CN109883535A - 一种基于毫米波的振动测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于毫米波的振动测量装置及方法，包括用于发射和接收微波波束的天线阵列单元，天线阵列单元依次通过毫米波收发单元和基带信号处理单元连接至数据采集及处理单元；毫米波收发单元生成毫米波信号通过天线阵列单元发出，还通过天线阵列单元接收回波信号，数据采集及处理单元根据接回波信号计算得出待测风机的振动状态；本发明利用毫米波阵列构造特定方向的波束，通过改变波束方向，可以同时对不同的测试点进行测试，只需要一个采集节点即可实现对风机的振动测量，降低了整个测量系统成本。
Description
【技术领域】
本发明属于风机测试测量领域，尤其涉及一种基于毫米波的振动测量装置及方法。
【背景技术】
风机在冶金、化工及矿井等行业应用广泛。这些大功率风机需要长期不间断工作且转速较高，因此导致振动及噪声过大。随着使用时间的增长，这些风机自身振动将越来越显著，当振动超过一定幅度后，将严重影响自身正常工作，甚至造成生产事故，因此，对大功率风机的振动检测是一个十分重要的安全生产事项。
现有的振动检测方法有电涡流传感器及基于应变片等方式。其中，电涡流传感器利用了法拉第电磁感应原理，即金属导体置于交变磁场中时，导体内将产生涡旋状的感应电流。实际使用时候，在探头部加载一高频信号(如1MHz)，当振动发生时候会改变探头上信号的幅度及相位。如专利CN106969825A中，采用了电阻应变片振动传感探头及LC振动电路探头等方法。
另外一类为无线探测方法，专利CN101902831B中采用了无线传感器网络相关技术对测量信号进行无线传输，由各个节点采集相关数据，然后上传到中心节点。专利CN104568118A中，采用了可视化(“振动相机”)方法进行检测，其采用了多个激光振动传感器。这类方法需要放置传感器到风机上面，大部分对传感器本身要求较高，成本居高不下，难以大规模展开应用。专利CN104931126A中采用了激光及超声波进行振动检测，该方法对对准要求较高，激光的接收端必须对准发射端。该方法大大限制了测量场景，应用起来非常不便。
综上可知，以上方式，均需要设置至少2个采集节点，对风机状态进行采集，由于该类设备及采集节点制作成本高，若设置多个采集节点更是大大提高了测量装置的成本。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种基于毫米波的振动测量装置及方法，通过一个采集节点对风机进行振动测量，以达到降低风机振动测试成本的目的。
本发明采用以下技术方案：一种基于毫米波的振动测量装置，包括用于发射和接收微波波束的天线阵列单元，天线阵列单元依次通过毫米波收发单元和基带信号处理单元连接至数据采集及处理单元；
毫米波收发单元用于生成毫米波信号并对信号进行处理且传输至天线阵列单元，还用于对天线阵列单元接收的毫米波信号进行处理生成接收毫米波信号的正交分量Q和同相分量I，且将正交分量Q和同相分量I传输至基带信号处理单元；
基带信号处理单元用于对正交分量Q和同相分量I依次进行放大和滤波后发送至数据采集及处理单元，数据采集及处理单元用于根据接收信号的正交分量Q和同相分量I计算得出待测风机的振动状态。
进一步的，毫米波收发单元由信号发射单元和信号接收单元组成；
信号发射单元包括本机振荡器，本机振荡器的信号输出端通过功率放大器连接至第二功分器的信号输入端，第二功分器的第一信号输出端连接至信号接收单元，第二信号输出端连接至环形器的第二端口；环形器的第一端口通过单刀双掷开关连接至天线阵列单元，第三端口连接至信号接收单元；
信号接收单元包括与环形器第三端口连接的低噪声放大器，低噪声放大器的信号输出端连接至第一功分器的信号输入端，第一功分器的第一信号输出端通过移项器连接至第一混频器的第一信号输入端，第一功分器的第二信号输出端连接至第二混频器的第一信号输入端；
