一种设备工作状态智能监测装置及监测方法

技术领域

本公开涉及监测设备相关技术领域，具体的说，是涉及一种设备工作状态智能监测装置及监测方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

工业动力设备是产生、转化和传送动力的设备。动力设备把自然界的潜能转化为热能或机械能，或把机械能转化为电能，以及把电能进一步转化为机构能等生产和生活所需要的各种动力形式，并把它们输送到消费单位使用。动力设备的运行状况实时监测，可以判断动力设备的工作性能和故障预判，能够提高动力设备的运行安全性，在设备运行管理过程中具有十分重要的意义。

动力设备运行过程中，其故障往往表现为振动特性变化以及设备表面温度的变化。现阶段，大型设备多采用振动传感器(MEMS)测量电动机的轴位移和轴振动，直接实时在线监测核心部件工作情况。发明人发现，现有的动力设备，有的没有安装或不便安装相关传感器测量，因此不具备实时监控工作状态的能力。现在有的工厂还需要依靠有经验的工程师采用听诊的传统方式，来判断设备振动特性，检测主观性较强对技术专家的依赖性较强，不能实现动力设备运行状态定量化描述及准确监控。很多动力设备尤其是年老的设备。不具备自主测试振动特性的能力。同时，其他振动测量方式，例如激光测量振动、超声测量振动，都具有各自的不足。激光振动测量容易受环境干扰，而超声测量振动受工作距离限制。红外测量动力设备工作温度一定程度上可以监控设备运行状态，但红外传感器容易受外界环境因素影响。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种设备工作状态智能监测装置及监测方法，针对振动检测装置本身的振动进行了检测，并给出振动信号修正方法，可以有效修正检测装置本身的振动对检测结果的影响，提高检测准确性，对设备的运行状态进行准确判断，本公开的智能监测装置可以作为改造装置对于没有设置检测系统的设备进行改造，也可以应用于新的动力设备。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一个或多个实施例提供了一种设备工作状态智能监测装置，包括信号采集装置、处理器以及供电装置，所述处理器分别与信号采集装置及供电装置连接，所述信号采集装置包括雷达传感器和振动传感器，所述振动传感器设置在雷达传感器上，雷达传感器设置在距离设备设定范围内，所述雷达传感器用于检测设备的振动数据，所述振动传感器用于检测振动传感器用于检测雷达传感器的振动数据。

进一步地，信号采集装置还包括数据采集器，所述数据采集器分别与雷达传感器、振动传感器及处理器连接。

进一步地，数据采集器包括依次连接的电压跟随器、放大电路以及AD转换模块。

进一步地，信号采集装置还包括温度传感器,所述温度传感器与数据采集器连接。

进一步地，温度传感器为红外温度传感器。

进一步地，振动传感器采用三轴加速度计传感器或者雷达传感器采用毫米波雷达。

进一步地，所述雷达传感器，包括雷达芯片、收发天线、存储器及时钟芯片，所述雷达芯片分别与收发天线、存储器及时钟芯片连接。

进一步地，还包括显示屏，所述显示屏与处理器连接；或者，还包括声光报警器，所述声光报警器与处理器连接；或者，还包括数据输出单元及监控平台，所述处理器、数据输出单元以及监控平台依次连接。

本公开还包括一种设备工作状态智能监测装置的监测方法，包括如下步骤：

获取设备振动信号，以及雷达自身振动信号；

按照雷达自身振动信号与设备振动信号对输出振动信号建模，求取修正后的设备振动信号；

获取当前设备的历史振动数据，提取设备正常工作状态阈值；

对修正后的设备振动信号进行特征提取，根据提取的特征和所述工作状态阈值输出当前设备的工作状态。

进一步地，本公开的监测方法，还包括如下步骤：

获取设备的温度信号；

获取当前设备的历史温度数据，提取设备正常工作状态温度阈值；

对温度信号进行特征提取，根据提取的特征和温度阈值输出当前设备的工作状态。

进一步地，本公开的监测方法中，获取当前设备的历史温度数据，提取设备正常工作状态温度阈值的方法，具体为：

获取当前设备的历史运行温度数据和对应的设备振动信息；

对历史运行温度数据和对应的设备振动信息进行特征提取，产生正常工作的温度范围作为设备正常工作状态温度阈值。

进一步地，本公开的监测方法中：

雷达传感器输出的设备振动信号建模，具体为：

其中，A为雷达传感器监测到的振动信号幅值；

或者，振动传感器输出雷达本身振动信号建模，具体为：

其中，B为雷达传感器的振动幅值；

或者，求取修正后的设备振动信号的方法为：将雷达本身的振动信号从监测到的设备振动信号中去除。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

