CN223319829U - 两线以太网供电和通讯的声振温传感器及监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了两线以太网供电和通讯的声振温传感器及监测系统，涉及智能工业监测技术领域。本实用新型包括处理模块，所述处理模块上分别连接有声音模块、振动模块、温度模块、存储模块及磁场强度模块，所述声音模块用于采集声音信号并传输至处理模块，所述振动模块用于采集设备的振动信号并传输至处理模块，所述温度传感器用于采集设备温度信号并传输至处理模块；本实用新型集成了3轴振动、声纹、温度、磁性传感器，采集元素更全面，诊断结论更精准，相对于传统的IEPE(Integrated Electronics Piezo‑Electric压电集成电路)传感器的单一功能综合优势尤为明显，且本实用新型既继承了传统以太网技术的高速传输速率，又简化了传统以太网的接口复杂性，实现了高速率(10Mbps)、长距离(1KM)传输。

Description

两线以太网供电和通讯的声振温传感器及监测系统

技术领域

本实用新型涉及智能工业监测技术领域，具体为两线以太网供电和通讯的声振温传感器及监测系统。

背景技术

无线传感器的便利性目前已经深入人心，并且得到了广泛应用，但也存在一个致命弊端，就是监测的实时性无法得到保证，一些非稳态的设备，比如一些机床、电梯，或者特殊场景的比如水下泵的监测，这些场景下用无线传感器捉襟见肘，必须采用有线传感器，IEPE压电型加速度传感器在工业预测性维护市场占有半壁江山，其原理为通过感知设备的加速度动态量进行输出，送到采集器上进行高速实时采样，把设备的加速度总值、波形、频谱、包络等值采集和计算出来做设备的故障诊断和分析，但这种传感器需要多通道采集器配合使用，而且价格不菲，总体成本很高，难以全面推广，为此，我们提出两线以太网供电和通讯的声振温传感器及监测系统。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供两线以太网供电和通讯的声振温传感器及监测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：两线以太网供电和通讯的声振温传感器，包括处理模块，所述处理模块上分别连接有声音模块、振动模块、温度模块及磁场强度模块，所述声音模块用于采集声音信号并传输至处理模块，所述振动模块用于采集设备的振动信号并传输至处理模块，所述温度传感器用于采集设备温度信号并传输至处理模块；

所述处理模块上安装有MAC接口芯片及PHY接口芯片。

进一步的，还包括用于缓存数据的存储模块。

进一步的，所述处理模块与声音模块、振动模块、温度模块、存储模块及磁场强度模块均采用数字通讯SPI接口或I2C接口。

进一步的，所述声音模块设置为MEMS(Micro-Electro Mechanical System微机电系统)数字麦克风。

进一步的，所述振动模块设置为MEMS(Micro-Electro Mechanical System微机电系统)加速度传感器，振动频响为3轴8K。

进一步的，所述温度模块设置为温度传感器。

进一步的，所述存储模块设置为FLASH存储器。

进一步的，所述磁场强度模块设置为磁场强度传感器，用于采集电机运行时的磁场波形，通过波形计算出电机的转速与负载情况。

进一步的，所述处理模块为160MHz CortexM33 MCU(Microcontrol ler Unit微控制单元)，处理模块与存储模块之间采用数字通讯SPI接口或I2C接口。

根据本实用新型的第一方面，本实用新型提供一种工业设备监测系统，包括所述的两线以太网供电和通讯的声振温传感器。

本实用新型至少具备以下有益效果：

1.本实用新型采用两线以太网技术，基于最新的10BASE-T1L全球规范，既继承了传统以太网技术的高速传输速率，又简化了传统以太网的接口复杂性，实现了高速率(10Mbps)、长距离(1KM)传输，本安防爆认证等在工业应用领域极其重要的功能，由于是高速传输，可以实现指标的秒级传输，波形、频率按照定义传输，从而保证了工业监测的实时性。

2.本实用新型集成了3轴振动、声纹、温度、磁性传感器，采集元素更全面，诊断结论更精准，相对于传统的IEPE(Integrated Electronics Piezo-Electric压电集成电路)传感器的单一功能，不仅降低了成本，而且提高了综合性能，综合优势尤为明显。

3.本实用新型集成了MQTT(Message Queuing Telemetry Transport消息队列遥测传输)协议，与平台软件直接硬件对接，快速集成。

4.本实用新型采用Ethernet-APL通讯技术，两芯双绞线，高速率，长距离，兼容以太网口，无需采集站，超高性价比，两芯线缆上集成了通讯与供电的功能，布线与维护变得非常容易，布线成本有优势。

5.本实用新型内置高性能MCU处理模块，可设置多种报警方式，触发报警时可上传报警波形频谱。

当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本实用新型整体结构示意图。

附图标记：

1、处理模块；2、声音模块；3、振动模块；4、温度模块；5、存储模块；6、磁场强度模块；7、MAC接口芯片及PHY接口芯片。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。

