理單元和信號(hào)存儲(chǔ)單元相連，所述電源為上述各個(gè)單元供電；所述信號(hào)處理單元和信號(hào)存儲(chǔ)單元整體采用本安封裝。本發(fā)明解決了移動(dòng)大型機(jī)電設(shè)備振動(dòng)信號(hào)的采集問(wèn)題，為設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)控及故障分析提供有力數(shù)據(jù)保證，尤其進(jìn)行本安設(shè)計(jì)滿足了復(fù)雜惡劣煤礦井下移動(dòng)設(shè)備的測(cè)試要求。本裝置具有易安裝、功耗低、控制方便、使用靈活，應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
一種便攜式本安型振動(dòng)信號(hào)采集裝置及振動(dòng)信息采集方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種便攜式本安型振動(dòng)信號(hào)采集裝置及振動(dòng)信息采集方法，屬于信息獲取及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]振動(dòng)檢測(cè)是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的重要工具，鑒于煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，同時(shí)煤礦井下對(duì)于設(shè)備有行業(yè)專門的防爆要求，無(wú)法采用一些標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易用的采集裝置，在測(cè)取有效的真實(shí)數(shù)據(jù)過(guò)程中顯得尤為重要。
[0003]現(xiàn)有的振動(dòng)檢測(cè)主要包括如下專利:
[0004]中國(guó)專利CN204649304U提供一種便攜式結(jié)晶器振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，包括結(jié)晶器和與結(jié)晶器相連接的便攜式工控機(jī)，所述便攜式工控機(jī)上設(shè)有PCI數(shù)據(jù)采集卡，所述PCI數(shù)據(jù)采集卡連接有信號(hào)調(diào)理器，所述信號(hào)調(diào)理器外接有便攜式傳感器盒，所述便攜式傳感器盒內(nèi)設(shè)有三軸加速度傳感器，所述便攜式傳感器盒設(shè)置于結(jié)晶器上。
[0005]中國(guó)專利CN105043729A提供了一種懸掛設(shè)備松動(dòng)故障的監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，所述方法包括:懸掛設(shè)備上安裝有三軸向加速度傳感器，所述三軸向加速度傳感器采集懸掛設(shè)備的振動(dòng)信息，并將所述振動(dòng)信息上報(bào)給信號(hào)處理器;所述信號(hào)處理器獲取所述振動(dòng)信息，并根據(jù)發(fā)送所述振動(dòng)信息的消息中攜帶的懸掛設(shè)備標(biāo)識(shí)，查找用于參考的振動(dòng)數(shù)據(jù);所述信號(hào)處理器根據(jù)所述振動(dòng)數(shù)據(jù)，分析所述振動(dòng)信息，并確定所述懸掛設(shè)備的工作狀態(tài)。
[0006]中國(guó)專利CN205032666U公開(kāi)一種連鑄機(jī)專用便攜式結(jié)晶器振動(dòng)檢測(cè)裝置，包括便攜式傳感器盒，所述便攜式傳感器盒內(nèi)設(shè)有三軸加速度傳感器及與所述三軸加速度傳感器連接的信號(hào)變送器，所述信號(hào)變送器通過(guò)數(shù)據(jù)線連接PCI數(shù)據(jù)采集卡，所述PCI數(shù)據(jù)采集卡連接便攜式工控機(jī)。
[0007]中國(guó)專利CN105547451A公開(kāi)一種高速列車車輪空間耦合振動(dòng)測(cè)試的新方法。該方法利用三軸無(wú)線加速度傳感器感應(yīng)部位上X，Y，Z三方向加速度傳感器，同時(shí)分別拾取車輪橫向、縱向、軸向三個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)，并將三個(gè)方向上的振動(dòng)模擬信號(hào)經(jīng)放大器放大、再經(jīng)源二階低通濾波器的處理，提高信噪比后通過(guò)信號(hào)處理單元進(jìn)行處理和儲(chǔ)存得到電信號(hào)，無(wú)線發(fā)送模塊通過(guò)SPI接口與處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換完成數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。
[0008]但是上述專利文獻(xiàn)并不適用于惡劣施工環(huán)境的振動(dòng)信號(hào)采集和處理，針對(duì)井下作業(yè)設(shè)備的實(shí)時(shí)有效檢測(cè)就成為現(xiàn)在亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種便攜式本安型振動(dòng)信號(hào)采集裝置。
[0010]本發(fā)明還提供利用上述裝置實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信息采集的方法。
[0011]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0012]—種便攜式本安型振動(dòng)信號(hào)采集裝置，包括振動(dòng)信號(hào)采集單元、信號(hào)處理單元、信號(hào)存儲(chǔ)單元和本安電源；
