基于mcu和zigbee的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及智能傳感系統(tǒng)。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及基于MCU和ZIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)，包括：振動(dòng)敏感元件，其用于將檢測(cè)到的被測(cè)對(duì)象的原始振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并輸出至MCU模塊；MCU模塊，其用于將接收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)計(jì)算獲得被測(cè)對(duì)象的所有振動(dòng)特征參數(shù)并按要求輸出；ZIGBEE模塊，其與MCU模塊通訊連接，用于將接收到的振動(dòng)特征參數(shù)以無(wú)線方式輸出；PC端，其與MCU模塊通訊連接，用于設(shè)定需要輸出的被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)特征參數(shù)指令，并發(fā)送至MCU模塊；MCU模塊接收PC端發(fā)出的指令，確定需要輸出的被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)特征參數(shù)，并選擇性輸出。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了高智能化、系統(tǒng)化的信號(hào)處理方式。
【專利說(shuō)明】
基于MCU和ZIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[00011本發(fā)明涉及一種智能傳感系統(tǒng)。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種基于MCU和ZIGBEE的 可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在振動(dòng)測(cè)試和故障分析中，振動(dòng)信號(hào)的峰峰值、有效值等指標(biāo)是評(píng)價(jià)被測(cè)物體振 動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)，而振動(dòng)偏度、峭度及特定濾波頻率的幅值、包絡(luò)解調(diào)特征幅值是對(duì) 被測(cè)物體進(jìn)行振源定位和故障診斷的關(guān)鍵特征參數(shù)。而上述振動(dòng)特征參數(shù)主要通過(guò)振動(dòng)測(cè) 試系統(tǒng)測(cè)量獲得。
[0003] -個(gè)傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)通常由振動(dòng)傳感器、采集裝置、信號(hào)處理裝置構(gòu)成，如圖 1所示。振動(dòng)傳感器是基礎(chǔ)敏感元件，其作用是將被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)位移、速度、加速度信號(hào)轉(zhuǎn) 換為電信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，通過(guò)信號(hào)電纜或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸給采集裝置。采集裝置一般配置 有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的接收裝置，用于接收振動(dòng)傳感器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送來(lái)的振動(dòng)信號(hào)，或者配置 有模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換模塊，用以將振動(dòng)傳感器輸出的電流/電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。采集裝 置在采集到數(shù)字化振動(dòng)信號(hào)后，由信號(hào)處理裝置計(jì)算振動(dòng)信號(hào)的峰峰值、有效值、振動(dòng)偏 度、峭度及特定濾波頻率的幅值等振動(dòng)特征參數(shù)指標(biāo)，供使用者進(jìn)行分析判斷。信號(hào)處理裝 置一般為計(jì)算機(jī)，采集裝置和信號(hào)處理裝置一般由專門(mén)的計(jì)算機(jī)完成。
[0004] 在上述系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的振動(dòng)傳感器只能輸出采集到的原始的振動(dòng)時(shí)域波形信號(hào) (不論輸出方式是無(wú)線方式還是有線方式），因此需要配置后端的信號(hào)處理裝置，并且編制 相應(yīng)軟件模塊實(shí)現(xiàn)振動(dòng)特征參數(shù)的解算。而且，針對(duì)不同測(cè)量對(duì)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(shè)備、信號(hào)處理裝置，編寫(xiě)不同的計(jì)算處理軟件模 塊，常常造成用戶使用的專用設(shè)備較多，和設(shè)備過(guò)于龐大等的弊端。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的一個(gè)目的是解決至少上述問(wèn)題，并提供至少后面將說(shuō)明的優(yōu)點(diǎn)。
