基于感應(yīng)供電的旋轉(zhuǎn)機(jī)械監(jiān)測系統(tǒng)

1、感應(yīng)供電扭矩和溫度長期監(jiān)測系統(tǒng)方案,北京必創(chuàng)科技有限公司 Beijing BeeTech Inc.,公司簡介,2004年創(chuàng)立于中關(guān)村，是北京市科委認(rèn)證的高新技術(shù)企業(yè) 致力于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)、生產(chǎn)和銷售 國內(nèi)最早基于IEEE802.15.4/ZIGBEE通訊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)、生產(chǎn)的企業(yè)之一 整合了無線通訊領(lǐng)域和傳感技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)資源 自主研發(fā)，擁有完全的知識產(chǎn)權(quán) 產(chǎn)品包括：無線傳感器節(jié)點(diǎn)、接收基站（網(wǎng)關(guān)）、網(wǎng)絡(luò)控制軟件和OEM射頻收發(fā)模塊等 低功耗工業(yè)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已獲政府中小企業(yè)創(chuàng)新基金無償資助，目前累計(jì)額度已經(jīng)達(dá)到300萬,提 綱,1.系統(tǒng)整體簡介 2.系統(tǒng)突出特點(diǎn) 3.無線

2、發(fā)射節(jié)點(diǎn)原理圖及系統(tǒng)拓?fù)鋱D 4.關(guān)鍵技術(shù) 5.無線監(jiān)測核心部件-感應(yīng)供電環(huán) 6.部分節(jié)點(diǎn)技術(shù)參數(shù) 7.用戶典型案例 8.無線扭矩測量原理介紹,系統(tǒng)整體介紹,整個測量系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議BEENET、計(jì)算機(jī)采集處理軟件BEEDATA 以及計(jì)算機(jī)或工控機(jī)組成,北京必創(chuàng)無線監(jiān)測系統(tǒng)突出特點(diǎn)（一）,支持一對多，即多套發(fā)射系統(tǒng),可用同一個無線接收網(wǎng)關(guān)控制,無線網(wǎng)關(guān)一般直接與計(jì)算機(jī)USB口連接,無需額外電源 除無線扭矩監(jiān)測系統(tǒng)外，還提供壓力，載荷，應(yīng)變，溫度，濕度，振動，轉(zhuǎn)速，電壓，電流等等常規(guī)測量信號的無線發(fā)射節(jié)點(diǎn) 可提供集成GPRS，CDMA功能的無線接收網(wǎng)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)利用互聯(lián)網(wǎng)直接控制監(jiān)

3、測整個測試系統(tǒng) 無線發(fā)射節(jié)點(diǎn)均可采用自主設(shè)計(jì)的防水盒形式，做到測試現(xiàn)場防塵，防水，防油等惡劣監(jiān)測現(xiàn)場要求，目前部分產(chǎn)品已經(jīng)通過了國家防爆及本安認(rèn)證 不再需要額外的常規(guī)采集系統(tǒng)，發(fā)射節(jié)點(diǎn)內(nèi)部直接完成A/D采集工作，最大限度的避免外部干擾信號進(jìn)入 整個系統(tǒng)自成一體，同時提供包括LabView，VC，VB在內(nèi)的多種語言的動態(tài)連接庫，便于用戶進(jìn)行二次開發(fā)，及與已有的有線采集系統(tǒng)的集成與融合，使用戶可最大限度的使用已有資源,北京必創(chuàng)無線監(jiān)測系統(tǒng)突出特點(diǎn)（二）,提供的感應(yīng)供電系統(tǒng)，在軸不轉(zhuǎn)動的情況下，也可以有效供電，感應(yīng)距離遠(yuǎn)，最大感應(yīng)可達(dá)1米以上，高可靠性，保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定工作。優(yōu)良的抗干擾能力，使其

