专利名称：多通道轴系振动无线遥测系统及其无线遥测方法
技术领域：
本发明涉及一种用于动力装置的多通道轴系振动无线遥测系统及其无线 遥测方法。
背景技术：
动力装置轴系振动是船舶柴油机及其动力装置的一项重要特性。如果对轴 系振动不能进行有效控制，会对动力装置的安全运行造成危害，甚至导致动力 装置的失效。对轴系振动进行有效的测量能让使用者了解轴系振动的特性，从 而对轴系振动进行控制。
轴系振动主要分为轴系扭转振动、轴系纵向振动和轴系横向振动，在轴系 的实际运行当中这几种振动会产生互相耦合，使轴系振动的测试和分析更加复 杂。由于现代舰船动力装置的复杂和多样化，对于常规轴系测试技术无法适用 的特殊环境条件下的轴系振动测量，目前也没有较好的解决方案。
目前轴系振动测量例如船舶轴系振动测量方法主要是对轴系振动的主要 振动形式进行分别单独测量和分析，然后使用者再根据该测量的结果进行分析 对轴系振动的情况做一个综合判断。因此存在判断过程复杂和人为分析可能存 在误差的缺点。
另外，现有的轴系振动测量的方式基本是在被测轴上安装测量元件，通过 导线连接到分析仪器主机，虽然可以达到测量的目的，但由于导线的连接，对 执行长期轴系振动测量带来不变，甚至可能对测量信号产生干扰。

发明内容
本发明是为了克服现有技术存在的上述缺点而提供的一种主要用于动力 装置轴系振动的在线无线遥测的多通道轴系振动无线遥测系统及其无线遥测方法，该多通道轴系振动无线遥测系统和方法可以通过无线的方式全面监测被
测轴振动的状况，再进行分析处理，实时得到轴系扭转振动、轴系纵向振动和 轴系横向振动的各种参数，具有测量分析数据全面、及时、精确和安装实施方 便、抗干扰能力强、可用于特殊轴系振动测试场合等优点。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是多通道轴系振动无线遥测系 统，包括被测量轴，其特点是，包括无线发射部分和无线接收部分；
所述的无线发射部分设置在被测轴上，包括设置在被测轴上的至少一组 由一纵向振动传感器、 一横向振动传感器和一扭转振动传感器组成的振动传感 器组；用于将所接收的各传感器输出的信号进行前置处理和模数转换的传感器 信号采集处理模块，所述传感器信号采集处理模块的输入端与各传感器的输出 端电连接；用于将传感器信号采集处理模块输出的信号进行编码的信号编码模 块，所述信号编码模块输入端与传感器信号采集处理模块的输出端电连接；用 于将信号编码模块输出的信号发射到接收部件的发射模块，所述发射模块的输 入端与信号编码模块的输出端电连接；
所述的无线接受部分包括用于接收发射部分发射的信号的接收模块；对 所接收的信号进行解码的信号解码模块；对所述被解码的信号进行调理的信号 调理模块；对信号调理模块输出的信号进行采集的数据采集模块；用于对所采 集的信号进行处理分析的数据处理模块；用于输出和显示经数据处理模块处理 后数据的数据输出模块和显示屏；以及，将数据输出模块输出的数据上传到控 制中心的通信模块。
上述多通道轴系振动无线遥测系统，其中，所述的数据处理模块包括数 据输入单元、基准信号输出单元、比较单元、数据存储单元、时域波形分析单 元、频谱分析单元、数据输出单元；所述的数据输入单元接收数据采集模块所 采集的信号，与基准信号输出单元输出的基准信号共同输出到比较单元；所述 的比较单元对数据进行比较后得到被测轴的纵向振动、横向振动和扭转振动数 据；该数据送到时域波形分析单元进行时域波形分析，产生时域波形送到显示
屏显示；所述时域波形分析单元的输出信号并传输到频谱分析单元，经傅立叶 变换，得到被测量参数，通过数据输出模块输出到显示屏显示，或输出到通信
模块，与用户或控制中心进行数据交换；所述的数据存储单元保存时域波形分 析单元和频谱分析单元输出的数据。