[0006] 本發(fā)明還有一個(gè)目的是實(shí)現(xiàn)高智能化、系統(tǒng)化的信號(hào)處理方式，無(wú)需更換或加裝 其他傳統(tǒng)傳感器，就能實(shí)現(xiàn)同一個(gè)傳感器多種振動(dòng)特征參數(shù)的按需輸出，以及振動(dòng)特征參 數(shù)計(jì)算所用濾波器頻率范圍和時(shí)間周期范圍等約束條件的在線設(shè)定調(diào)整。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點(diǎn)，提供了一種基于MCU和ZIGBEE的可組態(tài) 輸出智能傳感系統(tǒng)，包括：
[0008] 振動(dòng)敏感元件，其用于將檢測(cè)到的被測(cè)對(duì)象的原始振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并輸 出至MCU模塊；
[0009] MCU模塊，其用于將接收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)計(jì)算獲得被測(cè)對(duì)象的所 有振動(dòng)特征參數(shù)并按要求輸出；
[0010] ZIGBEE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(dòng)特 征參數(shù)以無(wú)線方式輸出；
[0011] PC端，其與所述MCU模塊通訊連接，用于設(shè)定需要輸出的被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)特征參數(shù) 指令，并發(fā)送至所述MCU模塊；
[0012] 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(cè)對(duì)象的振動(dòng)特 征參數(shù)，并通過(guò)MCU模塊以模擬電信號(hào)的方式輸出和/或通過(guò)ZIGBEE模塊以無(wú)線信號(hào)的方式 輸出。
[0013] 優(yōu)選的是，所述的基于Μ⑶和ZIGBEE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(shè)定計(jì)算需要輸出的被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)特征參數(shù)所必需的濾波器頻率范圍和時(shí)間周 期范圍指令，并將其發(fā)送至所述MCU模塊。
[0014] 優(yōu)選的是，所述的基于Μ⑶和ZIGBEE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(shí)域特征參 數(shù)的時(shí)間周期范圍，進(jìn)而確定最終需要輸出的被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)特征參數(shù)。
[0015] 優(yōu)選的是，所述的基于Μ⑶和ZIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述ZIGBEE模 塊將接收到的需要輸出的被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)特征參數(shù)以無(wú)線方式輸出至無(wú)線接收裝置，并顯 示和存儲(chǔ)。
[0016] 優(yōu)選的是，所述的基于Μ⑶和ZIGBEE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(cè)對(duì)象的振動(dòng)特征參數(shù)后，將該振動(dòng)特征參數(shù)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)后輸 出至后端采集裝置，并顯示和存儲(chǔ)。
[0017] 優(yōu)選的是，所述的基于Μ⑶和ZIGBEE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(zhuǎn)換模塊、邏輯運(yùn)算模塊和DA轉(zhuǎn)換模塊，所述AD轉(zhuǎn)換模塊的輸入端與所述振動(dòng)敏 感元件連接，以將接收到的振動(dòng)敏感元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并輸送至所述邏輯 運(yùn)算模塊，所述DA轉(zhuǎn)換模塊的輸入端與所述邏輯運(yùn)算模塊連接，以將接收到的邏輯運(yùn)算模 塊輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)并輸出。
[0018] 優(yōu)選的是，所述的基于Μ⑶和ZIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述邏輯運(yùn)算 模塊包括時(shí)域特征參數(shù)計(jì)算模塊和頻域特征參數(shù)計(jì)算模塊。
[0019] 優(yōu)選的是，所述的基于Μ⑶和ZIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述時(shí)域特征 參數(shù)計(jì)算模塊包括對(duì)被測(cè)對(duì)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(biāo)和裕度系數(shù)的計(jì)算。
[0020] 優(yōu)選的是，所述的基于Μ⑶和ZIGBEE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(jì)算模塊包括對(duì)被測(cè)對(duì)象的窄帶濾波頻率幅值、寬帶濾波頻率幅值和包絡(luò)解調(diào)幅值的 計(jì)算。
