关键词：振动监测;;压电加速度计;;FFT;;频谱比对;;无线数据传输
摘 要：保证机械设备稳定、安全、高效的运行,对于减少生产过程中的不必要停机与预防安全事故的发生具有重要意义。振动监测技术作为一种重要的状态监测技术可以实时获取设备的振动信息,了解设备的工作状态,并对设备的异常状态进行预警,防患于未然。本文研究并设计了一款用于监测设备振动的低功耗智能螺钉,智能螺钉主要由压电振动传感器单元、信息处理电路与无线数据收发模块等组成。智能螺钉集成了轻量化的振动监测算法,可以实现设备振动的在线监测功能;通过中心机将多个智能螺钉组网后可以形成一个振动监测网络,从而实现机械设备的多测点实时监测功能。上位机与中心机之间使用RS-485串口通信,通过循环冗余校验(CRC)保证了数据的可靠传输。本文的主要工作如下:(1)振动模拟平台的研制。该振动台由音圈电机驱动,音圈电机的驱动信号由函数发生器提供,可以方便地实现振动台振动频率与幅值的调节。(2)压电振动传感单元的研制。使用压电陶瓷PZT(蜂鸣片)作为压电转换元件,通过对蜂鸣片建模与仿真分析,确定了传感器的固定安装方式;结合传感器壳体的仿真分析,得到了具有较高固有频率的传感器设计方案。最终研制出的压电振动传感器模块对30Hz~1000Hz范围内的振动具有较好的频率响应。(3)无线数据传输模块的设计与实现。使用低功耗的MSP430FR5969单片机作为信息处理CPU,通过CC110L射频模块实现智能螺钉与中心机之间的无线数据传输,根据测试结果,本文研制的智能螺钉在40米范围内具有较好的数据传输能力。(4)振动监测算法的设计与实现。本文在智能螺钉端实现了以FFT为基础,频谱比对算法为核心的状态监测算法,使用该算法可以实现设备的状态监测功能。在上位机端以MATLAB为平台对振动信号进行了时频分析,进而判定设备的工作状态是否稳定。(5)实现智能螺钉的组网运行。使用自定义的数据帧格式对智能螺钉进行组网,由中心机对各个螺钉进行协调,进而可以获取机械设备多测点的振动数据与状态监测信息。(6)在实际工况下对振动监测系统进行测试。测试结果表明,本文研制的智能螺钉可以正确地将砂轮机的不同工作状态区分开,具备良好的状态监测能力。
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