4、不易受外部干擾。 安裝位置靈活，因?yàn)榘l(fā)射節(jié)點(diǎn)本身體積小巧，質(zhì)量輕，使感應(yīng)環(huán)等可以根據(jù)客戶要求，制作不同的尺寸與體積，最大限度滿足客戶的不同，甚至極端要求； 由于自主開發(fā)的專利電源管理技術(shù)及低功耗技術(shù)，使低功耗成為可能：一般發(fā)射節(jié)點(diǎn)最大工作電流也只有30mA，可以適用包括太陽能，振動發(fā)電在內(nèi)的各種供電方式； 可靠，精確，穩(wěn)定：眾多用戶應(yīng)用于不同環(huán)境，多年的市場應(yīng)用積累，由于相當(dāng)一部分產(chǎn)品面向軍工科研等特定客戶，以往客戶苛刻，嚴(yán)格的要求，造就了產(chǎn)品的高精度，高可靠性與穩(wěn)定性； 抗干擾能力強(qiáng)：數(shù)字信號傳輸，避免線纜或其他無線信號帶來的干擾，在包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)在內(nèi)的大型電機(jī)上做過實(shí)際測試，抗干擾能力有可

5、靠試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)保證。,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)射節(jié)點(diǎn)原理,原理框圖,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)整體拓?fù)鋱D,關(guān)鍵技術(shù),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 低功耗設(shè)計(jì),管理 能量收集技術(shù) 時間同步 數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)性 可靠性設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?試驗(yàn)測試保證 成熟性 疲勞估計(jì)算法 節(jié)點(diǎn)內(nèi)部程序無線升級,關(guān)鍵技術(shù)簡單介紹關(guān)鍵技術(shù)1 ：BeeNet無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)組成：無線傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、BeeNet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（內(nèi)嵌于傳感器節(jié)點(diǎn)及無線接收網(wǎng)關(guān)內(nèi)部）、BeeData采集控制處理軟件組成； BeeNet無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是必創(chuàng)科技公司基于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)自主研發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)與申報專利 整

6、個系統(tǒng)可自主組成自組織、自恢復(fù)多跳傳感器測量網(wǎng)絡(luò)； 支持點(diǎn)對點(diǎn)，星型，線型，樹型等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 同一網(wǎng)絡(luò)可支持65535個傳感器節(jié)點(diǎn)； 創(chuàng)新的時間同步算法，同步精度可達(dá)1mS；,關(guān)鍵技術(shù)2: 低功耗設(shè)計(jì)（一）,系統(tǒng)的概念：整個傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的低功耗, 單純的考慮某個部分是不夠和沒有意義的 采用超低功耗元器件 低功耗射頻通信模塊設(shè)計(jì) 優(yōu)異的射頻電路設(shè)計(jì)+低噪音放大器=高接收靈敏度(-108dBm) 同樣的通訊距離,大幅度減少發(fā)射功率 有效的傳感器采集、處理、傳輸系統(tǒng)能量管理策略 使用獨(dú)立定時電路喚醒低功耗策略 節(jié)點(diǎn)內(nèi)部完成數(shù)字信號處理，減小了發(fā)射流量的處理方法 基于時間同步和固定路由表的TD

7、MA發(fā)送協(xié)議 ZIGBEE協(xié)調(diào)器需要長期處于接收狀態(tài) “ 同時”睡眠,”同時”醒來 整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗,關(guān)鍵技術(shù)2: 低功耗設(shè)計(jì)（二）,無線發(fā)射功耗計(jì)算公式： W= V x If x Tf x S+V x Is x (Tm-Tf x S) / Tm W: 平均功率，單位mW； V：供電電壓3.3V If ：發(fā)射電流 Is ：休眠電流 Tf ：發(fā)送一次需要的時間 S：一分鐘發(fā)射的次數(shù) Tm ：60000mS（一分鐘） 兩分鐘間隔發(fā)送一包：130W 五分鐘間隔發(fā)送一包: 70W,關(guān)鍵技術(shù)2: 低功耗設(shè)計(jì)（三）,節(jié)點(diǎn)低功耗休眠技術(shù) 效果: 微安級休眠電流 5分鐘的間隔發(fā)射,20字節(jié)數(shù)據(jù),平均電流