上述多通道轴系振动无线遥测系统，其中，所述的振动传感器由恒流源激 励的ICP振动传感器构成。
上述多通道轴系振动无线遥测系统，其中，所述的无线传输的方式为PCM 编码和解码方式。
上述多通道轴系振动无线遥测系统，其中，所述的无线发射模块的供电方 式为电源供电方式或无线感应供电方式。
上述多通道轴系振动无线遥测系统，其中，所述的无线感应供电的方式为 在接收部分设置一与电源连接的无线感应发射器，所述的发射部分设置一无线 电源接收器；所述的无线感应发射器包括一电源发射模块和与该电源发射模块 的输出端电连接的无线感应发射头；所述的无线电源接收器包括无线电源接收 线圈，该无线电源接收线圈感应的电势作为提供发射部分各元器件工作的电 源。
上述多通道轴系振动无线遥测系统，其中，所述的无线电源接收器还包括 一无线电源接收模块和充电电池；所述的无线电源接收模块接收无线电源接收 线圈感应的电势经稳压后作为提供发射部分各元器件工作的电源；
或者，所述的无线电源接收模块接收无线电源接收线圈感应的电势经稳压 处理后向充电电池充电，由充电电池提供发射部分各元器件工作的电源。
上述多通道轴系振动无线遥测系统，其中，还包括一多通道控制器，与无 线接收部分的数据采集模块的输入端连接，用于选择采集信号送到数据处理模 块进行数据处理；所述的多通道控制器由选择开关或具有多路开关量输入输出 通道的采集卡构成。
多通道轴系振动无线遥测方法，其特点是，包括以下步骤-
a、在被测轴上安装振动信号的无线发射部分
a-l、在被测轴上安装至少一组由一纵向振动传感器、 一横向振动传感器 和一扭转振动传感器组成的振动传感器组；各振动传感器分别得到被测轴上的 纵向振动信号、横向振动信号和扭转振动信号；
a-2、各纵向振动信号、横向振动信号和扭转振动信号输出到传感器信号 采集处理模块，经前置处理和模数转换后输出到信号编码模块；
a-3、信号编码模块将所接收的信号进行编码后，通过发射模块经发射天
线发射到无线接收部分； b、无线接收部分
b_l、接收模块通过接收天线接收无线发射部分发出的信号；
b-2、信号解码模块对接收模块所接收的信号进行解码；
b-3、信号调理模块对所述信号解码模块解码的信号进行信号调理；
b-4、数据采集模块采集或经过多通道控制器控制选择采集所接收的信号， 通过数据处理模块对所采集的信号进行处理分析；
b-5、对步骤b-4分析处理后的信号在显示屏上显示和在数据存储器上存 储；或通过通信模块传输到控制中心。
上述多通道轴系振动无线遥测方法，其中，步骤b-4所述的通过数据处理 模块对所采集的信号进行处理分析包括以下的步骤
b-4-l、通过数据输入单元接收数据采集模块所采集的信号或通过多通道 控制器选择接收数据采集模块所采集的信号，与基准信号输出单元输出的基准 信号共同输出到比较单元；
b-4-2、所述的比较单元对数据进行比较后得到被测轴的纵向振动、横向 振动和扭转振动数据；
b-4-3、该数据送到时域波形分析单元进行时域波形分析，产生时域波形 送到显示屏显示；
b-4-4、所述时域波形分析单元的输出信号并传输到频谱分析单元，经傅 立叶变换，得到被测量参数，通过数据输出模块输出到显示屏显示，或输出到 通信模块，与用户或控制中心进行数据交换；
b-4-5、通过数据存储单元保存时域波形分析单元和频谱分析单元输出的 数据。
由于本发明采用了以上的技术方案，其产生的技术效果是明显的
1、 利用无线遥测技术对轴系振动进行无线遥测和分析，能够在线实时监 测动力装置的轴系振动情况，获得振动的实时数据。
2、 整个系统利用无线遥测的技术，使得测量精确，抗干扰能力强，测量 更为方便。
3、 改变了现有技术对轴系振动需要分项测试的现状，将轴系振动的测量