[0013]所述振動(dòng)信號(hào)采集單元通過(guò)信號(hào)處理單元和信號(hào)存儲(chǔ)單元相連，所述本安電源為上述各個(gè)單元供電；所述信號(hào)處理單元和信號(hào)存儲(chǔ)單元整體采用本安封裝。所述振動(dòng)信號(hào)采集單元采集待測(cè)設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)，并由所述信號(hào)處理單元對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大處理，并存儲(chǔ)至所述信號(hào)存儲(chǔ)單元內(nèi)，供遠(yuǎn)程分析處理系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行后續(xù)分析。其中，所述振動(dòng)信號(hào)采集單元安裝在待測(cè)設(shè)備的表面實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其振動(dòng)信號(hào)，所述信號(hào)處理單元、信號(hào)存儲(chǔ)單元被安裝在遠(yuǎn)離振源區(qū)域?qū)φ駝?dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
[0014]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述振動(dòng)信號(hào)采集單元通過(guò)強(qiáng)磁座安裝在待測(cè)設(shè)備上。
[0015]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述振動(dòng)信號(hào)采集單元為三軸加速度傳感器，優(yōu)選的，振動(dòng)信號(hào)采集單元為為三軸IEPE型壓電加速度傳感器。選用此傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于，其抗干擾性能好，信號(hào)質(zhì)量高。
[0016]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述信號(hào)處理單元包括信號(hào)調(diào)理單元、多通道同時(shí)采樣ADC芯片和單片機(jī)。
[0017]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述單片機(jī)為32位ARMCortex-M4單片機(jī)，所述信號(hào)存儲(chǔ)單元為SDHC卡。此處設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于:針對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)有時(shí)需要持續(xù)多個(gè)小時(shí)的實(shí)際情況，因此會(huì)產(chǎn)生大量的測(cè)量數(shù)據(jù)，所以本發(fā)明采用大容量SDHC卡作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，容量最高可達(dá)64G，能夠滿足持續(xù)高速振動(dòng)信號(hào)采集的需求。為在高速采樣下完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，使用高性能的32位ARM Cortex-M4單片機(jī)通過(guò)專用的SD1接口對(duì)SDHC卡進(jìn)行高速讀寫(xiě)。為了將采集到的二進(jìn)制振動(dòng)加速度信號(hào)方便的導(dǎo)入遠(yuǎn)程分析處理系統(tǒng)，并進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)分析處理，因此本發(fā)明在存儲(chǔ)時(shí)采用了目前廣泛使用的開(kāi)源文件系統(tǒng)FatFs，直接將采集到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到.bin格式的文件中，則，遠(yuǎn)程分析處理系統(tǒng)可以直接從SDHC卡的文件中讀取振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，提高了振動(dòng)信息的實(shí)時(shí)獲取的效率。
[0018]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述振動(dòng)信號(hào)采集單元和信號(hào)處理單元之間通過(guò)屏蔽電纜和快速航空接頭相連。提高裝置整體的運(yùn)行安全性及抗干擾性。
[0019]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述本安電源為集成式多路供電的本安鋰電池。本發(fā)明通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換為各個(gè)部件供電。所有的模塊，分立器件等均采用低功耗產(chǎn)品。本裝置能夠連續(xù)工作24小時(shí)。為所述振動(dòng)信息采集傳感器單元、通訊電纜、低功耗信號(hào)調(diào)理單元和實(shí)時(shí)存儲(chǔ)單元供電。此處采用集成式多路供電電源能把3.7v本安型鋰電池的電能多路調(diào)制后同時(shí)用于提供三軸加速度傳感器激勵(lì)電壓及調(diào)理單元等的供電。
[0020]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述信號(hào)調(diào)理單元包括4階巴特沃茲抗混疊濾波器。實(shí)際使用中振動(dòng)信號(hào)的頻譜普遍較寬，為獲得有用頻段的振動(dòng)信號(hào)，需要對(duì)輸入ADC的模擬信號(hào)進(jìn)行抗混疊濾波處理，以防止無(wú)用高頻信號(hào)疊加到低頻段。本發(fā)明設(shè)計(jì)了 4階巴特沃茲濾波器，其截止頻率為1kHz，-40dB阻帶為40kHz。能夠用于待測(cè)有用信號(hào)低于1kHz的應(yīng)用。