请参阅图1，本实用新型提供技术方案：两线以太网供电和通讯的声振温传感器，包括处理模块1，处理模块1上分别连接有声音模块2、振动模块3、温度模块4、存储模块5及磁场强度模块6，声音模块2用于采集声音信号并传输至处理模块1，振动模块3用于采集设备的振动信号并传输至处理模块1，温度传感器用于采集设备温度信号并传输至处理模块1，存储器用于缓存数据；

处理模块1上安装有MAC接口芯片及PHY接口芯片7。

针对于本申请的技术方案，处理模块1采用了高性能低功耗160MHz CortexM33MCU(Microcontroller Unit微控制单元),考虑到供电采用两芯线缆，因此需要做到性能和功耗的平衡。

需要说明的是，处理模块1与存储模块5、声音模块2、振动模块3、温度模块4、存储模块5及磁场强度模块6均数字通讯SPI(Serial Peripheral Interface串行外设接口)或者I2C(Inter-Integrated Circuit双向二线制同步串行总线)接口。

SPI(Serial Peripheral Interface一一串行外设接口)总线是Motorola公司推出的一种同步串行接口技术，SPI总线系统是一种同步串行外接口，允许MCU与各种外围设备以串行方式进行通信，数据交换，外围设备包括FLASHRAM、A/D转换器、网络控制器、MCU等，SPI是一种高速的，全双工，同步的通信总线。

IIC(Inter-Integrated Circuit)其实是IICBus简称，所以中文应该叫集成电路总线，它是一种串行通信总线，使用多主从架构，由飞利浦公司在1980年代为了让主板、嵌入式系统或手机用以连接低速周边设备而发展；I2C串行总线一般有两根信号线，一根是双向的数据线SDA，另一根是时钟线SCL。所有接到I2C总线设备上的串行数据SDA都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL上。

针对于本申请的技术方案，声音模块2设置为MEMS(Micro-Electro MechanicalSystem微机电系统)数字麦克风，便于可以采集现场的噪音，实现设备异常声音的甄别，然后将声音信号传输至处理模块1处。

需要进一步说明的是，声音模块2支持最低11025，最高44100的采样频率音频采样精度为24位。

声音模块2采集到数据后，使用DMA,直接内存存取的方式，将音频模块中的数据，直接传送到MCU中，这种方式减轻MCU压力，传输速度快，可以支持更高频率声音的采集。

声音模块2为方便数据处理，将采集到的原始数据按比例缩小至16位、以此来得到最小损失的数据。

针对于采集到的数据，有两种处理方式：

a.直接上传原始数据，可以听到完整的音频，并据此音频波形数据，计算出当前的分贝值；

b.采集较短时间的音频波形，以此计算当前环境噪声。

进一步的，音频分贝算法

1.将原始数据去除均值；

2.取出原始数据中最大的值(maxValue)，根据传感器系数(coe)，硬件电源最大输出值，计算出当前声压；

P＝maxValueCoe

3.使用标准声压，当前声压进行计算。使用log函数得到比值，修正后，得到当前分贝值；

dB表示分贝数，P表示实际声压级，P0是参考声压级，一般取20微帕(0.00002)；Log：求对数。Coe：传感器系数。

进一步地，振动模块3设置为MEMS(Micro-Electro Mechanical System微机电系统)加速度传感器，振动频响为3轴8K，，低频至0.1Hz，涵盖了常见设备故障，相对于3轴压电产品，成本和体积尤为明显。

需要进一步说明的是，振动模块3采集到的原始值为加速度，支持最低8000，最高32000的采样频率，音频采样精度为16位；

振动模块3采集到数据后，使用SPI总线，将振动模块3的数据读取到MCU中；

针对于采集到的数据，有三种处理方式：

a.直接上传原始数据，可以得到当前振动波形；

b.采集较短时间的振动波形，以此计算当前振动指标；

c.根据加速度振动波形，积分得到速度波形。

针对于振动模块3数据处理算法包括如下：

1.指标包含传统的有效值，速度值，最大值，最小值，峰值，峰峰值等。

2.经典指标：原始数据，经过一一比较，得到最大值，最小值，峰值，峰峰值。

3.有效值：原始振动波形取均值、计算平方和、开方后得到有效值：

4.速度值：对数据进行快速傅里叶变换，取出10-1000hz的速度值，然后计算其RMS。

进一步地，温度模块4设置为数字式温度传感器，用于对设备工作温度进行测量监测，在一些实施例中，温度传感器可设置为热电偶、热敏电阻、铂电阻(RTD)或温度IC传感器，针对于本申请的技术方案，温度传感器设置为热电偶传感器；热电偶由两个不同材料的金属线组成，在末端焊接在一起。再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为热电偶。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏/℃之间。

由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器，也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。

