总线式状态监测智能传感器组

1.一种用于状态监测与故障诊断的总线式智能传感器组，它包括组合传 感器、智能数据采集装置和隔离型控制局域网(CAN)现场总线三部分，其特 征在于，采用共缆网络供电技术，由安装在被测对象各检测点的多个传感器就 近提取运行状态信息，经所述智能数据采集装置处理并采集后，由所述隔离型 控制局域网(CAN)现场总线传送到上位状态监测主机。
2.按照权利要求1所述的智能传感器组，其特征在于，所述组合传感器 包括压电加速度传感器(YDP)、单总线数字温度传感器(IC02)和由运放及 电阻电容组成的信号调理电路，具有电压、电流两种输出形式。
3.按照权利要求1或2所述的智能传感器组，其特征在于，所述智能数 据采集装置包括：由多路模拟开关、复杂逻辑可编程器件(CPLD)实现多路 数据选择器组成的通道选择电路；由第一运放(IC6)及电阻组成的组合式差 动输入电流/电压转换电路；由0.5Hz高通滤波器、数控通用滤波器(IC9)、虚 地发生器(IC11)、模拟开关和复杂逻辑可编程器件(CPLD)组成的耦合方式 选择及程控滤波电路；由第二运放(IC22)、第一模拟开关(IC21)及电阻电 容组成的积分选择电路；由第三运放(IC12)、第二模拟开关(IC8)、二极管 及电阻电容组成的包络解调电路；由8阶椭圆低通滤波器(IC13)，第三模拟 开关(IC14、IC15)，第四运放(IC12A)及电阻电容组成的抗混滤波及防共振 电路；由第五运放(IC16、IC17、IC22A)及电阻，第四模拟开关(IC18)，CPU 内嵌A/D转换器和复杂逻辑可编程器件(CPLD)组成的自动定标放大及A/D 转换电路；由P8XC591单片CPU(IC2)、复杂逻辑可编程器件(CPLD)、RAM、 非易失性存储器(E2ROM)组成的CPU及其外围电路。
4.按照权利要求1或2所述的智能传感器组，其特征在于，所述隔离型 控制局域网(CAN)现场总线由CPU内嵌的总线控制器，总线收发器(IC1)， 高速光耦(IC19、IC20)，二极管(D1、D2)及电阻电容组成，具有共缆网络 供电功能。

技术领域\n本发明涉及一种用于状态监测与故障诊断的总线式智能传感器组，特 别是一种集多传感器多参量数据融合、信号调理、智能数据采集、现场通 信网络于一体，采用隔离型控制局域网(Controller Area Network，CAN)现 场总线，具有智能测量、可靠传输、抗振抗干扰能力强、转换精度高的智能 传感器组，适用于复杂恶劣条件下设备的在线状态监测与故障诊断等方面。\n背景技术\n在传统的设备状态监测与故障诊断系统中，经常使用许多传感器和数 据采集器来组成状态监测与故障诊断系统，而这些传感器都是模拟传感 器；不少情况下，传感器与数据采集器距离较远，往往超过几十米甚至达 到几百米；而设备运行环境一般都比较恶劣，电机、整流装置等用电设备 产生强烈的电磁干扰，高频电源线的工频干扰，测量系统和各单元电路之 间的公共接地阻抗也会产生严重的干扰，以上这些干扰源都会对状态监测 系统产生很大的干扰，导致系统难以正常工作；为解决这些问题，通常采 取许多复杂的抗干扰措施，使得系统结构复杂，成本很高，而且效果不佳。 因此，如何使传感器信号能够准确可靠地进行远距离传输，确实是一个极 其重要而又实际的问题，这正是本发明的目的所在。\n采用模拟信号进行长线传送，不管是双极性电压信号、电流信号、压 频转换后的频率信号，还是光电隔离后的模拟信号，都容易受到外界电磁 波的干扰；而且由于传输线路比较长，不可避免的要有线路上的损失，这 样就难以保证传送精度。