做了整合，在同一个系统里实现了轴系的纵向振动、横向振动和扭转振动的综 合测量。监测人员能及时通过该系统对动力装置的运行做出判断。
4、整个系统的供电除电源或电池供电外，对发射部分还可通过无线感应 的方式进行供电，以实现动力装置轴系振动的长时间在线监测。


为进一步了解本发明的特征、性能和优点，下面结合本发明的实施例及附图对 本发明作进一步的说明。
图1是本发明轴系振动无线遥测系统的一种实施例的结构原理示意图。
图2是本发明轴系振动无线遥测系统的另一种实施例的电方框图。 图3是本发明轴系振动无线遥测系统的数据处理模块的电方框图。 图4是本发明轴系振动无线遥测系统的无线感应供电方式的电方框图。 图5是本发明轴系振动无线遥测方法的示意图。
具体实施例方式
请参阅图l、图2。其中图1是本发明轴系振动无线遥测系统的一种实施例的 结构原理示意图。图2是本发明轴系振动无线遥测系统的另一种实施例的电方 框图。本发明多通道轴系振动无线遥测系统，包括无线发射部分l和无线接收 部分2。其中所述的无线发射部分1设置在被测轴上，包括设置在被测轴 100上的至少一组振动传感器组，在图1的实施例中给出了 n组振动传感器组 10-1至10-n;在图2的实施例中给出了一组振动传感器组10。如图2所示， 每一振动传感器组10由一纵向振动传感器11、 一横向振动传感器12和一扭转 振动传感器13组成。无线发射部分1还包括用于将所接收的各传感器输出 的信号进行前置处理和模数转换的传感器信号采集处理模块14(如果采用的传 感器本身带模数转换功能的则无需传感器信号采集处理模块)；用于将传感器 信号采集处理模块输出的信号进行编码的信号编码模块15;用于将信号编码模
块输出的信号发射到接收部件的发射模块16，该发射模块16包括发射天线 161。所述传感器信号采集处理模块的输入端与各传感器的输出端电连接；所 述信号编码模块输入端与传感器信号采集处理模块的输出端电连接；所述发射
模块的输入端与信号编码模块的输出端电连接。本实施例中所述的振动传感器 采用恒流源激励的ICP振动传感器。
所述的无线接受部分2包括用于接收发射部分1发射的信号的接收模块 21，该接收模块包括接收天线211;对所接收的信号进行解码的信号解码模块 22;对所述被解码的信号进行调理的信号调理模块23;对信号调理模块输出的 信号进行采集的数据采集模块24;用于对所采集的信号进行处理分析的数据处
理模块25;用于输出和显示数据处理模块处理后的数据的数据输出模块26、 显示屏27;以及将数据上传到控制中心的通信模块28。图1实施例中的信号 分析、数据输出以及显示均由工控机或笔记本电脑200完成。
由各传感器输出多路信号输入至信号编码模块后，经过PCM编码，通过发 射模块无线发射出去。接收部分的接收模块接收该信号，信号解码模块对该信 号进行解调并经信号调理后，被数据采集模块(例如高速数据卡)采集，最后 由数据处理模块进行分析处理，得到轴系振动信号的测试参数。
请参阅图3，这是本发明轴系振动无线遥测系统的数据处理模块的电方框 图。本发明多通道轴系振动无线遥测系统其中，所述的数据处理模块25包括 数据输入单元251、基准信号输出单元252、比较单元253、数据存储单元254、 时域波形分析单元255、频谱分析单元256、数据输出单元257;所述的数据输 入单元接收数据采集模块所采集的信号，与基准信号输出单元输出的基准信号 共同输出到比较单元；所述的比较单元对数据进行比较后得到被测轴的纵向振 动、横向振动、扭转振动数据；该数据送到时域波形分析单元进行时域波形分 析，产生时域波形送到显示屏显示；所述时域波形分析单元的输出信号并传输 到频谱分析单元，经傅立叶变换，得到被测量参数，通过数据输出模块输出到 显示屏显示，或输出到通信模块，上传到控制中心。所述的数据存储单元保存 时域波形分析单元和频谱分析单元输出的数据。