第一混频器的第二信号输入端和第二混频器的第二信号输入端均连接至第二功分器的第一信号输出端；第一混频器和第二混频器的信号输出端均连接至基带信号处理单元；
第一混频器用于将接收信号的正交分量Q发送至基带信号处理单元，第二混频器用于将接收信号的同相分量I发送至基带信号处理单元；
环形器的信号传输路径为第二端口传输至第一端口、第一端口传输至第三端口。
进一步的，基带信号处理单元包括与第一混频器的信号输出端连接的第一基带信号放大器和与第二混频器的信号输出端连接的第二基带信号放大器(35)，第一基带信号放大器和第二基带信号放大器(35)的信号输出端均连接至数据采集及处理单元；
基带信号处理单元还包括三角波发生器，三角波发生器信号输出端连接至本机振荡器的信号输入端，三角波发生器的信号输入端连接至数据采集及处理单元的信号输出端。
进一步的，天线阵列单元包括发射天线阵列和接收天线阵列。
本发明的另一种技术方案：一种数据处理算法，应用于上述的一种基于毫米波的振动测量装置，具体方法为：
将三角波生成参数信息发送至三角波产生装置，三角波产生装置根据三角波生成参数信息生成三角波并发送至信号发射单元，信号发射单元根据三角波生成毫米波信号并通过发射天线阵列发出；
通过接收天线阵列接收待测风机反射回来的毫米波信号，并通过信号发射单元提取出反射回来的毫米波信号的正交分量Q和同相分量I；
对正交分量Q和同相分量I进行放大和滤波处理，并根据处理后的正交分量Q和同相分量I计算得出待测风机的振动状态。
进一步的，根据处理后的正交分量Q和同相分量I计算得出待测风机的振动状态的具体方法为：
定义参考信号的信号幅度为sR(n)，其中，n＝1,2,3,...,N，N接收的毫米波信号的时间采集节点；
将参考信号的信号幅度sR(n)与预设阈值T进行比较，得出使得sR(n)＞T的每个时间采集节点i，i＝1,2,...,N，时间采集节点i为反射回来的毫米波信号中的每个波束的起始时间节点；
根据每个起始时间节点i得出反射回来的毫米波信号中每个周期的起始点集合NS＝{i1,i2,...iM}，其中，iM为反射回来的毫米波信号中第M个波束的起始时间节点，M为反射回来的毫米波信号中波束的总数；
将反射回来的毫米波信号中相邻的两个波束的起始时间节点的同相分量I和正交分量Q均进行差值运算并结合，得出反射回来的毫米波信号中相邻的两个波束的起始时间节点的相位变化值d(r)＝[sI(ir+1)-sI(ir)]+j[sQ(ir+1)-sQ(ir)]，相位变化值即为待测风机的相对振动值，其中，
根据d(r)计算得出反射回来的毫米波信号中相邻的两个波束的连续变化相位值d(r+p)＝[sI(ir+1+p)-sI(ir+p)]+j[sQ(ir+1+p)-sQ(ir+p)]，连续变化相位值即为待测风机的连续振动值，其中，p为反射回来的毫米波信号中每个波束中包含的时间节点的个数。
本发明的有益效果是：本发明利用毫米波阵列构造特定方向的波束，通过改变波束方向，可以同时对不同的测试点进行测试，发射的毫米波波束到达风机某个部位后再反射回来、利用来回路程的相位差即可检测出振荡幅度，通过切换波束可以在不同的检测位置进行测量，只需要一个采集节点即可实现对风机的振动测量，降低了整个测量系统成本，同时，毫米波波长较短，测量精度可以达到毫米级，对于风机这种大型设备来讲，振动精度测量足够满足要求。
【附图说明】
图1为本发明中基于毫米波的振动测量装置的原理图；
图2为本发明中的回波信号示意图；
图3为本发明测量装置接收到无振动风机的回波信号示意图；
图4为本发明测量装置接收到有振动风机的回波信号示意图。
其中：1.天线阵列单元；
11.发射天线阵列；12.接收天线阵列；
2.毫米波收发单元；
20.第二混频器；21.环形器；22.低噪声放大器；23.第一功分器；24.移项器；25第一混频器；26.第二功分器；27.功率放大器；28.本机振荡器；29.单刀双掷开关；