传统的状态监测系统一般由传感器+智能仪表构 成，除前面所述的不足外，还存在如下缺点：(1)结构比较分散，不便 于观察设备运行情况和进行及时检修；(2)智能仪表的各种操作(如调 零、限值、精度)都因环境和人为因素，导致其准确性较差；(3)系统 一般都有较多的数据采集点(以DF4B内燃机车的轮对为例，它有两个转 向架，4个轮对，至少需32个测量点)，采用传统方式实现非常困难，且 成本高；(4)全部测点传感器直接接到一个状态监测与故障诊断主机， 除线路复杂、维护困难、现场环境不允许外，还由于采集点多、采集频率 较高，而系统对数据传输的准确性、处理的实时性要求特别高，因此，很 难达到预期的效果。鉴于此，本发明选择CAN现场总线搭建数据平台， 就近对传感器信号进行智能化处理，网络传输测量信息，它兼具了灵活性、 实时性、准确性、可靠性各方面的优势。\n发明内容\n本发明的目的在于提供一种集多传感器多参量数据融合、信号调理、 智能数据采集、现场通信网络于一体，适用于结构复杂、工作环境恶劣、 干扰信号复杂的车辆及其它设备在线监测与故障诊断的信号提取、数据采 集与传输的总线式智能传感装置。\n本发明的目的是通过如下途径实现的：由安装在被测对象各检测点的 组合传感器就近提取运行状态信息，经通道选择、电流/电压转换及放大、 程控滤波、包络解调、抗混滤波及自动定标放大等电路后，由CPU及CPLD 对其进行模数转换并保存在RAM中，转换结果经光电隔离型CAN接口送 至现场通信网络，为上位状态监测与故障诊断主机提供可靠的设备运行状 态信息。\n本发明的总线式状态监测智能传感器组包括组合传感器、智能数据采 集装置和CAN总线三部分，组合传感器采用四芯屏蔽线传输，有电流和 电压两种输出形式，均由压电加速度传感器、数字温度传感器和运放及电 阻电容组成的信号调理电路构成；数据采集装置由传感器输入接口及通道 选择电路、电流/电压转换电路、耦合方式选择电路、程控滤波电路、积分 选择电路、包络解调电路、抗混滤波及防共振电路、自动定标放大电路、 CPU及外围电路、CAN接口电路和电源电路等组成；CAN总线为4线制 共缆供电方式，信号线采用高速光电耦合器隔离。\n本发明综合运用多种有效信号处理方法，可提取被测对象的振动、冲 击、温度、速度等状态信息，对进行多参量、多标准的综合精密诊断非常 适合；采用隔离型CAN总线结构，利用高速光电耦合器来实现收发器与 控制器之间的电气隔离，可靠地保护内部电路，免受外部干扰，可方便构 成网络化测控系统，便于工业现场使用，完全符合ISO11898标准，电磁 辐射(EME)非常低，差动接收器具有较宽的共模范围，可抗电磁干扰 (EMI)能力强，在解决结构复杂、工作环境恶劣、干扰信号繁杂等场合 下的状态监测与故障诊断方面具有独特优势。本发明具有集成度高、测量 精度高、抗振抗干扰能力强、稳定性好、成本低等特点；其综合技术指标 为：(1)总线传输速率≤1Mbps，传输距离≤10Km，节点数≥110；(2) 通道：1～8通道电压或电流信号；(3)测量范围：加速度0.1～199.9m/s2(单 峰值0.5～20KHz)，速度：0.01～19.99cm/s(有效值)，位移：0.001～ 1.999mm(峰峰值)，温度：-55℃～+125℃；(4)耦合方式：交流、直流 可选；(5)程控滤波：全通、低通、高通、带通、陷波可选，特征频率 可调(拐点处衰减5％，衰减速率24dB/oct)；(6)积分处理：不加积分、 一次积分、二次积分；(7)包络解调：on/off；(8)抗混滤波：100Hz～ 20KHz连续可变；(9)采样点数：256、512、1024、2048、4096、8192 可选；(10)保持特性：测量值自动保持，延时自动待机，具有总线唤醒 (远程)功能。