(1)本公开采用雷达传感器实现设备振动的无接触测量，可以消除设备对安装外接传感器的限制，提高了本装置的广泛适用性，同时设备振动，近距离会带动检测雷达的微弱振动，在雷达传感器上设置了振动传感器检测雷达传感器的振动，可以消除该微弱振动的影响，可以修正雷达传感器的检测结果，可以抵消雷达本身振动带来的测量干扰误差。

(2)本公开通过设置数据输出单元用于将测量结果对外输出，不仅可以在本装置的显示屏显示，亦可以通过无线网络传递给设备管理监控平台。供给远程设备管理人员参考，采取相应的保障措施。

(3)本公开在对设备进行振动监测时，对检测设备的传感器的振动状态进行了检测，对设备的振动数据进行了修正，可以准确测量设备的振动频率、振动幅度。

(4)本公开融合多传感器融合处理同时根据振动和温度两种信号，针对当前设备自学习获得参考阈值，通过把实时检测数据与历史数据确定的正常工作状态阈值进行分析、比对，来判断当前设备的工作状态，实现了不同设备的状态判断的准确性。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1是本公开实施例1的智能监测装置的第一框图；

图2是本公开实施例1的智能监测装置的第二框图；

图3是本公开实施例2的基于振动数据的监测方法流程图；

图4是本公开实施例2的基于温度数据的监测方法流程图；

其中，1、雷达传感器，2、振动传感器，3、红外温度传感器，4、数据采集器，5、处理器，6、数据输出单元，7、供电装置。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

实施例1

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1所示，一种设备工作状态智能监测装置,包括信号采集装置、处理器5以及供电装置7，所述处理器5分别与信号采集装置及供电装置7连接，所述信号采集装置包括雷达传感器1和振动传感器2，所述振动传感器2设置在雷达传感器1上，雷达传感器1设置在距离设备设定范围内，所述雷达传感器1用于检测设备的振动数据，所述振动传感器2用于检测振动传感器2用于检测雷达传感器1的振动数据。

本实施例采用雷达传感器1实现设备振动的无接触测量，可以消除设备对安装外接传感器的限制，提高了本装置的适用性，同时设备振动，近距离会带动检测雷达的微弱振动，在雷达传感器1上设置了振动传感器2检测雷达传感器1的振动，可以消除该微弱振动的影响，可以修正雷达传感器1的检测结果，可以抵消雷达本身振动带来的测量干扰误差。

为实现处理器5接收信号的转化处理，信号采集装置还包括数据采集器4，所述数据采集器4分别与雷达传感器1、振动传感器2及处理器5连接，数据采集器4用于将采集的数据滤波、并转化为数字信号传输至处理器5。

可选的，数据采集器4包括依次连接的电压跟随器、放大电路以及AD转换模块。实现数据的数字量采集。本实施例的数据采集器4可以选用STM32F407处理器5，外围设计包括基于LM358运放设计的电压跟随、基于OPA2182低噪声放大器设计的小信号放大电路设计以及基于AD7705(16位)搭建AD的电路，且留由串口、SPI通信接口。

如图2所示，作为进一步的改进，所述信号采集装置还包括温度传感器,所述温度传感器与数据采集器4连接。

可选的，温度传感器可以为红外温度传感器33，用于无接触测量设备的温度。红外传感器采用高精度、宽量程、响应快、远距离工业级红外传感器，其输出信号为4-20mA电流信号，型号可以为IRTP--800DL,该红外传感器距离系数为15:1。数据采集器4设计有电压跟随器、小信号放大电路以及AD采集模块，实现温度信息的数字量采集。

可选的，振动传感器2可以采用三轴加速度计传感器。三轴加速度计传感器内置高精度、宽量程三轴加速度计，三轴加速度计传感器可以通过SPI接口连接数据采集器4。

可选的，雷达传感器1可以采用毫米波雷达，实现远距离测量设备的振动特性。

雷达传感器1，包括雷达芯片、收发天线、存储器及时钟芯片，所述雷达芯片分别与收发天线、存储器及时钟芯片连接。

本实施例的雷达芯片可以采用IWR1642，包括2发4收天线、程序存储器和时钟晶振；IWR1642为77GHz毫米雷达，其内部包括2个发射通道、4个接收通道，内部集成了可编程C674x DSP和一个ARM Cortex-R4F处理器5，其实现信号雷达信号的产生、雷达信号的处理。2发4收天线实现雷达信号发射和接收功能。通过雷达信号的产生、放大、发射、接收、混频和中频信号采集处理。通过中频信号分析频率、相位及幅度特性分析，实现对设备振动特性的实时精确测量。