3.基带信号处理单元；
31.第一基带信号放大器；32.三角波发生器；33.第一低通滤波器；34.第二低通滤波器；35.第二基带信号放大器；
4.数据采集及处理单元。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明公开了一种基于毫米波的振动测量装置，如图1所示，包括用于发射和接收微波波束的天线阵列单元1，天线阵列单元1包括发射天线阵列11和接收天线阵列12，每个天线阵列单元1中的天线均设置有移项器来控制波束的发射和接收。
天线阵列单元1依次通过毫米波收发单元2和基带信号处理单元3连接至数据采集及处理单元4。
毫米波收发单元2用于生成毫米波信号并对信号进行处理且传输至天线阵列单元1，还用于对天线阵列单元1接收的毫米波信号进行处理生成接收毫米波信号的正交分量Q和同相分量I，且将正交分量Q和同相分量I传输至基带信号处理单元3。
毫米波收发单元2由信号发射单元和信号接收单元组成。
信号发射单元包括本机振荡器28，本机振荡器28的信号输出端通过功率放大器27连接至第二功分器26的信号输入端，第二功分器26的第一信号输出端连接至信号接收单元，第二信号输出端连接至环形器21的第二端口；环形器21的第一端口通过单刀双掷开关29连接至天线阵列单元1，第三端口连接至信号接收单元；
信号接收单元包括与环形器21第三端口连接的低噪声放大器22，低噪声放大器22的信号输出端连接至第一功分器23的信号输入端，第一功分器23的第一信号输出端通过移项器24连接至第一混频器25的第一信号输入端，第一功分器23的第二信号输出端连接至第二混频器20的第一信号输入端；
第一混频器25的第二信号输入端和第二混频器20的第二信号输入端均连接至第二功分器26的第一信号输出端；第一混频器25和第二混频器20的信号输出端均连接至基带信号处理单元3；
第一混频器25用于将接收信号的正交分量Q发送至基带信号处理单元3，第二混频器20用于将接收信号的同相分量I发送至基带信号处理单元3；
环形器21的信号传输路径为第二端口传输至第一端口、第一端口传输至第三端口。
基带信号处理单元3用于对正交分量Q和同相分量I依次进行放大和滤波后发送至数据采集及处理单元4，数据采集及处理单元4用于根据接收信号的正交分量Q和同相分量I计算得出待测风机的振动状态。
基带信号处理单元3包括与第一混频器25的信号输出端连接的第一基带信号放大器31和与第二混频器20的信号输出端连接的第二基带信号放大器35，第一基带信号放大器31和第二基带信号放大器35的信号输出端均连接至数据采集及处理单元4；
基带信号处理单元3还包括三角波发生器32，三角波发生器32信号输出端连接至本机振荡器28的信号输入端，三角波发生器32的信号输入端连接至数据采集及处理单元4的信号输出端。
本发明的工作原理为：
三角波信号发生器32将三角波加载到本机振荡器28上，本机振荡器28产生以24GHz为中心的扫频信号；将单刀双掷开关29切换到发射天线阵列11，此扫频信号加载到发射天线阵列11上面；此信号到达待测风机某个位置后，反射回来；
接收天线阵列12接收反射信号，反射信号经过环形器21由环形器第三端口输出，经过正交下变频后得到同相分量I及正交分量Q；同相分量及正交分量经过基带信号处理后，进入到数据采集及处理单元。
处理完成后，切换到发射天线阵列11，完成测试；依次循环在不同天线阵列直接切换测量。
本发明还公开了一种数据处理算法，应用于上述的一种基于毫米波的振动测量装置，具体方法为：
将三角波生成参数信息发送至三角波产生装置32，三角波产生装置32根据三角波生成参数信息生成三角波并发送至信号发射单元，信号发射单元根据三角波生成毫米波信号并通过发射天线阵列11发出；
通过接收天线阵列12接收待测风机反射回来的毫米波信号，并通过信号发射单元提取出反射回来的毫米波信号的正交分量Q和同相分量I；