\n附图说明\n下面结合附图对本发明作进一步详细的说明，其中：\n图1是本发明原理框图及使用安装例；\n图2是本发明组合传感器原理框图；\n图3是本发明组合传感器实施例的典型电路原理图；\n图4是本发明通道选择原理框图；\n图5是本发明电流/电压转换的典型电路原理图；\n图6是本发明耦合方式选择及程控滤波原理框图；\n图7是本发明积分选择的典型电路原理图；\n图8是本发明包络解调的典型电路原理图；\n图9是本发明抗混滤波及防共振原理框图；\n图10是本发明自动定标放大及A/D转换的典型电路原理图；\n图11是本发明CAN现场总线接口及电源的典型电路原理图。\n具体实施方式\n本发明的总线式状态监测智能传感器组包括组合传感器、智能数据采 集装置和隔离型CAN总线三个部分，可广泛用于复杂恶劣条件下设备的 在线状态监测与故障诊断等方面，下面以铁路机车轮对的状态监测为例进 行介绍。\n如图1所示是在列车轮对状态监测应用中的传感器安装方式，图中的 八个传感器CH1～CH8分别安装在轮对的各测点，其中CH1、CH2测量 轮对两个轴承、轮箍及踏面等的运行状态，CH3、CH4测量电机两个轴承、 转子、定子等的工作状态，CH5、CH6测量两个抱轴轴承的工作状态，CH7 测量齿轮箱的状态，CH8测量驱动电机轴向振动。隔离型CAN总线用于 串联其他传感器组和机车状态监测与故障诊断主机组成一个机车运行状态 监测网络。该监测网络以轮对为单位将模拟信号就近就地集中处理并转换 为数字信号，通过隔离型CAN总线进行数据传输；具有结构简单、成本 低、可靠性高、抗振抗干扰能力强、传输距离远(最大10Km)、监测范 围广(至少可连接110个传感器组)等特点。在结构复杂、工作环境恶劣、 干扰信号复杂的列车轮对状态在线监测与故障诊断的信号采集与传输方 面，独具特色。每个传感器组硬件主要包括传感器、传感器输入接口及通 道选择电路、电流/电压转换电路、耦合方式选择电路、程控滤波电路、积 分选择电路、包络解调电路、抗混滤波及防共振电路、自动定标放大电路、 CPU及外围电路、CAN接口电路和电源电路等。\n本发明的组合传感器采用四芯屏蔽线传输，有电流和电压两种输出形 式，图2是组合传感器原理框图，均由压电加速度传感器、数字温度传感 器和运放及电阻电容组成的信号调理电路构成。压电传感器是用于测量 力、加速度、冲击、振动的主要传感器之一，它可以有电压和电荷两种输 出，其后续的放大电路相应地分为电压放大和电荷放大两种；本发明由于 将敏感元件和信号调理电路置于传感器内部，压电元件与电路之间的连接 极短，故采用电压放大方式，图3是本发明传感器实施例电路原理图。图 3(a)为电压输出型振动温度一体化传感器，图3(b)为电流输出型振动 温度一体化传感器，对于列车轮对状态监测宜采用图3(b)的电流输出型 传感器。两种传感器均由压电加速度传感器YDP(测量范围：0.1～ 199.9m/s2)、单总线数字温度传感器IC02(测量范围：-55℃～+125℃)、 集成单电源仪表放大器IC01及电阻电容组成。特别是图2(b)的电流输 出型传感器，由数字温度传感器IC02拾取测点温度信号，直接转换为数 字信号DQ传输；振动信号由压电加速度传感器YDP拾取，经IC01、IC03 和电阻R01、R02构成的精确电流源，将IC01的输出电压转换为电流流出 到负载上去；图中R02为转换电阻，运放IC03对IC01参考端进行缓冲以 维持良好的共模抑制特性(CMR性)。\n智能数据采集装置是本发明的核心部分，它由传感器输入接口及通道 选择电路、电流/电压转换电路、耦合方式选择电路、程控滤波电路、积分 选择电路、包络解调电路、抗混滤波及防共振电路、自动定标放大电路、 CPU及外围电路、CAN接口电路和电源电路等组成。