本發(fā)明涉及一種智能傳感系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明涉及一種基于MCU和GPRS的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)。

背景技術：

在振動測試和故障分析中，振動信號的峰峰值、有效值等指標是評價被測物體振動強度的關鍵指標參數(shù)，而振動偏度、峭度及特定濾波頻率的幅值、包絡解調(diào)特征幅值是對被測物體進行振源定位和故障診斷的關鍵特征參數(shù)。而上述振動特征參數(shù)主要通過振動測試系統(tǒng)測量獲得。

一個傳統(tǒng)的振動測試系統(tǒng)通常由振動傳感器、采集裝置、信號處理裝置構成，如圖1所示。振動傳感器是基礎敏感元件，其作用是將被測對象的振動位移、速度、加速度信號轉換為電信號或數(shù)字信號，通過信號電纜或者無線網(wǎng)絡傳輸給采集裝置。采集裝置一般配置有無線網(wǎng)絡的接收裝置，用于接收振動傳感器通過無線網(wǎng)絡傳送來的振動信號，或者配置有模數(shù)(A/D)轉換模塊，用以將振動傳感器輸出的電流/電壓信號轉換為數(shù)字信號。采集裝置在采集到數(shù)字化振動信號后，由信號處理裝置計算振動信號的峰峰值、有效值、振動偏度、峭度及特定濾波頻率的幅值等振動特征參數(shù)指標，供使用者進行分析判斷。信號處理裝置一般為計算機，采集裝置和信號處理裝置一般由專門的計算機完成。

在上述系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的振動傳感器只能輸出采集到的原始的振動時域波形信號(不論輸出方式是無線方式還是有線方式)，因此需要配置后端的信號處理裝置，并且編制相應軟件模塊實現(xiàn)振動特征參數(shù)的解算。而且，針對不同測量對象，其分析判定的特征參數(shù)也不盡相同，那么就要配置不同的采集設備、信號處理裝置，編寫不同的計算處理軟件模塊，常常造成用戶使用的專用設備較多，和設備過于龐大等的弊端。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個目的是解決至少上述問題，并提供至少后面將說明的優(yōu)點。

本發(fā)明還有一個目的是實現(xiàn)高智能化、系統(tǒng)化的信號處理方式，無需更換或加裝其他傳統(tǒng)傳感器，就能實現(xiàn)同一個傳感器多種振動特征參數(shù)的按需輸出，以及振動特征參數(shù)計算所用濾波器頻率范圍和時間周期范圍等約束條件的在線設定調(diào)整。

為了實現(xiàn)本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點，提供了一種基于MCU和GPRS的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)，包括：

振動敏感元件，其用于將檢測到的被測對象的原始振動信號轉化為電信號，并輸出至MCU模塊；

MCU模塊，其用于將接收到的電信號轉換為數(shù)字信號，通過計算獲得被測對象的所有振動特征參數(shù)并按要求輸出；

GPRS模塊，其與所述MCU模塊通訊連接，用于將接收到的MCU模塊輸出的振動特征參數(shù)以無線方式輸出；

PC端，其與所述MCU模塊通訊連接，用于設定需要輸出的被測對象的振動特征參數(shù)指令，并發(fā)送至所述MCU模塊；

其中，所述MCU模塊接收所述PC端發(fā)出的指令，確定需要輸出的被測對象的振動特征參數(shù)，并通過MCU模塊以模擬電信號的方式輸出和/或通過GPRS模塊以無線信號的方式輸出。

優(yōu)選的是，所述的基于MCU和GPRS的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述PC端還可以用于設定計算需要輸出的被測對象的振動特征參數(shù)所必需的濾波器頻率范圍和時間周期范圍指令，并將其發(fā)送至所述MCU模塊。

優(yōu)選的是，所述的基于MCU和GPRS的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述MCU模塊在接收到所述PC端發(fā)出的指令后，重新調(diào)整頻域特征參數(shù)的濾波器頻率范圍和時域特征參數(shù)的時間周期范圍，進而確定最終需要輸出的被測對象的振動特征參數(shù)。