8、 0.022毫安,普通5號電池可以工作5年 實(shí)測,1F電容工作10小時 補(bǔ)充測試結(jié)果,關(guān)鍵技術(shù)3: 能量收集技術(shù),不使用電池，免維護(hù) 利用壓電效應(yīng)，收集拉桿動作時產(chǎn)生的變形積累的電荷，轉(zhuǎn)換為電能 震動微弱能量的收集存儲管理， 重慶大學(xué)重大專項(xiàng)支持項(xiàng)目，使用我們的無線傳感器和重慶大學(xué)研發(fā)的震動微型發(fā)電機(jī)，在船上可靠的工作了小時（見測試報告），該項(xiàng)目2007年月已通過專家驗(yàn)收,關(guān)鍵技術(shù)4: 時間同步（一）,時間不同步原因: 晶振偏差:550ppm，1S偏差550us 時延誤差 : 協(xié)議發(fā)送時延:從網(wǎng)絡(luò)層到鏈路層的發(fā)送時延,受操作系統(tǒng)和當(dāng)前的處理器負(fù)載影響,高度不確定,時延可高達(dá)幾百毫秒 接入時延:

9、鏈路層協(xié)議等待信道空閑的時間,受網(wǎng)絡(luò)中流量影響很大 發(fā)送時延:物理層發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間,受包長和物理層發(fā)送速度影響,比較確定 傳播時延:數(shù)據(jù)在鏈路上傳輸?shù)臅r延,比較確定,可忽略 接收時延:物理層接收數(shù)據(jù)包所花費(fèi)的時間,與發(fā)送時延有重疊 接收處理時延:節(jié)點(diǎn)處理收到的數(shù)據(jù)包,并通知相應(yīng)程序所花費(fèi)的時間,不確定性和協(xié)議發(fā)送時延類似,關(guān)鍵技術(shù)4 : 時間同步（二）,效果:算法開銷小,不使用復(fù)雜的浮點(diǎn)運(yùn)算.100微秒以內(nèi)的同步誤差(6跳),關(guān)鍵技術(shù)5 : 數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn),專業(yè)的采集電路設(shè)計(jì)，目前我們熟練掌握的技術(shù)-24位A/D能做到100dB以上(聲納信號處理如此要求) 傳感器到A/D采集器距離很短，基本上

10、可以消除傳輸產(chǎn)生的噪聲，消除了長電纜本身及通過電纜引入噪聲干擾可能 數(shù)字濾波算法，最大限度保證測試信號的精準(zhǔn) 可以嵌入應(yīng)用算法，即DSP技術(shù)，在本地完成信號的處理,關(guān)鍵技術(shù)6: 可靠性設(shè)計(jì),它的設(shè)計(jì)目標(biāo)不是實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品，也不是用來研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的平臺 可靠的軍用品質(zhì)產(chǎn)品 硬件的可靠性設(shè)計(jì)外殼，結(jié)構(gòu)，選用元器件,關(guān)鍵技術(shù)7: 數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，DSSS 1BIT的有效位用8位來表示,極高的抗干擾能力,糾錯能力 IES128加密 16信道，信道監(jiān)聽,自動選擇切換 網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng) 自組織,自恢復(fù) 內(nèi)置存儲器，一邊傳輸，一邊記錄,關(guān)鍵技術(shù)8: 試驗(yàn)測試保證,溫度，振動，環(huán)境可靠性實(shí)

11、驗(yàn) 詳細(xì)分類的單項(xiàng)性能測試 配套的計(jì)量檢測手段: 2.7G頻譜分析儀; 加速傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng); 高精度應(yīng)變校準(zhǔn)儀;,關(guān)鍵技術(shù)9：成熟性,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（已經(jīng)用于橋梁監(jiān)測） 低功耗設(shè)計(jì),管理（實(shí)測，實(shí)用） 能量收集技術(shù) 重慶大學(xué)重大專項(xiàng)支持項(xiàng)目，使用我們的無線傳感器和重慶大學(xué)研發(fā)的微型發(fā)電機(jī)，在船上可靠的工作了小時（見測試報告），該項(xiàng)目2007年年月以通過專家驗(yàn)收。 時間同步（實(shí)際測試，實(shí)用） 疲勞估計(jì)算法（成熟算法，嵌入微處理器） 數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性（已經(jīng)通過國防一級計(jì)量站計(jì)量，實(shí)用） 節(jié)點(diǎn)內(nèi)部程序無線升級（已經(jīng)完成） 可靠性設(shè)計(jì)（已經(jīng)按軍用電子產(chǎn)品通過系列可靠性實(shí)驗(yàn)）,旋轉(zhuǎn)部件無線監(jiān)測供電核