传感器输入接口及 通道选择电路如图4所示，由插接件、多路模拟开关和复杂逻辑可编程器 件(以下简称CPLD)实现的多路数据选择器构成，其中多路模拟开关用 于切换所需传感器输出的模拟振动信号送电流/电压转换电路，多路数据选 择器用于选择对应传感器的温度信号直接送CPU采样。图5是电流/电压 转换电路原理图，采用特殊的差动输入电流电压转换方式，由三个运放及 电阻构成，由二选一模拟开关在CPLD的控制下选择是否投入，以适应电 流、电压两种输入方式；采用了平衡对称结构，将两个单端输入电流电压 转换电路(IC6C及R6、IC6D及R5)相对串联起来，两个反相输入端分 别作为差动输入的正负端，两个输出端分别与减法器IC6A的正负输入端 相接，运放IC6C和IC6D的同相端接在一起并接参考地，使它们能从地取 得注入偏置电流；减法器IC6A能使IC6C、IC6D输出的差模电压放大， 从IC6C、IC6D传过来的共模电压(包括引线上的干扰和IC6C、IC6D的 失调)得到抑制。在电路对称的情况下，令R5＝R6＝Rf，R9＝R10＝Rj，R7 ＝R8＝Rq，运放IC6C、IC6D的开环电压增益AVO1＝AVO2＝AVO，图5中的 输出电压VO与被测电流的关系可由下面的关系描述：VO1＝-RfIi，VO2＝ RfIi，VO＝(VO2-VO1)Rq/Rj＝2IiRfRq/Rj，电路的电压电流增益AVi＝2RfRq/Rj， 输入阻抗Ri＝2Rf/Avo。式中，Avo＞＞1，Ri＜＜1，转换电阻Rf的值即为电 压电流增益，对电流电压转换电路的基本要求就是其输入阻抗要小，以减 少对被测信号源的影响；这样低的输入阻抗和高的电压电流增益对转换是 有利的。为了提高转换的灵敏度，加大电流电压转换电路中的转换电阻Rf 是必要的；但在传统的电流电压转换电路中，这将导致电路的失调增大， 抗干扰能力下降；而在本差动输入电流电压转换电路中，失调和干扰被有 效地抑制了，因此加大转换电阻Rf是可行的。可见，本发明的差动输入电 流电压转换电路具有高增益、高精度、低输入阻抗、低失调和抗干扰强等 优点。\n图6是本发明的耦合方式选择及程控滤波电路原理图，耦合方式有交 流、直流两种可选，交流耦合时经运放及电阻电容构成的0.5Hz高通滤波 器，直流耦合时直接连通，由2选1模拟开关IC21选择。程控滤波电路 由虚地发生器IC11、数控通用滤波器IC9、4选1模拟开关IC10、CPLD 及电阻电容组成；在CPU和CPLD的控制下可实现各种带通、低通、高 通、陷波和全通滤波配置，中心频率fo(0.4Hz～57KHz，64档可调)、 品质因数Q(128档可调)，在拐点处衰减5％，衰减速率24dB/oct；本发 明中将IC9内的两个二阶滤波器通过4选1模拟开关IC10串联构成一个 四阶通用开关电容有源滤波器，还利用IC9内的两个二阶滤波器与后面的 包络解调电路以实现程控电共振解调，用于复杂恶劣环境下可靠提取监测 部件的冲击信号。\n通常研究振动的参数有频率f、位移s、速度v、加速度a等，加速度 是速度随时间的变化率，速度是位移随时间的变化率，故有：\n因此，无论研究的是位移、速度、还是加速度，其振动的形式和周期总保 持不变，速度超前位移90°相角，而加速度又超前速度90°相角。本发明 由传感器提取被测对象的振动加速度信号，经图7的积分选择电路后，可 采用峰值S峰、V峰、A峰作为描述振动大小的特征量。积分选择电路由两个 积分环节和模拟开关构成，每个积分环节滞后90°相角，由运放及电阻电 容组成。