[0021] 優(yōu)選的是，所述的基于MCU和ΖIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，被測(cè)對(duì)象的原 始振動(dòng)信號(hào)包括振動(dòng)位移、振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度。
[0022] 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(chǔ)，結(jié)合ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，振動(dòng)敏感元件采集被測(cè)對(duì)象的 原始振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)，通過(guò)MCU內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換將模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，在MCU模塊內(nèi)部 通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理算法實(shí)時(shí)計(jì)算被測(cè)對(duì)象的峰峰值、有效值、偏度、峭度及特定濾波頻率的 幅值、包絡(luò)解調(diào)特征幅值等，再通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或模擬有線的方式將選定的振動(dòng)特征參數(shù)輸 出。而后端的使用者則無(wú)需再采集振動(dòng)信號(hào)的原始時(shí)域波形信號(hào)，也無(wú)須再進(jìn)行特征值計(jì) 算，只需通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向智能傳感系統(tǒng)選定自己所關(guān)心的振動(dòng)特征參數(shù)以及濾波器頻率范 圍、時(shí)間范圍周期等，即可直接獲取所需振動(dòng)特征參數(shù)，無(wú)需更換或加裝其它傳統(tǒng)傳感器， 實(shí)現(xiàn)了同一個(gè)傳感器多種振動(dòng)特征參數(shù)的輸出，以及振動(dòng)特征參數(shù)計(jì)算所用濾波器頻率范 圍和時(shí)間周期范圍等約束條件的在線設(shè)定調(diào)整。
[0023] 本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征將部分通過(guò)下面的說(shuō)明體現(xiàn)，部分還將通過(guò)對(duì)本 發(fā)明的研究和實(shí)踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1為傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的示意圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明的智能傳感系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明的智能傳感系統(tǒng)的原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說(shuō)明書(shū)文 字能夠據(jù)以實(shí)施。
[0028]應(yīng)當(dāng)理解，本文所使用的諸如"具有"、"包含"以及"包括"術(shù)語(yǔ)并不配出一個(gè)或多 個(gè)其它元件或其組合的存在或添加。
[0029]本發(fā)明提供一種基于MCU和ZIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)，如圖2和圖3所示， 包括：
[0030] 振動(dòng)敏感元件，其用于將檢測(cè)到的被測(cè)對(duì)象的原始振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并輸 出至MCU模塊。振動(dòng)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(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn) 化為電流或電壓信號(hào)輸出。
[0031] MCU模塊，其用于將接收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，MCU模塊運(yùn)行振動(dòng)特征參數(shù) 的計(jì)算程序，通過(guò)計(jì)算獲得被測(cè)對(duì)象的所有振動(dòng)特征參數(shù)并按要求輸出。
[0032] 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：
[0033] MCU+FPU，210DMIPS，高達(dá) 1MB閃存/192+4KB RAM，可設(shè)置3套SPI總線接口，USB 0TG HS/FS，以太網(wǎng)，17個(gè)??Μ，3個(gè)ADC，15個(gè)通信外設(shè)接口和攝像頭。
[0034] STM32f405內(nèi)嵌浮點(diǎn)數(shù)處理模塊(FPU)，為進(jìn)行各類特征參數(shù)計(jì)算提供了浮點(diǎn)數(shù)計(jì) 算能力保證，而其內(nèi)嵌的以太網(wǎng)接口模塊是實(shí)現(xiàn)無(wú)線輸出的基礎(chǔ)，其內(nèi)嵌的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 (ADC)可以對(duì)振動(dòng)原始信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)換和采集。