温度模块4支持-40到+125温度读取，温度模块4采集到数据后，使用I2C总线，将温度模块的数据读取到MCU中；

针对于温度模块4采集到的数据直接上传原始数据，即可得到当前温度值；具体处理可根据芯片手册提供的系数，计算出当前温度值：

TempvalueCoe

Temp:实际温度。Value：传感器原始数据。Coe：传感器系数。

进一步地，存储模块5设置为FLASH存储器，快闪存储器(英语：flash memory)，是一种电子式可清除程序化只读存储器的形式，允许在操作中被多次擦或写的存储器，这种科技主要用于一般性数据存储，以及在计算机与其他数字产品间交换传输数据，如储存卡与U盘，闪存是一种特殊的、以宏块抹写的EPROM。

进一步地，磁场强度模块6设置为磁场强度传感器，主要用于采集电机运行时的磁场波形，通过波形计算出电机的转速与负载情况，针对于本申请的技术方案，磁场强度传感器采用的是德国纳达EHP50F磁场传感器1Hz-400kHz(550g)。

磁场强度模块6采集到的原始值为磁场信号，磁场模块6采集到数据后，使用I2C总线，将磁场模块的数据读取到MCU中；

针对于采集到的数据，有两种处理方式：

a.直接上传原始数据，可以得到当前磁场波形；

b.采集较短时间的磁场波形，以此计算当前磁场指标。

具体处理算法：

1.指标包含传统的有效值，转频；

2.有效值：原始磁场波形取均值、计算平方和、开方后得到有效值；

3.转频：对数据进行快速傅里叶变换。得到频率域的值，取最高点，得到当前转频；

4.转速：根据转差率，极对数，转频得到转速；

转速＝转频×60×(1-转差率)/极对数。

具体的，本实用新型采用两线以太网技术，基于最新的10BASE-T1L全球规范，既继承了传统以太网技术的高速传输速率，又简化了传统以太网的接口复杂性，实现了高速率(10Mbps)、长距离(1KM)传输，本安防爆认证等在工业应用领域极其重要的功能，由于是高速传输，可以实现指标的秒级传输，波形、频率按照定义传输，从而保证了工业监测的实时性，并且本实用新型集成了3轴振动、声纹、温度、磁场传感器，采集元素更全面，诊断结论更精准，相对于传统的IEPE(Integrated Electronics Piezo-Electric压电集成电路)传感器的单一功能，综合优势尤为明显。

根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供一种工业设备监测系统，包括所述的两线以太网供电和通讯的声振温传感器。

综上所述，本实用新型集成了3轴振动、声纹、温度、磁性传感器，采集元素更全面，诊断结论更精准，相对于传统的I EPE(I ntegrated E l ectron ics Pi ezo-E l ectr ic压电集成电路)传感器的单一功能，不仅降低成本，还提高了综合性能，综合优势尤为明显。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。当元件被称为“装配于”、“安装于”、“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

Claims (10)

1.两线以太网供电和通讯的声振温传感器，包括处理模块(1)，其特征在于，所述处理模块(1)上分别连接有声音模块(2)、振动模块(3)、温度模块(4)、及磁场强度模块(6)，所述声音模块(2)用于采集声音信号并传输至处理模块(1)，所述振动模块(3)用于采集设备的振动信号并传输至处理模块(1)，所述温度模块用于采集设备温度信号并传输至处理模块(1)；

所述处理模块(1)上安装有MAC接口芯片及PHY接口芯片(7)。

2.根据权利要求1所述的两线以太网供电和通讯的声振温传感器，其特征在于：还包括用于缓存数据的存储模块(5)。

3.根据权利要求2所述的两线以太网供电和通讯的声振温传感器，其特征在于：所述处理模块(1)与声音模块(2)、振动模块(3)、温度模块(4)、存储模块(5)及磁场强度模块(6)均采用数字通讯SPI接口或I2C接口。

4.根据权利要求2所述的两线以太网供电和通讯的声振温传感器，其特征在于：所述声音模块(2)设置为MEMS数字麦克风。

5.根据权利要求4所述的两线以太网供电和通讯的声振温传感器，其特征在于：所述振动模块(3)设置为MEMS加速度传感器，振动频响为3轴8K。

6.根据权利要求5所述的两线以太网供电和通讯的声振温传感器，其特征在于：所述温度模块(4)设置为温度传感器。

7.根据权利要求6所述的两线以太网供电和通讯的声振温传感器，其特征在于：所述存储模块(5)设置为FLASH存储器。

8.根据权利要求6所述的两线以太网供电和通讯的声振温传感器，其特征在于：所述磁场强度模块(6)设置为磁场强度传感器，用于采集电机运行时的磁场波形，通过波形计算出电机的转速与负载情况。

9.根据权利要求8所述的两线以太网供电和通讯的声振温传感器，其特征在于：所述处理模块(1)为160MHz CortexM33 MCU，处理模块(1)与存储模块(5)之间采用数字通讯SPI接口或I2C接口。

10.一种监测系统，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的两线以太网供电和通讯的声振温传感器。