本发明多通道轴系振动无线遥测系统中，所述的无线发射模块的供电方式 可采用电源供电方式或无线感应供电方式。如果通过无线感应的方式进行供 电，系统可以长时间工作，以实现动力装置轴系振动的长时间在线监测。
请参阅图4，并配合参见图1。本发明多通道轴系振动无线遥测系统所述 的无线感应供电的方式为包括在本发明多通道轴系振动无线遥测系统的接收
部分设置一与电源连接的无线感应发射器4，在本发明多通道轴系振动无线遥
测系统的发射部分设置一无线电源接收器5。所述的无线感应发射器4包括一 电源发射模块41和与该电源发射模块的输出端电连接的无线感应发射头42; 所述的无线电源接收器5包括无线电源接收线圈51，该无线电源接收线圈也可 由发射部分的发射天线161构成。该无线电源接收线圈感应的电势作为提供本 发明多通道轴系振动无线遥测系统的发射部分各元器件工作的电源。无线电源 接收器5还可以包括一无线电源接收模块52和充电电池53;所述的无线电源 接收模块接收无线电源接收线圈感应的电势，经稳压处理后作为提供发射部分 各元器件工作的电源；或者，无线电源接收线圈感应的电势经稳压处理后向充
电电池充电，由充电电池提供发射部分各元器件工作的电源。
请配合参阅图2。本发明多通道轴系振动无线遥测系统中，还包括一多通 道控制器6，连接在数据采集模块的输入端，用于选择采集信号送到数据处理 模块进行数据处理；所述的多通道控制器由选择开关或具有多路开关量输入输 出通道的采集卡构成。
请参阅图5。本发明多通道轴系振动无线遥测方法包括以下步骤
101、 在被测轴上安装轴系振动信号的无线发射部分包括在被测轴上安
装的至少一组由一纵向振动传感器、 一横向振动传感器和一扭转振动传感器组
成的振动传感器组；各振动传感器分别得到被测轴上的纵向振动信号、横向振
动信号和扭转振动信号；各纵向振动信号、横向振动信号和扭转振动信号输出
到传感器信号釆集处理模块，经前置处理和模数转换后输出到信号编码模块； 信号编码模块将所接收的传感器信号采集处理模块输出的信号进行编码后，编
译成数字信号，通过发射模块经天线发射到无线接收部分。该无线传输的方式 为PCM编码，利用数字信号传输，其精度高，并且不容易受到各种干扰，无线 发射的最大距离可达250米，系统误差±0.2%，满足工程应用的需要。
102、 无线接收部分的接收模块接收无线发射部分发出的信号；
103、 通过信号解码模块对所接收的信号进行PCM解码；通过信号调理模 块对所述被解码的信号进行信号调理，以便后处理装置进行记录或利用其他装 置如示波器等显示；
104、 数据采集模块采集信号调理模块输出的信号至数据处理模块进行后
分析处理。本实施例的数据采集模块可采用高速数据采集卡，其最高采样率可
达500k/s。数据处理模块可由工控机或笔记本构成。
105、 数据采集模块或通过多通道控制器选择采集所接收的信号至数据处 理模块进行后分析处理。所述的多通道控制器由选择开关或具有多路开关量输 入输出通道的采集卡构成。
106、 数据处理模块对采集到的多路信号进行信号处理，得到时域波形107， 在显示屏108-1上显示和在数据存储器108-2上存储；该时域波形并经过频率 分析109后得到各种被测量参数，在数据存储器108-2上存储和在显示屏108-1 上显示，或通过通信模块110传输到控制中心。
所述的通过数据处理模块对所采集的信号进行处理分析包括以下的步骤
106-1、通过数据输入单元接收数据采集模块所采集的信号或通过多通道 控制器选择接收数据采集模块所采集的信号，与基准信号输出单元输出的基准 信号共同输出到比较单元；
106-2、所述的比较单元对数据进行比较后得到被测轴的纵向振动、横向 振动、扭转振动数据；