[0035] ZIGBEE模塊，其與所述Μ⑶模塊通訊連接，用于將接收到的MCU模塊輸出的振動(dòng)特 征參數(shù)以無(wú)線方式輸出。
[0036] ZigBee通訊技術(shù)是基于ΙΕΕΕ802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī) 定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組 織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而 言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。ZigBee是一種低速短距 離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。隨著ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，世界各大無(wú)線芯片生產(chǎn)廠商陸續(xù)推出了 支持ZigBee的節(jié)點(diǎn)塊。
[0037] ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一 個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000 個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。
[0038] ZigBee的低功耗可以使傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將 數(shù)據(jù)從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了端到端的網(wǎng)絡(luò)通信，所以它們的通信效率非 常尚。
[0039] ZigBee傳輸范圍一般介于10~100m之間，在增加發(fā)射功率后，亦可增加到1~3km。 這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。 [0040] PC端，其與所述MCU模塊通訊連接，用于設(shè)定需要輸出的被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)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(gè)或幾個(gè)振動(dòng)特征參數(shù)作為輸 出信號(hào)，并確定是通過(guò)ZIGBEE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方式輸出還是通過(guò)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(cè)對(duì)象的振動(dòng)特征參數(shù)，并通過(guò)MCU 模塊以模擬電信號(hào)的方式輸出和/或通過(guò)ZIGBEE模塊以無(wú)線信號(hào)的方式輸出。使用者通過(guò) PC端的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)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(guò)ZIGBEE模塊的ZigBee通訊環(huán)節(jié)和ZigBee RF收發(fā)器以ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)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(dòng)特征參數(shù);計(jì)算振動(dòng)特征參數(shù)需要 的濾波器頻率范圍和時(shí)間周期范圍。
[0041 ] 所述的基于MCU和ZIGBEE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(shè) 定計(jì)算需要輸出的被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)特征參數(shù)所必需的濾波器頻率范圍和時(shí)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(shè)定，可操作性好。
[0042]所述的基于Μ⑶和ZIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述Μ⑶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(shí)域特征參數(shù)的時(shí)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(shí)域特征參數(shù)的時(shí)間周期范圍實(shí) 時(shí)計(jì)算振動(dòng)特征參數(shù)，進(jìn)而確定最終需要輸出的被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)特征參數(shù)。
[0043]所述的基于Μ⑶和ZIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述ZIGBEE模塊將接收 到的需要輸出的被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)特征參數(shù)以無(wú)線方式輸出至無(wú)線接收裝置，無(wú)線接收裝置 可以為帶有接收模塊的計(jì)算機(jī)，并顯示和存儲(chǔ)。
