无线测振节点及其数据处理软件研制文献综述

 2023-08-03 15:29:55
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  1. 文献综述（或调研报告）：

无线传感器网络（WSN）的思想最早起源于20世纪80年代。美国国防高级研究计划局在卡耐基梅隆大学成立了分布式传感器工作组后，便提出了传感器工作网络的概念，从而开创了传感器网络的研究。20世纪末期，通讯技术的重心逐渐开始从有线转移到无线，促生了人们对于无线传感器网络的研究，从而也开启了现代意义的无线传感器技术的篇章。目前,无线传感器技术在工业中应用的范围很广，它不仅能够解决传统有线设备安装难、测试难的问题，同时还能够帮助用户延长设备使用寿命、优化工艺装置、减少维护工作量和环保要求等。

1.无线传输方式

目前国内开发的无线传输系统有两个显著特点[1]：第一，采用无线短程网采集数据，再通过无线网络及有线网络的网关送入上位计算机存储和处理；第二，针对一台设备只要设一个数据采集节点，生产现场即使有很多设备同时作业，只要每台设备设一个采集终端，所有数据都能够经由部署在生产现场的无线网络的路由节点和协调器及网关节点，可靠地送入计算机。而在一些监测运用中，无线通讯往往采用的是Wireless HART技术，ZigBee技术等。例如在桥梁监测中，颜涛就采用ZigBee技术设计了针对桥梁的无线测振系统[2]；在物流机械方面，周惠玲等人也采用ARM7和ZigBee技术结合来进行物流机械设备的测振系统设计[3]；在爆破振动检测方面，谷宗冉采用GPRS和Internet技术来获取数据[4]；孙玉国等人也采用2.4GHz无线射频芯片的方式来对振动信号进行远程测量[5]；史文武等人更是采用了近几年兴起的wifi传输技术[6]，来实现对旋转机械的振动信号进行无线测量，保证了信号的实时性。可见，这种自组织网络在测振方面运用较广,其设备通信可以自由选择路径、设备数量可任意扩展的优点备受青睐。

2.加速度传感器安装方式

在电测量振动信号检测系统中，振动信号检测往往采用的是加速度传感器。而根据其结构和原理的不同，主要可以分为压电式、压阻式、谐振式等。在测量过程中，加速度计的安装方式会直接影响到信号传递的带宽和质量。因此对于加速度传感器的安装方式也应有所考究。唐国明指出，一般情况下安装谐振频率小于传感器的固有频率时，会降低传感器的高频响应范围，从而影响测试结果[7]。所以，安装的方式也有了多种，对于加速度传感器来说，主要的安装方法有手持，磁铁，粘贴，蜂蜡，螺钉这几种。在磁性材料方面，刘刚等人研究了磁座对于压电式传感器安装传递系数的影响，并给出了补偿方式[8]；同时，陈爽等人指出，在对加速台车进行多种安装模拟时，螺钉安装方式比粘贴的方式的谐振频率更高[9]。而国外也有相关研究，Spaggiari指出，在粘合剂不融化的情况下，任何粘合剂在所有温度(粘合剂适用的温度)范围下对振动信号的传递都没有影响[10]；Cocconcelli则指出只要粘合剂层足够薄，粘合剂对传感器安装系统的传递函数没有影响[11];而Robinson在文献中指出，曲面上的双轨磁铁安装，平面上的稀土磁铁安装和平面上的螺钉安装三种方式中，信号采集效果最好的是螺钉安装[12]。对应不同的安装方式，以100mv/g的加速度传感器为例，其不同安装方式的适用频率带宽范围如下表所示：

安装方式

频率限制/Hz

手持探头

500

磁性座

2000

粘合剂

2500~4000

蜂蜡

5000

螺钉

6000~10000

可见，手持下测量的有效测量范围最低，只能测到0-500Hz以内的信号，而螺钉安装时的有效测量范围最高，可以测量高达10000Hz的频率信号。压电式加速度计的安装方式对信号测量的有效范围有极大的影响。

同时，杨里平等人指出，传感器的安装不规范时，会导致探头刚性不足，信号无意义地增大[13]。孙明阳等人则指出，这是因为传感器的刚度不够，谐振频率较低造成，并且还会使高频信号失真[14]。