優(yōu)選的是，所述的基于MCU和GPRS的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述GPRS模塊將接收到的需要輸出的被測對象的振動特征參數(shù)以無線方式輸出至無線接收裝置，并顯示和存儲。

優(yōu)選的是，所述的基于MCU和GPRS的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述MCU模塊在確定需要輸出的被測對象的振動特征參數(shù)后，將該振動特征參數(shù)轉換為模擬電信號后輸出至后端采集裝置，并顯示和存儲。

優(yōu)選的是，所述的基于MCU和GPRS的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述MCU模塊中包括AD轉換模塊、邏輯運算模塊和DA轉換模塊，所述AD轉換模塊的輸入端與所述振動敏感元件連接，以將接收到的振動敏感元件輸出的電信號轉換為數(shù)字信號并輸送至所述邏輯運算模塊，所述DA轉換模塊的輸入端與所述邏輯運算模塊連接，以將接收到的邏輯運算模塊輸出的數(shù)字信號轉換為模擬電信號并輸出。

優(yōu)選的是，所述的基于MCU和GPRS的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述邏輯運算模塊包括時域特征參數(shù)計算模塊和頻域特征參數(shù)計算模塊。

優(yōu)選的是，所述的基于MCU和GPRS的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述時域特征參數(shù)計算模塊包括對被測對象的峰峰值、有效值、平均值、均方根值、方差、偏度、峭度、波形因子、峰值因子、脈沖指標和裕度系數(shù)的計算。

優(yōu)選的是，所述的基于MCU和GPRS的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述頻域特征參數(shù)計算模塊包括對被測對象的窄帶濾波頻率幅值、寬帶濾波頻率幅值和包絡解調(diào)幅值的計算。

優(yōu)選的是，所述的基于MCU和GPRS的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，被測對象的原始振動信號包括振動位移、振動速度和振動加速度。

本發(fā)明至少包括以下有益效果：本發(fā)明以高性能微控制單元(Microcontroller Unit)MCU為硬件基礎，結合GPRS無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸技術，振動敏感元件采集被測對象的原始振動信號的數(shù)據(jù)，通過MCU內(nèi)部AD轉換將模擬電信號轉變?yōu)閿?shù)字信號，在MCU模塊內(nèi)部通過數(shù)字信號處理算法實時計算被測對象的峰峰值、有效值、偏度、峭度及特定濾波頻率的幅值、包絡解調(diào)特征幅值等，再通過無線網(wǎng)絡或模擬有線的方式將選定的振動特征參數(shù)輸出。而后端的使用者則無需再采集振動信號的原始時域波形信號，也無須再進行特征值計算，只需通過無線網(wǎng)絡向智能傳感系統(tǒng)選定自己所關心的振動特征參數(shù)以及濾波器頻率范圍、時間范圍周期等，即可直接獲取所需振動特征參數(shù)，無需更換或加裝其它傳統(tǒng)傳感器，實現(xiàn)了同一個傳感器多種振動特征參數(shù)的輸出，以及振動特征參數(shù)計算所用濾波器頻率范圍和時間周期范圍等約束條件的在線設定調(diào)整。

本發(fā)明的其它優(yōu)點、目標和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對本發(fā)明的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)的振動測試系統(tǒng)的示意圖；

圖2為本發(fā)明的智能傳感系統(tǒng)的基本結構示意圖；

圖3為本發(fā)明的智能傳感系統(tǒng)的原理示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據(jù)以實施。

應當理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術語并不配出一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。

本發(fā)明提供一種基于MCU和GPRS的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)，如圖2和圖3所示，包括：

振動敏感元件，其用于將檢測到的被測對象的原始振動信號轉化為電信號，并輸出至MCU模塊。振動敏感元件為壓電式或磁電式智能傳感器。智能傳感器將原始振動信號轉化為電流或電壓信號輸出。

MCU模塊，其用于將接收到的電信號轉換為數(shù)字信號，MCU模塊運行振動特征參數(shù)的計算程序，通過計算獲得被測對象的所有振動特征參數(shù)并按要求輸出。