12、心部件感應(yīng)環(huán)半成品實(shí)物全圖,動環(huán)，靜環(huán)直徑尺寸根據(jù)軸徑變化，寬度一般與無線節(jié)點(diǎn)尺寸匹配，可特制,成品顏色有白,黑等幾種 輸入電壓220V交流 輸出6-10VDC，0.1A,旋轉(zhuǎn)部件無線監(jiān)測供電核心部件感應(yīng)供電環(huán)安裝示意圖,外環(huán)需要外部支撐固定 內(nèi)環(huán)與外環(huán)單邊間隙至少保證5-10mm，甚至更大距離 最好做防塵等外部及內(nèi)部灌膠固化處理,部分節(jié)點(diǎn)的技術(shù)參數(shù)介紹無線扭矩節(jié)點(diǎn)基本參數(shù),四分之一量程范圍15000 ，全橋量程3000 ，具體扭矩量程需要看匹配軸的相關(guān)參數(shù)，基本可保證只要軸不扭斷既可測量。 輸入自動切換：120-1000四分之一橋，半橋，全橋平衡范圍100 A/D分辨率：16 bits 頻率

13、響應(yīng)：(-3dB)40Hz，新一代產(chǎn)品將達(dá)到500Hz 分辨率：0.5 測量精度：0.1 red 2 穩(wěn)定性 ：0.052/4h 信號無線傳輸距離 ：100米（可視） ，可增強(qiáng) 無線信號傳輸?shù)念l帶 ：2.4GHz 數(shù)字通訊技術(shù) ，不易受手機(jī)通訊和廣播干擾 抗離心加速度能力 ：5000g ，可訂制10000g產(chǎn)品 輸出信號類型 ：數(shù)字信號 不再需要其他采集系統(tǒng)配合 可同時測量轉(zhuǎn)速 抗溫能力 ：-40到85 功耗相當(dāng)?shù)牡?，甚至遠(yuǎn)小于國外同類產(chǎn)品 可以做到防水，防塵等要求,無線溫度傳感器節(jié)點(diǎn)基本參數(shù),量程范圍：-2001820(主要由溫度傳感器自身決定) 支持溫度傳感器類型：J, R, S, T,

14、E, N類型的熱電偶及四種熱電阻Pt100，Cu100，Pt10，Cu50 輸入分辨率：0.1 通道數(shù)：獨(dú)立4通道 測量精度：取決于匹配的溫度傳感器精度 最高采樣頻率： 10 sps(Hz) 節(jié)點(diǎn)間同步精度：1 mS(必創(chuàng)專利算法) 采集方式：連續(xù)采集，周期采集，觸發(fā)采集 數(shù)據(jù)存儲器容量：1GB Flash 最多存儲文件數(shù)量：999 數(shù)據(jù)下載速率：0.47MB/S 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：IEEE802.15.4 無線射頻頻率：2.4G DSSS 支持節(jié)點(diǎn)數(shù)：65535 支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：點(diǎn)對點(diǎn)，星型，線型，樹型 通訊距離： 100米可視距離；EX版本可達(dá)1000米；,扭矩?zé)o線測試及監(jiān)測案例感應(yīng)供電案例-機(jī)

15、械傳動扭矩輸出監(jiān)測,根據(jù)客戶現(xiàn)場特殊要求，特制的超窄感應(yīng)供電環(huán) 根據(jù)現(xiàn)場油污比較嚴(yán)重，環(huán)境惡劣，對內(nèi)嵌無線扭矩節(jié)點(diǎn)的感應(yīng)環(huán)及應(yīng)變片進(jìn)行了相應(yīng)的防塵，防水，防油污處理 現(xiàn)場采用外部220V交流供電，接收裝置距離感應(yīng)環(huán)大約40米 進(jìn)行了半年的可靠性試運(yùn)行，監(jiān)測數(shù)據(jù)證明產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性非常好。已經(jīng)投入連續(xù)正式運(yùn)行。無故障報告。,感應(yīng)供電案例-鋼廠傳動軸扭矩輸出監(jiān)測,根據(jù)客戶環(huán)境限制，對感應(yīng)環(huán)的靜環(huán)的尺寸進(jìn)行了必要控制 為使用客戶長期監(jiān)測的需要，為保證可靠性，選用進(jìn)口的四花應(yīng)變片（VISHAY） 原有安裝位置離應(yīng)變片粘貼位置較遠(yuǎn)，應(yīng)變片引線較長，為避免引線擺動干擾，對感應(yīng)環(huán)原有安裝位置進(jìn)行了調(diào)整，