[0021]一種振動(dòng)信息采集方法，包括三軸加速度傳感器實(shí)時(shí)獲取待測(cè)設(shè)備工作時(shí)的三軸向振動(dòng)信號(hào);并對(duì)所述振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大后儲(chǔ)存至信號(hào)存儲(chǔ)單元中；最后，供遠(yuǎn)程分析處理系統(tǒng)選擇性或?qū)崟r(shí)從信號(hào)存儲(chǔ)單元中獲取振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。
[0022]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述振動(dòng)信息采集方法包括:使用獨(dú)立的16位多通道同時(shí)采樣ADC芯片對(duì)三軸的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采樣，并利用4階巴特沃茲抗混疊濾波器對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大。此處設(shè)計(jì)保證了空間振動(dòng)信號(hào)的完整性和正確性。同時(shí)為了減小前端抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)難度，只需使用8倍過(guò)采樣技術(shù)，即可使精度提高了 1.5位。
[0023]本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于:
[0024]本發(fā)明解決了移動(dòng)大型機(jī)電設(shè)備(如盾構(gòu)機(jī)，采煤機(jī)等)振動(dòng)信號(hào)的采集問(wèn)題，為設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)控及故障分析提供有力數(shù)據(jù)保證，尤其進(jìn)行本安設(shè)計(jì)滿足復(fù)雜惡劣煤礦井下移動(dòng)設(shè)備的測(cè)試要求。本裝置具有易安裝、功耗低、控制方便、使用靈活，應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)。
[0025]本發(fā)明應(yīng)用于薄煤層采煤機(jī)滾筒截割狀態(tài)分析研究中，采集了大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了其可靠性。本裝置也可用于煤礦井下機(jī)械設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)和故障診斷預(yù)警系統(tǒng)中，具有廣泛的使用范圍。
[0026]本發(fā)明的具體優(yōu)點(diǎn)如下:
[0027](I)采用具備陀螺儀糾偏功能的三軸加速度傳感器，不需要嚴(yán)格確定振動(dòng)傳感器的固定及測(cè)試方向；
[0028](2)—體化微型設(shè)計(jì)，不需考慮信號(hào)線布置，并能有效的進(jìn)行儀器跟機(jī)防護(hù)；
[0029 ] (3)體積小、重量輕，強(qiáng)磁安裝，方便可靠；
[0030](4)本安設(shè)計(jì)，安全性好，適用井下綜采工作面工作環(huán)境；
[0031](5)專門的多通道同時(shí)采樣ADC芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，可以保證通道間的同時(shí)性，避免三軸非同時(shí)采樣帶來(lái)的問(wèn)題，提高采集振動(dòng)信號(hào)的準(zhǔn)確性。
【附圖說(shuō)明】
[0032]圖1是本發(fā)明所述振動(dòng)信號(hào)采集裝置中振動(dòng)信息采集鏈；
[0033]圖2是本發(fā)明所述4階巴特沃茲抗混疊濾波器；
[0034]在圖1中，1、振動(dòng)信號(hào)采集單元；2、信號(hào)調(diào)理單元;3、多通道同時(shí)采樣ADC芯片；4、單片機(jī);5、信號(hào)存儲(chǔ)單元;6、本安電源;7、強(qiáng)磁座。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)的說(shuō)明，但不限于此。
[0036]實(shí)施例1、
[0037]一種便攜式本安型振動(dòng)信號(hào)采集裝置，包括振動(dòng)信號(hào)采集單元1、信號(hào)處理單元、信號(hào)存儲(chǔ)單元5和本安電源6;
[0038]所述振動(dòng)信號(hào)采集單元I通過(guò)信號(hào)處理單元和信號(hào)存儲(chǔ)單元5相連，所述本安電源6為上述各個(gè)單元供電;所述信號(hào)處理單元和信號(hào)存儲(chǔ)單元5整體采用本安封裝。
[0039]所述振動(dòng)信號(hào)采集單元I為三軸加速度傳感器，優(yōu)選的，振動(dòng)信號(hào)采集單元為為三軸IEPE型壓電加速度傳感器。
[0040]實(shí)施例2、
[0041]如實(shí)施例1所述的一種便攜式本安型振動(dòng)信號(hào)采集裝置，其區(qū)別在于，所述振動(dòng)信號(hào)采集單元I通過(guò)強(qiáng)磁座7安裝在待測(cè)設(shè)備上。
[0042]實(shí)施例3、
[0043]如實(shí)施例1-2所述的一種便攜式本安型振動(dòng)信號(hào)采集裝置，其區(qū)別在于，所述信號(hào)處理單元包括信號(hào)調(diào)理單元2、多通道同時(shí)采樣ADC芯片3和單片機(jī)4。
[0044]所述單片機(jī)4為32位ARM Cortex_M4單片機(jī)，所述信號(hào)存儲(chǔ)單元5為SDHC卡。