106-3、该数据送到时域波形分析单元进行时域波形分析，产生时域波形 送到显示屏显示；
106-4、所述时域波形分析单元的输出信号并传输到频谱分析单元进行频 谱分析。因为任何连续测量的时序或信号，都可以表示为不同频率的正弦波信 号的无限叠加，因此本发明采用傅立叶变换方法利用直接测量到的原始信号， 以累加方式得到被测量信号的频率、振幅和相位等参数，再通过数据输出模块 输出到显示屏显示，或输出到通信模块，与控制中心进行数据交换。
106-5、通过数据存储单元保存时域波形分析单元和频谱分析单元输出的 数据；
本发明的轴系振动测量系统及其无线遥测方法可应用在任意转速范围内，包 括转速极低的轴系，系统测试精度在±0.5%。系统具有无线遥测、长时监测、 频响范围宽、抗干扰能力强等特点。可以用于针对各类动力装置需要进行轴系 振动测量的场合。如果结合转速信号的测数据，还可进行阶次跟踪的分析。具 有测量分析数据全面、及时、精确和实施方便的优点。
权利要求
1.多通道轴系振动无线遥测系统，包括被测量轴，其特征在于，包括无线发射部分和无线接收部分；所述的无线发射部分设置在被测轴上，包括设置在被测轴上的至少一组由一纵向振动传感器、一横向振动传感器和一扭转振动传感器组成的振动传感器组；用于将所接收的各传感器输出的信号进行前置处理和模数转换的传感器信号采集处理模块；所述传感器信号采集处理模块的输入端与各传感器的输出端电连接；用于将传感器信号采集处理模块输出的信号进行编码的信号编码模块；所述信号编码模块输入端与传感器信号采集处理模块的输出端电连接；用于将信号编码模块输出的信号发射到接收部件的发射模块；所述发射模块的输入端与信号编码模块的输出端电连接；所述的无线接受部分包括用于接收发射部分发射的信号的接收模块；对所接收的信号进行解码的信号解码模块；对所述被解码的信号进行调理的信号调理模块；对信号调理模块输出的信号进行采集的数据采集模块；用于对所采集的信号进行处理分析的数据处理模块；用于输出和显示经数据处理模块处理后数据的数据输出模块和显示屏；以及，将数据输出模块输出的数据上传到控制中心的通信模块。
2、 根据权利要求1所述的多通道轴系振动无线遥测系统，其特征在于， 所述的数据处理模块包括数据输入单元、基准信号输出单元、比较单元、数 据存储单元、时域波形分析单元、频谱分析单元、数据输出单元；所述的数据 输入单元接收数据采集模块所采集的信号，与基准信号输出单元输出的基准信 号共同输出到比较单元；所述的比较单元对数据进行比较后得到被测轴的纵向 振动、横向振动、扭转振动数据；该数据送到时域波形分析单元进行时域波形 分析，产生时域波形送到显示屏显示；所述时域波形分析单元的输出信号并传输到频谱分析单元，经傅立叶变换，得到被测量参数，通过数据输出模块输出到显示屏显示，或输出到通信模块，与用户或控制中心进行数据交换；所述的 数据存储单元保存时域波形分析单元和频谱分析单元输出的数据。
3、 根据权利要求1所述的多通道轴系振动无线遥测系统，其特征在于， 所述的振动传感器由恒流源激励的ICP振动传感器构成。
4、 根据权利要求1所述的多通道轴系振动无线遥测系统，其特征在于， 所述的无线传输的方式为PCM编码和解码方式。
5、 根据权利要求1所述的多通道轴系振动无线遥测系统，其特征在于， 所述的无线发射模块的供电方式为电源供电方式或无线感应供电方式。
6、 根据权利要求5所述的多通道轴系振动无线遥测系统，其特征在于， 所述的无线感应供电的方式为在所述的接收部分设置一与电源连接的无线感 应发射器，在所述的发射部分设置一无线电源接收器；所述的无线感应发射器 包括一电源发射模块和与该电源发射模块的输出端电连接的无线感应发射头；所述的无线电源接收器包括无线电源接收线圈，该无线电源接收线圈感应的电 势作为提供发射部分各元器件工作的电源。