[0044] 所述的基于Μ⑶和ZIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述Μ⑶模塊在確定需要 輸出的被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)特征參數(shù)后，將該振動(dòng)特征參數(shù)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)后，可以為電壓 或電流信號(hào)，輸出至后端采集裝置，后端采集裝置可以為帶有模數(shù)轉(zhuǎn)化裝置的計(jì)算機(jī)，并顯 示和存儲(chǔ)。
[0045] 所述的基于Μ⑶和ZIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述MCU模塊中包括ADR 換模塊、邏輯運(yùn)算模塊和DA轉(zhuǎn)換模塊，所述AD轉(zhuǎn)換模塊的輸入端與所述振動(dòng)敏感元件連接， 以將接收到的振動(dòng)敏感元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并輸送至所述邏輯運(yùn)算模塊，所 述DA轉(zhuǎn)換模塊的輸入端與所述邏輯運(yùn)算模塊連接，以將接收到的邏輯運(yùn)算模塊輸出的數(shù)字 信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)并輸出。
[0046]所述的基于Μ⑶和ZIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述邏輯運(yùn)算模塊包括 時(shí)域特征參數(shù)計(jì)算模塊和頻域特征參數(shù)計(jì)算模塊。
[0047]所述的基于MCU和ZIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，所述時(shí)域特征參數(shù)計(jì)算 模塊包括對(duì)被測(cè)對(duì)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(biāo)和裕度系數(shù)的計(jì)算。
[0048] 1)峰值 Xp
[0049] 把{xi}的N個(gè)采樣點(diǎn)分成η段，在每一段中找出η個(gè)峰值{XPj} (j = 1~η)，貝lj {xi}的 峰值指標(biāo)為：
[0051] 峰值^反映的是某時(shí)刻振幅的最大值，因而適用于表面點(diǎn)蝕損傷之類的具有瞬時(shí) 沖擊的故障診斷。另外，對(duì)轉(zhuǎn)速較低的情況(如300r/min以下），也常采用峰值進(jìn)行診斷。
[0052] 2)均值 I
[0053]對(duì)于簡(jiǎn)諧振動(dòng)為半個(gè)周期內(nèi)的平均值，對(duì)于軸承沖擊振動(dòng)為經(jīng)絕對(duì)值處理后的平 均值。
[0055] 用于診斷的效果與峰值基本一樣，其優(yōu)點(diǎn)是監(jiān)測(cè)值較峰值穩(wěn)定，但一般用于轉(zhuǎn)速 較高的情況(如300r/min以上）。
[0056] 3)均方根值(有效值)Xrms
[0058] 均方根值是對(duì)時(shí)間平均的，用來(lái)反映信號(hào)的能量大小，適用于像磨損之類的振幅 值隨時(shí)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)(_值越高。對(duì) 早期故障不敏感，但穩(wěn)定性很好。
[0059] 4)方差
[0060] 表不信號(hào)的波動(dòng)分量，表征振動(dòng)信號(hào)的頻率穩(wěn)定度。
[0061] 5)峰值因子(波峰因數(shù))Cf
[0063] 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) Cf，能恰當(dāng)?shù)姆从臣夥宓南鄬?duì)大小。評(píng)判軸承合不合格的C f界限值約為1.5，Cf值大于1.5，則 認(rèn)為軸承元件上存在局部缺陷。）
[0064] 正常軸承的振動(dòng)波峰因子約為4~5,因剝落等局部缺陷引起的振動(dòng)峰值因子往往 超過(guò)10,缺陷越大，Cf值也越大。
[0065] 軸承發(fā)生剝落等局部缺陷時(shí)，Cf值相對(duì)較大；當(dāng)發(fā)生潤(rùn)滑不良和磨損等異常情況 時(shí)，Cf值相對(duì)較小。
[0066] 需要指出的是，在軸承出現(xiàn)故障的整個(gè)過(guò)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?yàn)楣收铣跗?，振?dòng)幅值會(huì)明顯增加，而均方根值變化尚不明顯，隨故 障不斷擴(kuò)展，峰值達(dá)到極限值，均方根值開(kāi)始明顯增大。
[0067] 波峰因子是一個(gè)相對(duì)值的比率，它不受振動(dòng)信號(hào)絕對(duì)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(wú)關(guān)，同時(shí)也不受軸承尺寸大小和轉(zhuǎn)速不同的影響，因而測(cè) 定數(shù)據(jù)很方便。
[0068] 6)峭度指標(biāo)K
[0069]離散序列的峭度指標(biāo)定義為歸一化的4階中心距：
[0071] 振幅滿足正態(tài)分布的無(wú)故障軸承其峭度值約為3,軸承振動(dòng)信號(hào)的峭度值一般在 3-45，當(dāng)值大于4時(shí)，即預(yù)示著軸承有一定程度的損傷。采用該特征參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于與軸承 的轉(zhuǎn)速、尺寸和載荷無(wú)關(guān)，主要適用于點(diǎn)蝕類故障的診斷。
[0072] 峭度值具有與波峰因子類似的變化趨勢(shì)，軸承良好狀態(tài)和嚴(yán)重故障狀態(tài)下的裕度 指標(biāo)幾乎是相同的。