3.同步采集

在硬件电路的设计上，最主要的问题则是如何减少在硬件上减少采集延迟以及保证低功耗。针对减少延迟，文献[15]提出了一种基于双处理器的跨层结构来最大化减小同步延迟，利用了帧起始分隔符（SFD)来减小延迟，其同步误差触发平均值仅为87.85ns，低功耗模式下可运行时间长达9h。而Herrasti在文献[16]中提出了一种以太网连接的同步方式，其同步采集误差为1us，且该节点采用的新型锂聚合物电池，在最极端的情况下可以使功耗达到极低，在传输占空比仅为2%时可使节点运行3周之长。另外，陈乔提出了一种无线传感器网络时间同步算法，通过建立分级网络结构并进行补偿来保证同步，达到了高精度同步的效果[17]。黄庆卿则是在跨层结构的基础上又提出了基于子能量自适应量化的机械振动数据压缩方法，从而实现在资源受限的无线传感器网络采集节点上对机械振动信号数据的有效压缩[18]。

4.信号处理

当无线测振节点的接收端接收到传感器数据后，就需要对数据进行处理。适用性最广的数据处理方式就是傅里叶变换，在此基础上，胡鹏基等人提出了一种基于余弦窗FFT算法的振动信号处理方法，其旨在采用余弦窗（也就是汉宁窗）来替代普通的矩形窗，来使得频谱泄露较小[19]；同时，胡志祥等人采用希尔伯特包络变换来对振动信号进行解析模式分解并消除误差[20]；而Avci提出采用一维卷积神经网络来对节点采集到的数据进行二次分析，通过建立分类集后训练，建立了识别故障原因的分散监测系统[21]。

综上所述，机械设备无线振动监测方面的研究还存在一些问题，如传感器数据带宽较窄、节点存储空间小、通信速率低、节点性能差等。针对这些问题设计了基于STM32控制器和高精度MEMS加速度传感器的振动节点，并建模来分析节点特性，最后用通过实物验证节点的实际工作性能。

参考文献：

  1. 赖为民,佘启军,郝倩,郑建新,钱国义,成兵.无线传输技术在工业测振中的应用和发展[J].中国设备工程,2010(09):56-58.
  2. 颜涛. 基于ZigBee的桥梁无线测振系统设计与实现[D].南京理工大学,2012.
  3. 周慧玲,王智威,张凤英,张锋辉.基于ARM7和ZigBee技术的物流机械设备测振系统的设计与实现[J].测控技术,2010,29(02):33-35 42.
  4. 谷宗冉. 爆破振动无线测量系统设计[D].中北大学,2011.
  5. 孙玉国,陈耀闯.2.4GHz无线振动测量系统的研制[J].仪表技术与传感器,2010(08):50-51 88.
  6. 史文武,崔建峰,贺绍琪,等.基于WIFI实时传输的旋转机械振动测试节点设计[J].兵器装备工程学报,2019,40(11):92-96.
  7. 唐国明. 压电加速度传感器安装谐振频率分析及应用[D].华中科技大学,2006.
  8. 刘刚,穆文军,张勇,王航.磁座对压电式加速度传感器安装传递系数的影响[J].科学技术与工程,2018,18(04):40-45.
  9. 陈爽,孙浩,冯超.加速度传感器及其安装工艺对加速台车模拟试验测量结果的影响[J].测控技术,2013,32(03):5-9.
  10. SPAGGIARI A, COCCONCELLI M. Effect of Temperature on the Dynamic Response of Adhesively Mounted Accelerometers[J]. Experimental Techniques, 2018,42(3):299-309.
  11. Cocconcelli,Spaggiari. Mounting of accelerometers with structural adhesives: Experimental characterization of the dynamic response[J]. The Journal of Adhesion,2017,93(8)
  12. Robinson J. C. and Arlington S. Considerations For Accelerometer Mounting On Motors[EB/OL].https://www.pcb.com/Resources/White-Papers/WPL_49_AccelMountingOnMotors-Mining_LowRes. 2018,12,21.
  13. 杨里平,沈超,金鑫,梁军.压电加速度传感器故障的智能化诊断研究[J].仪表技术与传感器,2016(10):115-118.
  14. 孙明阳,游亚飞.压电式加速度传感器故障查找[J].计测技术,2010,30(03):56-58.
  15. Huang Q. Q, Tang B.P. and Deng L. Development of high synchronous acquisition accuracy wireless sensor network for machine vibration monitoring[J]. Measurement, 2015, 66: 35-44.
  16. Herrasti Z, Val I. and Gabilondo I, et al. Wireless sensor nodes for generic signal conditioning: Application to Structural Health Monitoring of wind turbines[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2016, 247: 604-613
  17. 陈乔. 无线传感器网络时间同步算法的研究与应用[D].西安理工大学,2010.
  18. 黄庆卿. 机械振动无线传感器网络同步采集与数据压缩方法研究[D].重庆大学,2015.
  19. 胡鹏基,栾晓文,霍玉淼,郑智浩,马永志.基于余弦窗FFT算法的智能轮胎实时不平衡量振动信号处理系统研究[J].交通节能与环保,2019,15(05):30-32.
  20. 胡志祥,王佐才,任伟新,汪亦显.离散振动信号解析模式分解理论与算法研究[J].振动工程学报,2016,29(02):348-355.
  21. Avci O, Abdeljaber O. and Kiranyaz S, et al. Wireless and real-time structural damage detection: A novel decentralized method for wireless sensor networks[J]. Journal of Sound and Vibration, 2018, 424: 158-172
  1. 文献综述（或调研报告）：

