基于感應供電的旋轉機械監(jiān)測系統(tǒng)

1、感應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)立于中關村，是北京市科委認證的高新技術企業(yè) 致力于無線傳感器網絡研發(fā)、生產和銷售 國內最早基于IEEE802.15.4/ZIGBEE通訊標準進行無線傳感器網絡研發(fā)、生產的企業(yè)之一 整合了無線通訊領域和傳感技術領域的專業(yè)資源 自主研發(fā)，擁有完全的知識產權 產品包括：無線傳感器節(jié)點、接收基站（網關）、網絡控制軟件和OEM射頻收發(fā)模塊等 低功耗工業(yè)監(jiān)測無線傳感器網絡已獲政府中小企業(yè)創(chuàng)新基金無償資助，目前累計額度已經達到300萬,提 綱,1.系統(tǒng)整體簡介 2.系統(tǒng)突出特點 3.無線

2、發(fā)射節(jié)點原理圖及系統(tǒng)拓撲圖 4.關鍵技術 5.無線監(jiān)測核心部件-感應供電環(huán) 6.部分節(jié)點技術參數(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、網關、網絡協(xié)議BEENET、計算機采集處理軟件BEEDATA 以及計算機或工控機組成,北京必創(chuàng)無線監(jiān)測系統(tǒng)突出特點（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關控制,無線網關一般直接與計算機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，應變，溫度，濕度，振動，轉速，電壓，電流等等常規(guī)測量信號的無線發(fā)射節(jié)點 可提供集成GPRS，CDMA功能的無線接收網關，可以實現(xiàn)利用互聯(lián)網直接控制監(jiān)

3、測整個測試系統(tǒng) 無線發(fā)射節(jié)點均可采用自主設計的防水盒形式，做到測試現(xiàn)場防塵，防水，防油等惡劣監(jiān)測現(xiàn)場要求，目前部分產品已經通過了國家防爆及本安認證 不再需要額外的常規(guī)采集系統(tǒng)，發(fā)射節(jié)點內部直接完成A/D采集工作，最大限度的避免外部干擾信號進入 整個系統(tǒng)自成一體，同時提供包括LabView，VC，VB在內的多種語言的動態(tài)連接庫，便于用戶進行二次開發(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（二）,提供的感應供電系統(tǒng)，在軸不轉動的情況下，也可以有效供電，感應距離遠，最大感應可達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，因為發(fā)射節(jié)點本身體積小巧，質量輕，使感應環(huán)等可以根據客戶要求，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及低功耗技術，使低功耗成為可能：一般發(fā)射節(jié)點最大工作電流也只有30mA，可以適用包括太陽能，振動發(fā)電在內的各種供電方式； 可靠，精確，穩(wěn)定：眾多用戶應用于不同環(huán)境，多年的市場應用積累，由于相當一部分產品面向軍工科研等特定客戶，以往客戶苛刻，嚴格的要求，造就了產品的高精度，高可靠性與穩(wěn)定性； 抗干擾能力強：數(shù)字信號傳輸，避免線纜或其他無線信號帶來的干擾，在包括風力發(fā)電機在內的大型電機上做過實際測試，抗干擾能力有可

5、靠試驗經驗保證。,無線傳感器網絡發(fā)射節(jié)點原理,原理框圖,無線傳感器網絡整體拓撲圖,關鍵技術,無線傳感器網絡技術 低功耗設計,管理 能量收集技術 時間同步 數(shù)據采集精準性 可靠性設計 數(shù)據傳輸?shù)目煽啃?試驗測試保證 成熟性 疲勞估計算法 節(jié)點內部程序無線升級,關鍵技術簡單介紹關鍵技術1 ：BeeNet無線傳感器網絡技術,無線傳感器網絡測試系統(tǒng)組成：無線傳感器節(jié)點、網關、BeeNet網絡協(xié)議（內嵌于傳感器節(jié)點及無線接收網關內部）、BeeData采集控制處理軟件組成； BeeNet無線傳感器網絡協(xié)議是必創(chuàng)科技公司基于802.15.4標準自主研發(fā)的無線傳感器網絡協(xié)議，擁有完全自主知識產權與申報專利 整