[0073] 對(duì)早期故障有較高的敏感性，但穩(wěn)定性不好，可同時(shí)與有效值進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)。
[0074] 7)波形因子Ws
[0075]波形因數(shù)定義為均方根值與絕對(duì)均值之比：
[0077] 當(dāng)Ws值過(guò)大時(shí)，表明滾動(dòng)軸承可能有點(diǎn)蝕；當(dāng)Ws值過(guò)小時(shí)，有可能發(fā)生了磨損。
[0078] 8)脈沖指標(biāo)I
[0082] 當(dāng)時(shí)間信號(hào)中包含的信息不是來(lái)自一個(gè)零件或部件，而是屬于多個(gè)元件時(shí)，如在 多級(jí)齒輪的振動(dòng)信號(hào)中往往包含有來(lái)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(biāo))Ws、脈沖指標(biāo)I、裕度系數(shù)L無(wú)量綱指標(biāo)進(jìn)行故障診斷 或分析。
[0083] 10)偏度 &
[0084] 偏度〇c反映振動(dòng)信號(hào)的不對(duì)稱性，如果oc越大，不對(duì)稱越厲害。由于存在某一方向 的摩擦或碰撞，造成振動(dòng)波形的不對(duì)稱，使偏度指標(biāo)增大。
[0086]所述的基于MCU和ZIGBEE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(jì)算 模塊包括對(duì)被測(cè)對(duì)象的窄帶濾波頻率幅值、寬帶濾波頻率幅值和包絡(luò)解調(diào)幅值的計(jì)算。 [0087] 11)窄帶濾波
[0088]由于弱小高頻沖擊共振信號(hào)被疊加在轉(zhuǎn)頻等低頻信號(hào)中，采用FFT無(wú)法分離出來(lái)， 因此需要先將幅值較大的低頻信號(hào)和更高頻的非共振信號(hào)濾除，只留下由周期性出現(xiàn)的沖 擊共振信號(hào)。
[0089]如果周期分量的頻率為ω〇,用中心頻率為ω〇、帶寬為Δ ω的窄帶濾波器對(duì)原始信 號(hào)進(jìn)行濾波。對(duì)周期分量，它的譜峰值在濾波后不隨帶寬變化，但帶寬隨機(jī)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(huì)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。
[0090] 12)寬帶濾波
[0091]寬帶濾波是相對(duì)于窄帶濾波而言，即保持某一帶寬的頻率信號(hào)，在信號(hào)分析中可 實(shí)現(xiàn)對(duì)于我們所需要的特定帶寬內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行綜合分析。
[0092] 13)包絡(luò)解調(diào)譜
[0093] 包絡(luò)譜分析是針對(duì)調(diào)制信號(hào)而言的。
[0094]通常的包絡(luò)分析方法是用Hilbert變換提取信號(hào)的包絡(luò)，Hilbert包絡(luò)是時(shí)域信號(hào) 絕對(duì)值的包絡(luò)，它從信號(hào)中提取調(diào)制信號(hào)，分析調(diào)制函數(shù)的變化，對(duì)提取故障特征具有很大 的優(yōu)越性。
[0095]經(jīng)過(guò)窄帶濾波以后的共振信號(hào)無(wú)法直接采用FFT進(jìn)行頻率識(shí)別，需要采用Hilert 變換進(jìn)行包絡(luò)檢測(cè)，檢測(cè)出沖擊信號(hào)包絡(luò)信號(hào)。
[0096]擺度包絡(luò)信號(hào)中存在一個(gè)周期性的包絡(luò)，該包絡(luò)是周期性沖擊振動(dòng)共振信號(hào)的包 絡(luò)。
[0097] 包絡(luò)譜識(shí)別：
[0098]在求得包絡(luò)波形以后，對(duì)包絡(luò)波形進(jìn)行快速傅立葉變換，獲得包絡(luò)信號(hào)的頻譜圖， 從該頻譜圖中可以獲得主信號(hào)(幅值最大信號(hào))幅值、主信號(hào)頻率、主信號(hào)空間相位。
[0099]從包絡(luò)信號(hào)的頻譜圖中可以清楚看到，信號(hào)的主頻(幅值最大）是機(jī)組轉(zhuǎn)速頻率， 其余大幅值頻率全部是該頻率的高次諧波。從包絡(luò)信號(hào)的頻譜圖中可以清楚得出結(jié)論，由 碰磨引起的沖擊每個(gè)周期一次。另外通過(guò)包絡(luò)信號(hào)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。
[0100]所述的基于MCU和ZIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)中，被測(cè)對(duì)象的原始振動(dòng)信 號(hào)包括振動(dòng)位移、振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度。