本發(fā)明的MCU模塊為STM32f405芯片，STM32f405是基于32位高性能ARM Cortex-M4內(nèi)核的MCU芯片，特性如下：

MCU+FPU，210DMIPS，高達1MB閃存/192+4KB RAM，可設置3套SPI總線接口，USB OTG HS/FS，以太網(wǎng)，17個TIM，3個ADC，15個通信外設接口和攝像頭。

STM32f405內(nèi)嵌浮點數(shù)處理模塊(FPU)，為進行各類特征參數(shù)計算提供了浮點數(shù)計算能力保證，而其內(nèi)嵌的以太網(wǎng)接口模塊是實現(xiàn)無線輸出的基礎，其內(nèi)嵌的模數(shù)轉換模塊(ADC)可以對振動原始信號實現(xiàn)數(shù)字化轉換和采集。

GPRS模塊，其與所述MCU模塊通訊連接，用于將接收到的MCU模塊輸出的振動特征參數(shù)以無線方式輸出。

GPRS是通用分組無線服務技術(General Packet Radio Service)的簡稱，它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務。GPRS可說是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封?Packet)式來傳輸，傳輸速率可提升至56甚至114Kbps。

GPRS經(jīng)常被描述成“2.5G”，也就是說這項技術位于第二代(2G)和第三代(3G)移動通訊技術之間。它通過利用GSM網(wǎng)絡中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。GPRS突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式，只通過增加相應的功能實體和對現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進行部分改造來實現(xiàn)分組交換，這種改造的投入相對來說并不大，但得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當可觀。而且，因為不再需要現(xiàn)行無線應用所需要的中介轉換器，所以連接及傳輸都會更方便容易。

PC端，其與所述MCU模塊通訊連接，用于設定需要輸出的被測對象的振動特征參數(shù)指令，并發(fā)送至所述MCU模塊。使用者根據(jù)自己的需要選擇一個或幾個振動特征參數(shù)作為輸出信號，并確定是通過GPRS無線網(wǎng)絡方式輸出還是通過有線模擬方式輸出。

其中，所述MCU模塊接收所述PC端發(fā)出的指令，確定需要輸出的被測對象的振動特征參數(shù)，并通過MCU模塊以模擬電信號的方式輸出和/或通過GPRS模塊以無線信號的方式輸出。使用者通過PC端的無線網(wǎng)絡向智能傳感系統(tǒng)傳輸控制指令，該控制指令可直接發(fā)送至MCU模塊，也可以通過GPRS模塊的GPRS通訊環(huán)節(jié)和天線接口以GPRS無線信號的方式發(fā)送至MCU模塊，該指令包括兩方面的內(nèi)容：需要輸出的振動特征參數(shù)；計算振動特征參數(shù)需要的濾波器頻率范圍和時間周期范圍。

所述的基于MCU和GPRS的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述PC端還可以用于設定計算需要輸出的被測對象的振動特征參數(shù)所必需的濾波器頻率范圍和時間周期范圍指令，并將其發(fā)送至所述MCU模塊。用戶可以在PC端在線設定，可操作性好。

所述的基于MCU和GPRS的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述MCU模塊在接收到所述PC端發(fā)出的指令后，重新調(diào)整頻域特征參數(shù)的濾波器頻率范圍和時域特征參數(shù)的時間周期范圍，MCU模塊按照新的頻域特征參數(shù)的濾波器范圍和時域特征參數(shù)的時間周期范圍實時計算振動特征參數(shù)，進而確定最終需要輸出的被測對象的振動特征參數(shù)。

所述的基于MCU和GPRS的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述GPRS模塊將接收到的需要輸出的被測對象的振動特征參數(shù)以無線方式輸出至無線接收裝置，無線接收裝置可以為帶有接收模塊的計算機，并顯示和存儲。

所述的基于MCU和GPRS的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述MCU模塊在確定需要輸出的被測對象的振動特征參數(shù)后，將該振動特征參數(shù)轉換為模擬電信號后，可以為電壓或電流信號，輸出至后端采集裝置，后端采集裝置可以為帶有模數(shù)轉化裝置的計算機，并顯示和存儲。