6、個系統(tǒng)可自主組成自組織、自恢復多跳傳感器測量網絡； 支持點對點，星型，線型，樹型等多種網絡拓撲結構 同一網絡可支持65535個傳感器節(jié)點； 創(chuàng)新的時間同步算法，同步精度可達1mS；,關鍵技術2: 低功耗設計（一）,系統(tǒng)的概念：整個傳感器網絡系統(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計 優(yōu)異的射頻電路設計+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 使用獨立定時電路喚醒低功耗策略 節(jié)點內部完成數(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 整個傳感器網絡的低功耗,關鍵技術2: 低功耗設計（二）,無線發(fā)射功耗計算公式： 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,關鍵技術2: 低功耗設計（三）,節(jié)點低功耗休眠技術 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,平均電流

8、 0.022毫安,普通5號電池可以工作5年 實測,1F電容工作10小時 補充測試結果,關鍵技術3: 能量收集技術,不使用電池，免維護 利用壓電效應，收集拉桿動作時產生的變形積累的電荷，轉換為電能 震動微弱能量的收集存儲管理， 重慶大學重大專項支持項目，使用我們的無線傳感器和重慶大學研發(fā)的震動微型發(fā)電機，在船上可靠的工作了小時（見測試報告），該項目2007年月已通過專家驗收,關鍵技術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:從網絡層到鏈路層的發(fā)送時延,受操作系統(tǒng)和當前的處理器負載影響,高度不確定,時延可高達幾百毫秒 接入時延:

9、鏈路層協(xié)議等待信道空閑的時間,受網絡中流量影響很大 發(fā)送時延:物理層發(fā)送數(shù)據包的時間,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)據包所花費的時間,與發(fā)送時延有重疊 接收處理時延:節(jié)點處理收到的數(shù)據包,并通知相應程序所花費的時間,不確定性和協(xié)議發(fā)送時延類似,關鍵技術4 : 時間同步（二）,效果:算法開銷小,不使用復雜的浮點運算.100微秒以內的同步誤差(6跳),關鍵技術5 : 數(shù)據采集精準,專業(yè)的采集電路設計，目前我們熟練掌握的技術-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 可以嵌入應用算法，即DSP技術，在本地完成信號的處理,關鍵技術6: 可靠性設計,它的設計目標不是實驗室產品，也不是用來研究無線傳感器網絡的平臺 可靠的軍用品質產品 硬件的可靠性設計外殼，結構，選用元器件,關鍵技術7: 數(shù)據傳輸?shù)目煽啃?無線數(shù)據傳輸?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 網絡自適應 自組織,自恢復 內置存儲器，一邊傳輸，一邊記錄,關鍵技術8: 試驗測試保證,溫度，振動，環(huán)境可靠性實

11、驗 詳細分類的單項性能測試 配套的計量檢測手段: 2.7G頻譜分析儀; 加速傳感器校準系統(tǒng); 高精度應變校準儀;,關鍵技術9：成熟性,無線傳感器網絡技術（已經用于橋梁監(jiān)測） 低功耗設計,管理（實測，實用） 能量收集技術 重慶大學重大專項支持項目，使用我們的無線傳感器和重慶大學研發(fā)的微型發(fā)電機，在船上可靠的工作了小時（見測試報告），該項目2007年年月以通過專家驗收。 時間同步（實際測試，實用） 疲勞估計算法（成熟算法，嵌入微處理器） 數(shù)據采集的精準性（已經通過國防一級計量站計量，實用） 節(jié)點內部程序無線升級（已經完成） 可靠性設計（已經按軍用電子產品通過系列可靠性實驗）,旋轉部件無線監(jiān)測供電核