\n机械设备的某一零件表面出现局部损伤时，在承载运行过程中要撞击 与之相互作用的其它元件表面，产生冲击脉冲力，由于冲击脉冲力的频带 很宽，必然包含该零件、相邻的其它零件、传感器甚至附加的谐振器(可 以是机械式的，也可以是电的)等的固有频率而激起许多的高频固有振动， 可根据实际情况选择某一高频固有振动作为研究对象，通过中心频率等于 该固有频率的带通滤波器把该固有振动分离出来；然后通过包络检波器检 波，去除高频衰减振动的频率成分，得到只包含故障特征信息的低频包络 信号。图8是包络解调电路原理图，它包括包络检波和低通滤波两部分； 包络检波电路由运放IC12B、IC12C，二极管D4、D5和电阻电容组成， 其输出电压等于输入电压的绝对值，即Vo＝|Vi|；低通滤波是一个波特沃斯 二阶有源低通滤波器，由运放IC12D和电阻电容组成，令R20＝R21＝R， 则截止频率\n$f=\frac{1}{\sqrt{2}\mathrm{\pi R}{C}_{18}}=\frac{1}{2\sqrt{2}\pi {\mathrm{RC}}_{19}},$ 衰减速率12dB/oct；2选1模拟开关用于切换包络解调电路的投入或退出。 本发明利用IC9内的两个二阶带通滤波器与包络解调电路配合，既可实现 依赖于某一机械零件的共振解调，也可实现依赖于电共振的程控共振解 调，这对于提取结构复杂、干扰信号繁杂的机械设备故障信息的提取是十 分有利的。\n在信号处理的硬件系统中抗混滤波器是一重要的部件，根据信号成分 的要求，抗混滤波器的截止频率范围控制在10Hz～20kHz，为了提高信号 的频率分辨率，要求抗混滤波器的带宽按1、2、4、5倍乘的原则可调； 若采用一般的模拟低通滤波器必须电路繁复、换档不便、体积太大、不甚 实用，本发明选择8阶开关电容椭圆低通滤波器IC13作抗混滤波器，如 图9所示。集成开关电容滤波器体积小、阶数高、衰减沿陡、改变通带宽 度非常方便，但本身有开关噪声，尤其是存在“共振”现象；因此在使用时， 要根据不同的要求，采取必要的措施。本发明利用前述的数控通用滤波器 IC9把输入信号频率控制在开关电容滤波器采样频率之下，将IC13片内 独立的运算放大器与电阻电容构成一个截止频率为20KHz的二阶低通滤波 器，用以滤出IC9的开关频率，IC13滤波器后接有一个由运放及电阻电容 构成的可编程模拟低通滤波器；有效地避免“共振”现象和消除采样频率信 号所引起的噪声。\n本发明的CPU(IC2)采用P8XC591单片机，它内嵌有CAN总线控制 器和10位A/D转换器，该A/D转换器难以满足设备状态监测应用中分辨率 的要求，而外接高分辨率的A/D转换器不但使成本明显提高，而且使接口电 路更为复杂；为此，本发明通过自动定标放大、CPLD硬件直接采样和提高 采样频率的方法，将IC2片内的10位A/D提高到14位分辨率，提高了单片 机应用系统的性能价格比。本发明自动定标放大及A/D转换电路原理图如图 10所示，8个等值的精密电阻将0～5V基准电压分割成8档，每档范围为 0.625V，8个抽头分别接八选一模拟开关IC18的8个输入端和7个比较器(运 放IC16、IC17构成)的反相输入端，由CPLD根据7个比较器的输出电平 译码控制IC18通道选择端C、B、A，选出一个分压值经跟随器(IC17A运 放)到IC22A精密差分放大器(Av＝8)的反相输入端。