基于加速度傳感器的斷路器振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種斷路器振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測方法，具體涉及一種基于加速度傳感器的斷路器振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測方法。該系統(tǒng)包括諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器、閱讀器、半導(dǎo)體溫度傳感器、開關(guān)量狀態(tài)傳感器和上位機(jī)；加速度傳感器安裝于斷路器關(guān)鍵部件的振動(dòng)源附近；閱讀器安裝在距離所述加速度傳感器2m以內(nèi)的位置；半導(dǎo)體溫度傳感器安裝于閱讀器表面；開關(guān)量狀態(tài)傳感器安裝于斷路器上；閱讀器通過串口和以太網(wǎng)接口與所述上位機(jī)通信。本發(fā)明采用無線無源聲表面波加速度傳感器測量斷路器的振動(dòng)信號(hào)，以無線方式傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，并利用半導(dǎo)體溫度傳感器實(shí)現(xiàn)加速度傳感器的溫度補(bǔ)償；加速度傳感器具有純無源、免維護(hù)、安裝方便、安全性高的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】基于加速度傳感器的斷路器振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種斷路器振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測方法，具體涉及一種基于加速度傳感器的斷路器振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高壓斷路器作為電力系統(tǒng)中發(fā)、輸、配電環(huán)節(jié)中的最為重要的設(shè)備，它運(yùn)行的可靠性對(duì)于確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。根據(jù)CIGRE與中國電科院的調(diào)研結(jié)果，機(jī)械故障占開關(guān)設(shè)備故障的近37%，因此對(duì)開關(guān)設(shè)備進(jìn)行機(jī)械故障監(jiān)測顯得極為必要。斷路器機(jī)械狀態(tài)在線監(jiān)測所獲得的各類信號(hào)里，振動(dòng)信號(hào)所反映的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的信息量最大，近年來很多學(xué)者都在從事從斷路器動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)中提取出有用特征信息的研究，并將其用作斷路器機(jī)械故障診斷數(shù)據(jù)樣本的來源。斷路器機(jī)械狀態(tài)的改變導(dǎo)致振動(dòng)信號(hào)的相應(yīng)變化，尤其是分、合閘操作時(shí)，機(jī)構(gòu)會(huì)強(qiáng)烈振動(dòng)，這是利用振動(dòng)信號(hào)作為故障診斷依據(jù)的理論基礎(chǔ)。另外，振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測方法是非侵入式的測量方法，不改變高壓斷路器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不影響設(shè)備的正常運(yùn)行。
[0003]振動(dòng)信號(hào)是一系列加速度信號(hào)的疊加，所以，利用加速度傳感器便可以測量斷路器的振動(dòng)信號(hào)。目前，常用的加速度傳感器有壓電式、壓阻式、磁電式幾種。壓阻式加速度傳感器具有頻率響應(yīng)特性好、測量方法易行、線性度好等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是溫度效應(yīng)嚴(yán)重、靈敏度低。壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡單、牢固、體積小、重量輕，加速度測量范圍廣、具有較強(qiáng)的抗外磁場干擾能力，但它只適合測量高頻變化量，且對(duì)后續(xù)的信號(hào)調(diào)理電路要求較高。上述兩種加速度傳感器均采用有線方式與后續(xù)處理電路相連，在現(xiàn)場應(yīng)用中(尤其是開關(guān)設(shè)備動(dòng)作時(shí))信號(hào)傳輸線會(huì)受到外界電磁干擾，影響測量精度。
[0004]無線無源聲表面波加速度傳感器采用無線通信方式傳輸測量信息，絕緣性好，不存在供電的安全隱患及更換電池的問題，無需后期的工程維護(hù)。同時(shí)傳感器的諧振頻率隨溫度漂移的線性度比較好，容易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。此外，無源聲表面波加速度傳感器實(shí)現(xiàn)了固態(tài)化，直接輸出頻率信號(hào)，精度高，靈敏度高，特別是它采用了半導(dǎo)體平面工藝制作，便于批量生產(chǎn)，可靠性、一致性很好，因此，它代表了加速度傳感器的發(fā)展方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于加速度傳感器的斷路器振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，另一目的是提供一種基于加速度傳感器的斷路器振動(dòng)監(jiān)測方法，本發(fā)明以無線無源聲表面波傳感測量技術(shù)為核心，利用閱讀器采集安裝在斷路器多個(gè)位置的諧振式無源聲表面波加速度傳感器輸出的無線信號(hào)，通過計(jì)算分析得到斷路器的振動(dòng)信息。所用的加速度傳感器具有純無源、免維護(hù)、安全可靠、便于安裝等特點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明提供一種基于加速度傳感器的斷路器振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其改進(jìn)之處在于，所述系統(tǒng)包括加速度傳感器、斷路器、閱讀器、開關(guān)量狀態(tài)傳感器、半導(dǎo)體溫度傳感器和上位機(jī)；所述加速度傳感器安裝在斷路器振動(dòng)源外表面；所述閱讀器安裝在距離加速度傳感器2m以內(nèi)的位置；半導(dǎo)體溫度傳感器安裝在閱讀器表面；所述開關(guān)量狀態(tài)傳感器安裝在斷路器上；所述閱讀器通過串口和以太網(wǎng)接口與所述上位機(jī)通信；