[0045]所述信號(hào)調(diào)理單元2包括4階巴特沃茲抗混疊濾波器。
[0046]實(shí)施例4、
[0047]如實(shí)施例1-3所述的一種便攜式本安型振動(dòng)信號(hào)采集裝置，其區(qū)別在于，所述振動(dòng)信號(hào)采集單元I和信號(hào)處理單元之間通過(guò)屏蔽電纜和快速航空接頭相連。所述本安電源6為集成式多路供電的本安鋰電池。
[0048]實(shí)施例5、
[0049]利用實(shí)施例1-4所述的一種便攜式本安型振動(dòng)信號(hào)采集裝置對(duì)振動(dòng)信息采集方法，包括三軸加速度傳感器實(shí)時(shí)獲取待測(cè)設(shè)備工作時(shí)的三軸向振動(dòng)信號(hào);并對(duì)所述振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大后儲(chǔ)存至信號(hào)存儲(chǔ)單元中；最后，供遠(yuǎn)程分析處理系統(tǒng)選擇性或?qū)崟r(shí)從信號(hào)存儲(chǔ)單元中獲取振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。
[0050]實(shí)施例6、
[0051]利用實(shí)施例5所述的振動(dòng)信息采集方法，其區(qū)別在于，所述振動(dòng)信息采集方法包括:使用獨(dú)立的16位多通道同時(shí)采樣ADC芯片對(duì)三軸的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采樣，并利用4階巴特沃茲抗混疊濾波器對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種便攜式本安型振動(dòng)信號(hào)采集裝置，其特征在于，所述裝置包括振動(dòng)信號(hào)采集單元、信號(hào)處理單元、信號(hào)存儲(chǔ)單元和本安電源； 所述振動(dòng)信號(hào)采集單元通過(guò)信號(hào)處理單元和信號(hào)存儲(chǔ)單元相連，所述本安電源為上述各個(gè)單元供電;所述信號(hào)處理單元和信號(hào)存儲(chǔ)單元整體采用本安封裝。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種便攜式本安型振動(dòng)信號(hào)采集裝置，其特征在于，所述振動(dòng)信號(hào)采集單元通過(guò)強(qiáng)磁座安裝在待測(cè)設(shè)備上。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種便攜式本安型振動(dòng)信號(hào)采集裝置，其特征在于，所述振動(dòng)信號(hào)采集單元為三軸加速度傳感器，優(yōu)選的，振動(dòng)信號(hào)采集單元為為三軸IEPE型壓電加速度傳感器。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種便攜式本安型振動(dòng)信號(hào)采集裝置，其特征在于，所述信號(hào)處理單元包括信號(hào)調(diào)理單元、多通道同時(shí)采樣ADC芯片和單片機(jī)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種便攜式本安型振動(dòng)信號(hào)采集裝置，其特征在于，所述單片機(jī)為32位ARM Cortex-M4單片機(jī)，所述信號(hào)存儲(chǔ)單元為SDHC卡。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種便攜式本安型振動(dòng)信號(hào)采集裝置，其特征在于，所述振動(dòng)信號(hào)采集單元和信號(hào)處理單元之間通過(guò)屏蔽電纜和快速航空接頭相連。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種便攜式本安型振動(dòng)信號(hào)采集裝置，其特征在于，所述本安電源為集成式多路供電的本安鋰電池。8.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種便攜式本安型振動(dòng)信號(hào)采集裝置，其特征在于，所述信號(hào)調(diào)理單元包括4階巴特沃茲抗混疊濾波器。9.利用權(quán)利要求1-8任意一項(xiàng)所述便攜式本安型振動(dòng)信號(hào)采集裝置進(jìn)行振動(dòng)信息采集方法，其特征在于，該方法包括三軸加速度傳感器實(shí)時(shí)獲取待測(cè)設(shè)備工作時(shí)的三軸向振動(dòng)信號(hào);并對(duì)所述振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波和放大后儲(chǔ)存至信號(hào)存儲(chǔ)單元中；最后，供遠(yuǎn)程分析處理系統(tǒng)選擇性或?qū)崟r(shí)從信號(hào)存儲(chǔ)單元中獲取振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。10.如權(quán)利要求9所述的振動(dòng)信息采集方法，其特征在于，該方法包括:使用獨(dú)立的16位多通道同時(shí)采樣ADC芯片對(duì)三軸的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采樣，并利用4階巴特沃茲抗混疊濾波器對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大。
【文檔編號(hào)】G01H11/08GK106052846SQ201610369571
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月27日
【發(fā)明人】王亮, 張士奇, 曾慶良, 張?chǎng)? 萬(wàn)麗榮, 高魁東, 李建忠, 劉志海
【申請(qǐng)人】山東科技大學(xué)