12、心部件感應環(huán)半成品實物全圖,動環(huán)，靜環(huán)直徑尺寸根據軸徑變化，寬度一般與無線節(jié)點尺寸匹配，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,旋轉部件無線監(jiān)測供電核心部件感應供電環(huán)安裝示意圖,外環(huán)需要外部支撐固定 內環(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部灌膠固化處理,部分節(jié)點的技術參數(shù)介紹無線扭矩節(jié)點基本參數(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：(-3dB)40Hz，新一代產品將達到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 無線信號傳輸?shù)念l帶 ：2.4GHz 數(shù)字通訊技術 ，不易受手機通訊和廣播干擾 抗離心加速度能力 ：5000g ，可訂制10000g產品 輸出信號類型 ：數(shù)字信號 不再需要其他采集系統(tǒng)配合 可同時測量轉速 抗溫能力 ：-40到85 功耗相當?shù)牡?，甚至遠小于國外同類產品 可以做到防水，防塵等要求,無線溫度傳感器節(jié)點基本參數(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)據存儲器容量：1GB Flash 最多存儲文件數(shù)量：999 數(shù)據下載速率：0.47MB/S 網絡協(xié)議：IEEE802.15.4 無線射頻頻率：2.4G DSSS 支持節(jié)點數(shù)：65535 支持網絡拓撲結構：點對點，星型，線型，樹型 通訊距離： 100米可視距離；EX版本可達1000米；,扭矩無線測試及監(jiān)測案例感應供電案例-機

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

16、縮減了引線的長度 進入為期半年的試運行，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能耗是否達標； 一次測量8臺泵，提高效率； 用戶進行了詳細的靜態(tài)標定以及和電機試驗臺有線扭矩傳感器比對，性能優(yōu)于國外同類產品； 傳輸距離和抗干擾能力遠遠優(yōu)于國外產品。,電池供電用戶案例-風力發(fā)電機制動器扭矩研究,模擬風力發(fā)電機制動，扭矩非常大，基本無法使用有線產品 獲取制動器制動扭矩變化情況，評估制動效果 靜態(tài)標定與0.05%的電子秤結果對比完全一致（一個砝碼5噸） 得到用戶的認可和好評,電池供電用戶案例-風力發(fā)電機沖擊扭矩測量,為了研究風力發(fā)電機組由于無功造成的

17、扭矩沖擊。,電池供電用戶案例-閘門卷揚機扭矩測量,閘門卷揚機扭矩測量,電池供電用戶案例-車輛傳動軸扭矩測量,6000轉高速旋轉的傳動軸扭矩測量 進行了8個小時的路試測量 與理論計算結果吻合,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,壓電晶體電荷效應供電用戶軍品案例-直升機葉片動平衡,用在直升機葉片動平衡實驗臺 與法國的動平衡系統(tǒng)做過對比試驗； 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)項目的開始,無線溫度傳感器旋轉軸應用實例,暫時無此方面的圖片，電池供電方面，在東風商用車研發(fā)中心，用于發(fā)動機臺架上，傳動軸轉動中，離合器離合過程的溫度測量

18、 暫時無感應供電與無線傳感器匹配使用的案例，但技術上無任何障礙,扭矩測量原理,由材料力學知，當受扭矩作用時，軸表面有最大剪應力max。軸表面的單元體為純剪應力狀態(tài)，在與軸線成45度的方向上有最大正應力1和2，其值為1=2=max。相應的變形為1和2，當測得應變后，便可算出max及扭矩（可以使用BeeData自帶的應變扭矩計算工具，直接計算出扭矩值）。測量時應變片沿與軸線成45的方向粘貼（可以使用扭矩測量45度角專用應變片）。 由于采用無線傳輸技術，測量節(jié)點跟隨軸旋轉，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)場粘貼應變片。,扭矩測量原理-應變片,應變片的粘貼時測量準確的關鍵 可以使用必創(chuàng)定制的帶輸出線應變片，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,應變扭矩轉換系數(shù)計算公式： Kn=(PAIE1000(D4-d