所述的基于MCU和GPRS的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述MCU模塊中包括AD轉換模塊、邏輯運算模塊和DA轉換模塊，所述AD轉換模塊的輸入端與所述振動敏感元件連接，以將接收到的振動敏感元件輸出的電信號轉換為數(shù)字信號并輸送至所述邏輯運算模塊，所述DA轉換模塊的輸入端與所述邏輯運算模塊連接，以將接收到的邏輯運算模塊輸出的數(shù)字信號轉換為模擬電信號并輸出。

所述的基于MCU和GPRS的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述邏輯運算模塊包括時域特征參數(shù)計算模塊和頻域特征參數(shù)計算模塊。

所述的基于MCU和GPRS的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述時域特征參數(shù)計算模塊包括對被測對象的峰峰值、有效值、平均值、均方根值、方差、偏度、峭度、波形因子、峰值因子、脈沖指標和裕度系數(shù)的計算。

1)峰值X_p

把{x_i}的N個采樣點分成n段，在每一段中找出n個峰值{X_pj}(j＝1～n)，則{x_i}的峰值指標為：

$X_p=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{X}_{pj}$

峰值X_p反映的是某時刻振幅的最大值，因而適用于表面點蝕損傷之類的具有瞬時沖擊的故障診斷。另外，對轉速較低的情況(如300r/min以下)，也常采用峰值進行診斷。

2)均值

對于簡諧振動為半個周期內(nèi)的平均值，對于軸承沖擊振動為經(jīng)絕對值處理后的平均值。

$\stackrel{\‾}{X}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left|X_i\right|$

用于診斷的效果與峰值基本一樣，其優(yōu)點是監(jiān)測值較峰值穩(wěn)定，但一般用于轉速較高的情況(如300r/min以上)。

3)均方根值(有效值)X_rms

$X_{rms}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{x_i}^2}$

均方根值是對時間平均的，用來反映信號的能量大小，適用于像磨損之類的振幅值隨時間緩慢變化的故障診斷。軸承制造精度越低或軸承磨損程度越大，則X_rms值越高。對早期故障不敏感，但穩(wěn)定性很好。

4)方差

表示信號的波動分量，表征振動信號的頻率穩(wěn)定度。記為

5)峰值因子(波峰因數(shù))C_f

$C_f=\frac{x_p}{x_{rms}}$

軸承元件上的局部剝落、擦傷、刻痕和凹痕等一類離散型缺陷，產(chǎn)生的脈沖波形總能量并不大，但是波形的尖峰度明顯，因此，峰值因子適用于這類故障的診斷。(波峰因數(shù)C_f，能恰當?shù)姆从臣夥宓南鄬Υ笮　Ｔu判軸承合不合格的C_f界限值約為1.5，C_f值大于1.5，則認為軸承元件上存在局部缺陷。)

正常軸承的振動波峰因子約為4～5，因剝落等局部缺陷引起的振動峰值因子往往超過10，缺陷越大，C_f值也越大。

軸承發(fā)生剝落等局部缺陷時，C_f值相對較大；當發(fā)生潤滑不良和磨損等異常情況時，C_f值相對較小。

需要指出的是，在軸承出現(xiàn)故障的整個過程中波峰因數(shù)值并不是一直增加，而是先增加再減小。這是因為故障初期，振動幅值會明顯增加，而均方根值變化尚不明顯，隨故障不斷擴展，峰值達到極限值，均方根值開始明顯增大。

波峰因子是一個相對值的比率，它不受振動信號絕對電平值大小的影響，與傳感器的靈敏度和放大器的放大率無關，同時也不受軸承尺寸大小和轉速不同的影響，因而測定數(shù)據(jù)很方便。

6)峭度指標K

離散序列的峭度指標定義為歸一化的4階中心距：

$K=\frac{1}{N}\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{x_i}^4}{X_{rms}^4}$

振幅滿足正態(tài)分布的無故障軸承其峭度值約為3，軸承振動信號的峭度值一般在3-45，當值大于4時，即預示著軸承有一定程度的損傷。采用該特征參數(shù)的優(yōu)點在于與軸承的轉速、尺寸和載荷無關，主要適用于點蝕類故障的診斷。