对正交分量Q和同相分量I进行放大和滤波处理，并根据处理后的正交分量Q和同相分量I计算得出待测风机的振动状态。
根据处理后的正交分量Q和同相分量I计算得出待测风机的振动状态的具体方法为：
定义参考信号的信号幅度为sR(n)，其中，n＝1,2,3,...,N，N接收的毫米波信号的时间采集节点；参考信号即为三角波扫频信号变换成的方波信号。
将参考信号的信号幅度sR(n)与预设阈值T进行比较，得出使得sR(n)＞T的每个时间采集节点i，i＝1,2,...,N，时间采集节点i为反射回来的毫米波信号中的每个波束的起始时间节点；
根据每个起始时间节点i得出反射回来的毫米波信号中每个周期的起始点集合NS＝{i1,i2,...iM}，其中，iM为反射回来的毫米波信号中第M个波束的起始时间节点，M为反射回来的毫米波信号中波束的总数；
将反射回来的毫米波信号中相邻的两个波束的起始时间节点的同相分量I和正交分量Q均进行差值运算并结合，得出反射回来的毫米波信号中相邻的两个波束的起始时间节点的相位变化值d(r)＝[sI(ir+1)-sI(ir)]+j[sQ(ir+1)-sQ(ir)]，相位变化值即为待测风机的相对振动值，其中，
根据d(r)计算得出反射回来的毫米波信号中相邻的两个波束的连续变化相位值d(r+p)＝[sI(ir+1+p)-sI(ir+p)]+j[sQ(ir+1+p)-sQ(ir+p)]，连续变化相位值即为待测风机的连续振动值，其中，p为反射回来的毫米波信号中每个波束中包含的时间节点的个数。
如图2所示，为提取到的某一段回波信号，其横轴为采样时间节点，纵轴为回波信号幅度，其中，虚线ref表示参考信号，I Channel表示同相分量回波信号，该实施例中T取值+0.4，则由图可知，第1～230个时间采集节点为一个回波周期。如图3所示，为待测风机没有振动时候的测量结果图，由图可见，相位变化稳定，反映了系统的噪声稳定，即待测风机振动稳定，在允许振动范围内。如图4所示，为待测风机有振动的测试结果，由图可见，输出了显著的周期性信号，说明待测风机工作时伴有振动。
Claims (6)
1.一种基于毫米波的振动测量装置，其特征在于，包括用于发射和接收微波波束的天线阵列单元(1)，所述天线阵列单元(1)依次通过毫米波收发单元(2)和基带信号处理单元(3)连接至数据采集及处理单元(4)；
所述毫米波收发单元(2)用于生成毫米波信号并对信号进行处理且传输至所述天线阵列单元(1)，还用于对所述天线阵列单元(1)接收的毫米波信号进行处理生成接收毫米波信号的正交分量Q和同相分量I，且将所述正交分量Q和同相分量I传输至所述基带信号处理单元(3)；
所述基带信号处理单元(3)用于对所述正交分量Q和同相分量I依次进行放大和滤波后发送至所述数据采集及处理单元(4)，所述数据采集及处理单元(4)用于根据所述接收信号的正交分量Q和同相分量I计算得出待测风机的振动状态。
2.如权利要求1所述的一种基于毫米波的振动测量装置，其特征在于，所述毫米波收发单元(2)由信号发射单元和信号接收单元组成；
所述信号发射单元包括本机振荡器(28)，所述本机振荡器(28)的信号输出端通过功率放大器(27)连接至第二功分器(26)的信号输入端，所述第二功分器(26)的第一信号输出端连接至所述信号接收单元，第二信号输出端连接至环形器(21)的第二端口；所述环形器(21)的第一端口通过单刀双掷开关(29)连接至所述天线阵列单元(1)，第三端口连接至所述信号接收单元；
所述信号接收单元包括与所述环形器(21)第三端口连接的低噪声放大器(22)，所述低噪声放大器(22)的信号输出端连接至第一功分器(23)的信号输入端，所述第一功分器(23)的第一信号输出端通过移项器(24)连接至第一混频器(25)的第一信号输入端，所述第一功分器(23)的第二信号输出端连接至第二混频器(20)的第一信号输入端；