[0101]盡管本發(fā)明的實(shí)施方案已公開(kāi)如上，但其并不僅僅限于說(shuō)明書(shū)和實(shí)施方式中所列 運(yùn)用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地 實(shí)現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)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(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于MCU和ZIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)，其特征在于，包括： 振動(dòng)敏感元件，其用于將檢測(cè)到的被測(cè)對(duì)象的原始振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并輸出至 MCU模塊； MCU模塊，其用于將接收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)計(jì)算獲得被測(cè)對(duì)象的所有振 動(dòng)特征參數(shù)并按要求輸出； ZIGBEE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(dòng)特征參 數(shù)以無(wú)線方式輸出； PC端，其與所述MCU模塊通訊連接，用于設(shè)定需要輸出的被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)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(cè)對(duì)象的振動(dòng)特征參 數(shù)，并通過(guò)MCU模塊以模擬電信號(hào)的方式輸出和/或通過(guò)ZIGBEE模塊以無(wú)線信號(hào)的方式輸 出。2. 如權(quán)利要求1所述的基于MCU和ZIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)，其特征在于，所 述PC端還可以用于設(shè)定計(jì)算需要輸出的被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)特征參數(shù)所必需的濾波器頻率范 圍和時(shí)間周期范圍指令，并將其發(fā)送至所述MCU模塊。3. 如權(quán)利要求2所述的基于MCU和ZIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)，其特征在于，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(shí)域特征參數(shù)的時(shí)間周期范圍，進(jìn)而確定最終需要輸出的被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)特征參數(shù)。4. 如權(quán)利要求1所述的基于MCU和ZIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)，其特征在于，所 述ZIGBEE模塊將接收到的需要輸出的被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)特征參數(shù)以無(wú)線方式輸出至無(wú)線接 收裝置，并顯示和存儲(chǔ)。5. 如權(quán)利要求1所述的基于MCU和ZIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)，其特征在于，所 述MCU模塊在確定需要輸出的被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)特征參數(shù)后，將該振動(dòng)特征參數(shù)轉(zhuǎn)換為模擬 電信號(hào)后輸出至后端采集裝置，并顯示和存儲(chǔ)。6. 如權(quán)利要求1所述的基于MCU和ZIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)，其特征在于，所 述MCU模塊中包括AD轉(zhuǎn)換模塊、邏輯運(yùn)算模塊和DA轉(zhuǎn)換模塊，所述AD轉(zhuǎn)換模塊的輸入端與所 述振動(dòng)敏感元件連接，以將接收到的振動(dòng)敏感元件輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并輸送至 所述邏輯運(yùn)算模塊，所述DA轉(zhuǎn)換模塊的輸入端與所述邏輯運(yùn)算模塊連接，以將接收到的邏 輯運(yùn)算模塊輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)并輸出。7. 如權(quán)利要求6所述的基于MCU和ZIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)，其特征在于，所 述邏輯運(yùn)算模塊包括時(shí)域特征參數(shù)計(jì)算模塊和頻域特征參數(shù)計(jì)算模塊。8. 如權(quán)利要求7所述的基于MCU和ZIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)，其特征在于，所 述時(shí)域特征參數(shù)計(jì)算模塊包括對(duì)被測(cè)對(duì)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(biāo)和裕度系數(shù)的計(jì)算。9. 如權(quán)利要求7所述的基于MCU和ZIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)，其特征在于，所 述頻域特征參數(shù)計(jì)算模塊包括對(duì)被測(cè)對(duì)象的窄帶濾波頻率幅值、寬帶濾波頻率幅值和包絡(luò) 解調(diào)幅值的計(jì)算。10. 如權(quán)利要求1所述的基于Μ⑶和ZIGBEE的可組態(tài)輸出智能傳感系統(tǒng)，其特征在于，被 測(cè)對(duì)象的原始振動(dòng)信號(hào)包括振動(dòng)位移、振動(dòng)速度和振動(dòng)加速度。
【文檔編號(hào)】G01H17/00GK106092312SQ201610440298
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月17日
【發(fā)明人】崔悅, 任繼順, 汪洋, 張民威, 蘇疆東
【申請(qǐng)人】北京中元瑞訊科技有限公司