无线传感器网络（WSN）的思想最早起源于20世纪80年代。美国国防高级研究计划局在卡耐基梅隆大学成立了分布式传感器工作组后，便提出了传感器工作网络的概念，从而开创了传感器网络的研究。20世纪末期，通讯技术的重心逐渐开始从有线转移到无线，促生了人们对于无线传感器网络的研究，从而也开启了现代意义的无线传感器技术的篇章。目前,无线传感器技术在工业中应用的范围很广，它不仅能够解决传统有线设备安装难、测试难的问题，同时还能够帮助用户延长设备使用寿命、优化工艺装置、减少维护工作量和环保要求等。

1.无线传输方式

目前国内开发的无线传输系统有两个显著特点[1]：第一，采用无线短程网采集数据，再通过无线网络及有线网络的网关送入上位计算机存储和处理；第二，针对一台设备只要设一个数据采集节点，生产现场即使有很多设备同时作业，只要每台设备设一个采集终端，所有数据都能够经由部署在生产现场的无线网络的路由节点和协调器及网关节点，可靠地送入计算机。而在一些监测运用中，无线通讯往往采用的是Wireless HART技术，ZigBee技术等。例如在桥梁监测中，颜涛就采用ZigBee技术设计了针对桥梁的无线测振系统[2]；在物流机械方面，周惠玲等人也采用ARM7和ZigBee技术结合来进行物流机械设备的测振系统设计[3]；在爆破振动检测方面，谷宗冉采用GPRS和Internet技术来获取数据[4]；孙玉国等人也采用2.4GHz无线射频芯片的方式来对振动信号进行远程测量[5]；史文武等人更是采用了近几年兴起的wifi传输技术[6]，来实现对旋转机械的振动信号进行无线测量，保证了信号的实时性。可见，这种自组织网络在测振方面运用较广,其设备通信可以自由选择路径、设备数量可任意扩展的优点备受青睐。

2.加速度传感器安装方式

在电测量振动信号检测系统中，振动信号检测往往采用的是加速度传感器。而根据其结构和原理的不同，主要可以分为压电式、压阻式、谐振式等。在测量过程中，加速度计的安装方式会直接影响到信号传递的带宽和质量。因此对于加速度传感器的安装方式也应有所考究。唐国明指出，一般情况下安装谐振频率小于传感器的固有频率时，会降低传感器的高频响应范围，从而影响测试结果[7]。所以，安装的方式也有了多种，对于加速度传感器来说，主要的安装方法有手持，磁铁，粘贴，蜂蜡，螺钉这几种。在磁性材料方面，刘刚等人研究了磁座对于压电式传感器安装传递系数的影响，并给出了补偿方式[8]；同时，陈爽等人指出，在对加速台车进行多种安装模拟时，螺钉安装方式比粘贴的方式的谐振频率更高[9]。而国外也有相关研究，Spaggiari指出，在粘合剂不融化的情况下，任何粘合剂在所有温度(粘合剂适用的温度)范围下对振动信号的传递都没有影响[10]；Cocconcelli则指出只要粘合剂层足够薄，粘合剂对传感器安装系统的传递函数没有影响[11];而Robinson在文献中指出，曲面上的双轨磁铁安装，平面上的稀土磁铁安装和平面上的螺钉安装三种方式中，信号采集效果最好的是螺钉安装[12]。对应不同的安装方式，以100mv/g的加速度传感器为例，其不同安装方式的适用频率带宽范围如下表所示：

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