峭度值具有與波峰因子類似的變化趨勢，軸承良好狀態(tài)和嚴重故障狀態(tài)下的裕度指標幾乎是相同的。

對早期故障有較高的敏感性，但穩(wěn)定性不好，可同時與有效值進行故障監(jiān)測。

7)波形因子W_s

波形因數(shù)定義為均方根值與絕對均值之比：

$W_S=\frac{X_{rms}}{\stackrel{\‾}{X}}$

當W_s值過大時，表明滾動軸承可能有點蝕；當W_s值過小時，有可能發(fā)生了磨損。

8)脈沖指標I

9)裕度系數(shù)L

當時間信號中包含的信息不是來自一個零件或部件，而是屬于多個元件時，如在多級齒輪的振動信號中往往包含有來自高速齒輪、低速齒輪以及軸承等部件的信息，在這種情況下，可利用波形因子(波形指標)W_s、脈沖指標I、裕度系數(shù)L無量綱指標進行故障診斷或分析。

10)偏度∝

偏度∝反映振動信號的不對稱性，如果∝越大，不對稱越厲害。由于存在某一方向的摩擦或碰撞，造成振動波形的不對稱，使偏度指標增大。

計算表達式：

所述的基于MCU和GPRS的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述頻域特征參數(shù)計算模塊包括對被測對象的窄帶濾波頻率幅值、寬帶濾波頻率幅值和包絡解調(diào)幅值的計算。

11)窄帶濾波

由于弱小高頻沖擊共振信號被疊加在轉頻等低頻信號中，采用FFT無法分離出來，因此需要先將幅值較大的低頻信號和更高頻的非共振信號濾除，只留下由周期性出現(xiàn)的沖擊共振信號。

如果周期分量的頻率為ω₀，用中心頻率為ω₀、帶寬為Δω的窄帶濾波器對原始信號進行濾波。對周期分量，它的譜峰值在濾波后不隨帶寬變化，但帶寬隨機噪聲的能量是大致均布在一定頻率范圍內(nèi)的，濾波后它的輸出會隨著帶寬的減小而減小，因此窄帶濾波器能有效地抑制這種噪聲。

12)寬帶濾波

寬帶濾波是相對于窄帶濾波而言，即保持某一帶寬的頻率信號，在信號分析中可實現(xiàn)對于我們所需要的特定帶寬內(nèi)的信號進行綜合分析。

13)包絡解調(diào)譜

包絡譜分析是針對調(diào)制信號而言的。

通常的包絡分析方法是用Hilbert變換提取信號的包絡，Hilbert包絡是時域信號絕對值的包絡，它從信號中提取調(diào)制信號，分析調(diào)制函數(shù)的變化，對提取故障特征具有很大的優(yōu)越性。

經(jīng)過窄帶濾波以后的共振信號無法直接采用FFT進行頻率識別，需要采用Hilert變換進行包絡檢測，檢測出沖擊信號包絡信號。

擺度包絡信號中存在一個周期性的包絡，該包絡是周期性沖擊振動共振信號的包絡。

包絡譜識別：

在求得包絡波形以后，對包絡波形進行快速傅立葉變換，獲得包絡信號的頻譜圖，從該頻譜圖中可以獲得主信號(幅值最大信號)幅值、主信號頻率、主信號空間相位。

從包絡信號的頻譜圖中可以清楚看到，信號的主頻(幅值最大)是機組轉速頻率，其余大幅值頻率全部是該頻率的高次諧波。從包絡信號的頻譜圖中可以清楚得出結論，由碰磨引起的沖擊每個周期一次。另外通過包絡信號的頻譜圖也可以得到?jīng)_擊發(fā)生的空間相位，也有助于故障定位。

所述的基于MCU和GPRS的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，被測對象的原始振動信號包括振動位移、振動速度和振動加速度。

盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領域，對于熟悉本領域的人員而言，可容易地實現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細節(jié)和這里示出與描述的圖例。