所述第一混频器(25)的第二信号输入端和第二混频器(20)的第二信号输入端均连接至所述第二功分器(26)的第一信号输出端；所述第一混频器(25)和第二混频器(20)的信号输出端均连接至所述基带信号处理单元(3)；
所述第一混频器(25)用于将接收信号的正交分量Q发送至所述基带信号处理单元(3)，所述第二混频器(20)用于将接收信号的同相分量I发送至所述基带信号处理单元(3)；
所述环形器(21)的信号传输路径为第二端口传输至第一端口、第一端口传输至第三端口。
3.如权利要求2所述的一种基于毫米波的振动测量装置，其特征在于，所述基带信号处理单元(3)包括与所述第一混频器(25)的信号输出端连接的第一基带信号放大器(31)和与所述第二混频器(20)的信号输出端连接的第二基带信号放大器(35)，所述第一基带信号放大器(31)和第二基带信号放大器(35)的信号输出端均连接至所述数据采集及处理单元(4)；
所述基带信号处理单元(3)还包括三角波发生器(32)，所述三角波发生器(32)信号输出端连接至所述本机振荡器(28)的信号输入端，所述三角波发生器(32)的信号输入端连接至所述数据采集及处理单元(4)的信号输出端。
4.如权利要求2或3所述的一种基于毫米波的振动测量装置，其特征在于，所述天线阵列单元(1)包括发射天线阵列(11)和接收天线阵列(12)。
5.一种数据处理算法，其特征在于，应用于权利要求1-4任一所述的一种基于毫米波的振动测量装置，具体方法为：
将三角波生成参数信息发送至三角波产生装置(32)，所述三角波产生装置(32)根据所述三角波生成参数信息生成三角波并发送至信号发射单元，所述信号发射单元根据所述三角波生成毫米波信号并通过发射天线阵列(11)发出；
通过接收天线阵列(12)接收待测风机反射回来的毫米波信号，并通过信号发射单元提取出反射回来的毫米波信号的正交分量Q和同相分量I；
对所述正交分量Q和同相分量I进行放大和滤波处理，并根据处理后的正交分量Q和同相分量I计算得出待测风机的振动状态。
6.如权利要求5所述的一种数据处理算法，其特征在于，根据处理后的正交分量Q和同相分量I计算得出待测风机的振动状态的具体方法为：
定义参考信号的信号幅度为sR(n)，其中，n＝1,2,3,...,N，N接收的毫米波信号的时间采集节点；
将所述参考信号的信号幅度sR(n)与预设阈值T进行比较，得出使得sR(n)＞T的每个时间采集节点i，i＝1,2,...,N，所述时间采集节点i为反射回来的毫米波信号中的每个波束的起始时间节点；
根据每个所述起始时间节点i得出反射回来的毫米波信号中每个周期的起始点集合NS＝{i1,i2,...iM}，其中，iM为反射回来的毫米波信号中第M个波束的起始时间节点，M为反射回来的毫米波信号中波束的总数；
将反射回来的毫米波信号中相邻的两个波束的起始时间节点的同相分量I和正交分量Q均进行差值运算并结合，得出反射回来的毫米波信号中相邻的两个波束的起始时间节点的相位变化值d(r)＝[sI(ir+1)-sI(ir)]+j[sQ(ir+1)-sQ(ir)]，所述相位变化值即为待测风机的相对振动值，其中，r＝1,2,...,M-1；
根据d(r)计算得出反射回来的毫米波信号中相邻的两个波束的连续变化相位值d(r+p)＝[sI(ir+1+p)-sI(ir+p)]+j[sQ(ir+1+p)-sQ(ir+p)]，所述连续变化相位值即为待测风机的连续振动值，其中，p为反射回来的毫米波信号中每个波束中包含的时间节点的个数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned | ||
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Effective date of abandoning: 20211231 |