7、 根据权利要求6所述的多通道轴系振动无线遥测系统，其特征在于， 所述的无线电源接收器还包括一无线电源接收模块和充电电池；所述的无线电 源接收模块接收无线电源接收线圈感应的电势经稳压后作为提供发射部分各 元器件工作的电源；或者，所述的无线电源接收模块接收无线电源接收线圈感应的电势经稳压处理后向充电电池充电，由充电电池作为提供发射部分各元器 件工作的电源。
8、 根据权利要求1所述的多通道轴系振动无线遥测系统，其特征在于，还包括一多通道控制器，与无线接收部分的数据采集模块的输入端连接，用于选择采集信号送到数据处理模块进行数据处理；所述的多通道控制器由选择开 关或具有多路开关量输入输出通道的采集卡构成。
9、 多通道轴系振动无线遥测方法，其特征在于，包括以下步骤 a、在被测轴上安装振动信号的无线发射部分a-l、在被测轴上安装至少一组由一纵向振动传感器、 一横向振动传感器 和一扭转振动传感器组成的振动传感器组；各振动传感器分别得到被测轴上的 纵向振动信号、横向振动信号和扭转振动信号；a-2、各纵向振动信号、横向振动信号和扭转振动信号输出到传感器信号 采集处理模块，经前置处理和模数转换后输出到信号编码模块；a-3、信号编码模块将所接收的信号进行编码后，通过发射模块经发射天 线发射到无线接收部分；b、无线接收部分b-l、接收模块通过接收天线接收无线发射部分发出的信号；b-2、信号解码模块对接收模块所接收的信号进行解码；b-3、信号调理模块对所述信号解码模块解码的信号进行信号调理；b-4、数据采集模块采集或经过多通道控制器控制选择采集所接收的信号， 通过数据处理模块对所采集的信号进行处理分析；b-5、对步骤b-4分析处理后的信号在显示屏上显示和在数据存储器上存 储；或通过通信模块传输到控制中心。
10、根据权利要求9所述的多通道轴系振动无线遥测方法，其特征在于， 步骤b-4所述的通过数据处理模块对所采集的信号进行处理分析包括以下的步 骤b-4-1、通过数据输入单元接收数据采集模块所釆集的信号或通过多通道控制器选择接收数据采集模块所采集的信号，与基准信号输出单元输出的基准信号共同输出到比较单元；b-4-2、所述的比较单元对数据进行比较判断后得到被测轴的纵向振动、 横向振动和扭转振动数据；b-4-3、该数据送到时域波形分析单元进行时域波形分析，产生时域波形 送到显示屏显示；b-4-4、所述时域波形分析单元的输出信号并传输到频谱分析单元，经傅 立叶变换，得到被测量参数，通过数据输出模块输出到显示屏显示，或输出到 通信模块，与用户或控制中心进行数据交换；b-4-5、通过数据存储单元保存时域波形分析单元和频谱分析单元输出的数据。
全文摘要
本发明公开了一种多通道轴系振动无线遥测系统及其无线遥测方法，其特点是无线遥测系统包括无线发射部分和无线接收部分。无线遥测方法包括在被测轴上安装无线发射部分，包括至少一组由一纵向振动传感器、一横向振动传感器和一扭转振动传感器组成的振动传感器组；各振动传感器分别得到被测轴上振动信号，经前置处理、模数转换和编码后，通过发射模块发射到无线接收部分；接收模块接收无线发射部分发出的信号；通过信号解码、信号调理和信号处理分析，对分析处理后的信号在显示屏上显示和在数据存储器上存储；或通过通信模块上传到控制中心。可应用在任意转速范围内，系统测试精度在±0.5％。具有无线遥测、长时监测、频响范围宽和抗干扰能力强等特点。
文档编号G01H1/00GK101368844SQ200810201090
公开日2009年2月18日 申请日期2008年10月13日 优先权日2008年10月13日
发明者君 周, 张心玮, 森 李, 王慰慈, 宾 胡 申请人:中国船舶重工集团公司第七一一研究所