16、縮減了引線的長度 進(jìn)入為期半年的試運(yùn)行，目前無故障報告,電池供電用戶案例-注水泵扭矩測量,為了節(jié)能減排，需要測量注水泵功率以檢測電機(jī)能耗是否達(dá)標(biāo)； 一次測量8臺泵，提高效率； 用戶進(jìn)行了詳細(xì)的靜態(tài)標(biāo)定以及和電機(jī)試驗(yàn)臺有線扭矩傳感器比對，性能優(yōu)于國外同類產(chǎn)品； 傳輸距離和抗干擾能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于國外產(chǎn)品。,電池供電用戶案例-風(fēng)力發(fā)電機(jī)制動器扭矩研究,模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)制動，扭矩非常大，基本無法使用有線產(chǎn)品 獲取制動器制動扭矩變化情況，評估制動效果 靜態(tài)標(biāo)定與0.05%的電子秤結(jié)果對比完全一致（一個砝碼5噸） 得到用戶的認(rèn)可和好評,電池供電用戶案例-風(fēng)力發(fā)電機(jī)沖擊扭矩測量,為了研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于無功造成的

17、扭矩沖擊。,電池供電用戶案例-閘門卷揚(yáng)機(jī)扭矩測量,閘門卷揚(yáng)機(jī)扭矩測量,電池供電用戶案例-車輛傳動軸扭矩測量,6000轉(zhuǎn)高速旋轉(zhuǎn)的傳動軸扭矩測量 進(jìn)行了8個小時的路試測量 與理論計(jì)算結(jié)果吻合,電池供電用戶案例-油田鉆桿扭矩研究,疲勞壽命研究； 持續(xù)工作了2個星期-使用特殊的高容量電池,壓電晶體電荷效應(yīng)供電用戶軍品案例-直升機(jī)葉片動平衡,用在直升機(jī)葉片動平衡實(shí)驗(yàn)臺 與法國的動平衡系統(tǒng)做過對比試驗(yàn)； 長期暴露于哈爾濱惡劣低溫環(huán)境 小拉桿疲勞監(jiān)測系統(tǒng)項(xiàng)目的開始,無線溫度傳感器旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)用實(shí)例,暫時無此方面的圖片，電池供電方面，在東風(fēng)商用車研發(fā)中心，用于發(fā)動機(jī)臺架上，傳動軸轉(zhuǎn)動中，離合器離合過程的溫度測量

18、 暫時無感應(yīng)供電與無線傳感器匹配使用的案例，但技術(shù)上無任何障礙,扭矩測量原理,由材料力學(xué)知，當(dāng)受扭矩作用時，軸表面有最大剪應(yīng)力max。軸表面的單元體為純剪應(yīng)力狀態(tài)，在與軸線成45度的方向上有最大正應(yīng)力1和2，其值為1=2=max。相應(yīng)的變形為1和2，當(dāng)測得應(yīng)變后，便可算出max及扭矩（可以使用BeeData自帶的應(yīng)變扭矩計(jì)算工具，直接計(jì)算出扭矩值）。測量時應(yīng)變片沿與軸線成45的方向粘貼（可以使用扭矩測量45度角專用應(yīng)變片）。 由于采用無線傳輸技術(shù)，測量節(jié)點(diǎn)跟隨軸旋轉(zhuǎn)，不再需要拆軸安裝扭矩傳感器。 基本的測量原理和有線扭矩傳感器一樣。只不過現(xiàn)場粘貼應(yīng)變片。,扭矩測量原理-應(yīng)變片,應(yīng)變片的粘貼時測量準(zhǔn)確的關(guān)鍵 可以使用必創(chuàng)定制的帶輸出線應(yīng)變片，現(xiàn)場不需要焊接 如果環(huán)境惡劣，需要考慮使用防護(hù)膠,測量原理-組橋方式,上下半橋，一定程度抵消彎曲影響,扭矩測量原理理論公式,應(yīng)變扭矩轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算公式： Kn=(PAIE1000(D4-d