雷达传感器1与数据采集器4可以通过RS232串口进行通信。

进一步的，还包括显示屏，所述显示屏与处理器5连接，所述显示屏可以为LED显示屏或者LCD显示屏。

可选的，还包括声光报警器，所述声光报警器与处理器5连接，处理器5接收到的振动信号或者温度信号高于设定的阈值，进行声光报警。

进一步的技术方案，还包括数据输出单元6及监控平台，所述处理器5、数据输出单元6以及监控平台依次连接。

可选的，所述数据输出单元6可以为数据总线或者为无线通信模块，通过有线或者无线连接监控平台。

可选的，无线通信模块可以为4G无线通信模块、LORA无线通信模块或者为WiFi模块。

本实施例通过设置数据输出单元6用于将测量结果对外输出，不仅可以在本装置的显示屏显示，亦可以通过无线网络传递给设备管理监控平台。供给远程设备管理人员参考，采取相应的保障措施。

供电装置7用于为整个装置的工作提供电能，实现电压转换，本实施例设置的供电装置7内含有220v、12v两种供电模式，可通过现场实际情况，通过开关进行切换。

实施例2

基于实施例1，本实施例提出基于实施例1所述的一种设备工作状态智能监测装置的监测方法，可以在处理器5中实现，如图3-4所示，包括如下步骤：

步骤SA1、获取设备振动信号，以及雷达自身振动信号；

步骤SA2、按照雷达传感器1的振动信号与设备振动信号对输出振动信号建模，求取修正后的设备振动信号；

步骤SA3、获取当前设备的历史振动数据，提取设备正常工作状态阈值；

步骤SA4、对修正后的设备振动数据进行特征提取，根据提取的特征及设备正常工作状态阈值输出当前设备的工作状态。

本实施例在对设备进行振动监测时，对检测设备的传感器的振动状态进行了检测，对设备的振动数据进行了修正，可以准确测量设备的振动频率、振动幅度。

进一步地，还包括如下步骤：

步骤SB1、获取设备的温度信号；

步骤SB2、获取当前设备的历史温度数据，提取设备正常工作状态温度阈值；

步骤SB3、对温度信号进行特征提取，根据提取的特征和温度阈值输出当前设备的工作状态。

本实施例融合多传感器融合处理同时根据振动和温度两种信号，针对当前设备通过把实时检测数据与历史数据确定的正常工作状态阈值进行分析、比对，来判断当前设备的工作状态，实现了不同设备的状态判断的准确性。

步骤SA1中，还包括预处理的步骤，所述预处理包括极坏值剔除方法或/和中值滤波方法。预处理的步骤可以在数据采集器4中执行。数据采集器4通过串口接口读取传感器测试数据，进行初步的预处理，传递给处理器5。

雷达输出设备的振动信号建模，可以如下：

振动传感器2输出雷达本身振动信号建模：

其中，B为雷达传感器1的振动幅值。

求取修正后的设备振动信号的方法为：将雷达本身的振动信号从监测到的设备振动信号中去除。设备的真实振动信号幅度为：

上面公式中的减号是原理性的表示，具体计算可以是代数减法或者卷积运算等实现方式。

本实施例在对设备进行振动检测时，对检测设备的传感器的振动状态进行了检测，对设备的振动数据进行了修正，可以准确测量设备的振动频率、振动幅度。

步骤SA3中，根据历史数据提取设备正常工作状态阈值，具体的可以包括如下步骤：

获取当前设备的历史振动数据，提取设备正常工作状态阈值的方法，包括如下步骤：

获取当前设备的历史运行数据；

将历史运行振动数据，按照雷达传感器振动与设备振动在同一相位上对输出振动信号建模，求取修正后的设备振动信号；

对修正后的设备振动数据进行特征提取，获得已知工作状态下的振动特征谱以及振动特征谱幅度，并提取正常工作的振动数据范围作为设备正常工作状态阈值。

可选的，振动特征谱可以包括振动幅度、振动频谱中心频率；

步骤SB2中，获取当前设备的历史温度数据，提取设备正常工作状态温度阈值的方法，具体为：

获取当前设备的历史运行温度数据和对应的设备振动信息；

对历史运行温度数据和对应的设备振动信息进行特征提取，产生正常工作的温度范围作为设备正常工作状态温度阈值。

可选的，温度特性可以包括温度最大值、温度最小值和温度变化趋势。

本实施例中的监测方法对动力设备正常状态或异常状态的自主学习过程，保存为参考状态信息，可以针对当前检测的设备自主设定阈值，提高状态监测的可靠性和准确性。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。