如输入电压Vi为3V， 则7个比较器输出的数字量为0001111，经CPLD译码输出到IC18通道选择 控制端C、B、A的数字量为100，选取2.5V分压值经跟随器送IC22A进行 差分放大，调整电阻R58～R60的值，使放大倍数为8倍，则得放大器IC22A 输出Vo＝8×(Vi-2.5)＝8×(3-2.5)＝4.0V，选择CPU的AD0通道进行A/D转 换，结果为1100110010，这就是13位A/D转换结果的低10位，通道控制码100 为13位A/D转换的高3位，要得到14位分辨率由CPU做2次13位A/D 转换实现，这样做不完全是为了提高A/D转换的分辨率，而主要是为了有 效降低随机干扰和脉冲干扰对测量的影响。\n控制器局域网络CAN是一种全数字化、多主和双向的现场总线；本 发明的CAN总线为4线制共缆供电方式，信号线采用高速光电耦合器隔 离。图11是CAN现场总线接口及电源电路原理图，CAN接口电路由CPU 内嵌的CAN总线控制器、CAN总线收发器IC1和高速光电耦合器IC19、 IC20构成；完全符合ISO11898标准，总线传输速率最高可达1Mbit/s，传 输距离最远可达10Km，电磁辐射(EME)非常低，宽共模范围的差动接 收器可抗电磁干扰(EMI)，总线上至少可以连接110个节点，处于不上 电状态的收发器相当于零负载，具有总线唤醒(远程)功能。为了增强本 传感器组的抗干扰能力，通过高速光电耦合器隔离总线收发器IC1和CPU 内嵌的CAN总线控制器，实现了总线上各节点的电气隔离；光耦部分所 采用的两个电源POWER2和POWER3必须完全隔离，否则采用光耦也就 失去了意义；这虽然增加了节点的复杂程度，但是却提高了节点的稳定性 和安全性；IC1与CAN总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措 施，CANH和CANL与地之间并联两个小电容(C6、C7)，可以起到滤 除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力；在两根CAN总线接入 端与地之间分别反接了一个保护二极管(D1、D2)，当CAN总线有较高 的负电压时，通过二极管的短路可起到一定的过电压保护作用。本发明采 用共缆网络供电技术，电源部分由三个宽电压输入隔离(隔离电压≥ 1000VDC)稳压单输出型DC-DC微型开关电源模块、二极管D3、电容C1、 C5组成，二极管D3用于防止极性反接，三个隔离型DC-DC微型开关电 源模块分别供给数字部分、模拟部分和通信部分的电源，可有效抑制干扰， 提高了节点的稳定性和安全性。\n综上所述，本发明总线式状态监测智能传感器组集多传感器多参量数 据融合、信号调理、智能数据采集、现场通信网络于一体，采用共缆网络 供电技术；传感器组在CPU和CPLD嵌入式软件的控制下，完成对各传 感器拾取信息的电流/电压转换、耦合、程控滤波、积分、包络解调、抗混 滤波、自动定标放大等处理后，进行数/模转换并将转换结果保存在RAM 中，CPU在上位状态监测与故障诊断主机需要时将测量数据由CAN现场 总线传出；在总线空闲时，电路具有测量值自动保持，延时自动进入待机 状态的功能。CAN现场总线采用高速光电耦合器来实现收发器与控制器之 间的电气隔离，可靠地保护内部电路，免受外部干扰。本发明传感器组综 合运用电流/电压转换、耦合、程控滤波、积分、包络解调、抗混滤波、自 动定标放大等多种有效信号处理方法，可提取被测设备的振动、冲击、温 度、速度等状态信息，对进行多参量、多标准的综合精密诊断非常适合， 在解决结构复杂、工作环境恶劣、干扰信号繁杂等场合下的设备状态监测 与故障诊断方面具有独特优势。\n虽然已经对本发明的优选实施例进行了详细的描述和说明，但是本发 明不应仅仅局限于上述实施例。应当知道，本领域的技术人员可以在不背 离本发明的精神和原理的条件下进行多种修改和变化，而不脱离本发明的 由权利要求书所限定的保护范围。