[0008]所述閱讀器的微控制器采用STM32F407芯片、射頻收發(fā)器采用XE1203F芯片以及單刀雙擲射頻開關(guān)采用AS177芯片；所述半導(dǎo)體溫度傳感器采用DS18B20芯片。
[0009]進(jìn)一步地，所述加速度傳感器為諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器，斷路器的振動(dòng)源包括滅弧室外的絕緣套筒的垂直方向、操動(dòng)機(jī)構(gòu)垂直方向和彈簧機(jī)構(gòu)的緩沖器；所述諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器包括懸臂梁、聲表面波諧振器、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和天線，所述聲表面波諧振器鑲嵌在懸臂梁的梁臂上；其中聲表面波諧振器包括基底、設(shè)置在基底上的叉指換能器IDT及叉指換能器IDT兩側(cè)的反射柵；
[0010]所述基底的材料選用石英晶體；懸臂梁為矩形截面，在其末端設(shè)置有質(zhì)量塊；所述叉指換能器IDT相連的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和天線實(shí)現(xiàn)聲表面波與電磁波的轉(zhuǎn)換；在叉指換能器IDT兩側(cè)排列著反射柵陣列，形成聲學(xué)諧振腔，即聲表面波諧振器。
[0011]進(jìn)一步地，所述閱讀器通過無線方式獲取諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器發(fā)射的射頻信號(hào)，閱讀器的上行通信接口將采集到的振動(dòng)信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)；
[0012]所述閱讀器包括天線、單刀雙擲射頻開關(guān)、射頻收發(fā)器、微控制器、上行通信接口和開關(guān)量輸入接口；
[0013]所述天線、單刀雙擲射頻開關(guān)、射頻收發(fā)器和微控制器依次連接；
[0014]所述開關(guān)量輸入接口與微控制器連接；
[0015]所述上行通信接口與所述微控制器連接。
[0016]進(jìn)一步地，所述射頻收發(fā)器的無線發(fā)送、接收端口均通過單刀雙擲射頻開關(guān)與天線連接；
[0017]所述射頻收發(fā)器內(nèi)部集成可調(diào)步長500Hz的頻率合成器、低通濾波器、功率放大器、壓控振蕩器和低噪聲放大器，用于接收微控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)并發(fā)射頻率可調(diào)的射頻信號(hào)；接收諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器的回波信號(hào)并解調(diào)為基帶信號(hào)，輸出給微控制器內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器。
[0018]進(jìn)一步地，所述上行通信接口包括RS232串口和以太網(wǎng)接口 ；所述RS232串口用于閱讀器功能的調(diào)試；所述以太網(wǎng)接口用于傳輸閱讀器采集的加速度信號(hào)和環(huán)境溫度信息。
[0019]進(jìn)一步地，所述單刀雙擲射頻開關(guān)用于切換天線與射頻收發(fā)器之間的無線發(fā)射與接收鏈路，由微控制器的通用I/o進(jìn)行控制。
[0020]進(jìn)一步地，所述開關(guān)量輸入接口由輸入濾波電路和光耦隔離電路構(gòu)成，用于將開關(guān)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字電平信號(hào)并輸出至微控制器的通用I/o。
[0021]進(jìn)一步地，所述微控制器作為閱讀器的核心芯片，其內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換器、通用異步收發(fā)傳輸器UART、以太網(wǎng)MAC、SPI接口、通用I/O和中斷控制器片上外設(shè)；
[0022]所述微控制器通過SPI接口配置射頻收發(fā)器的內(nèi)部寄存器和無線發(fā)射頻率值，通過通用I/o設(shè)置微控制器的發(fā)送和接收模式；當(dāng)接收到射頻收發(fā)器輸出的模擬信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器；
[0023]所述微控制器通過通用異步收發(fā)傳輸器UART連接RS232收發(fā)器構(gòu)成RS232串口 ；所述微控制器通過以太網(wǎng)MAC連接以太網(wǎng)收發(fā)器構(gòu)成以太網(wǎng)接口。[0024]進(jìn)一步地，所述半導(dǎo)體溫度傳感器用于采集環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，并將環(huán)境溫度數(shù)據(jù)傳輸給閱讀器，半導(dǎo)體溫度傳感器的電源由閱讀器內(nèi)部電路提供；所述半導(dǎo)體溫度傳感器通過數(shù)據(jù)線連接到微控制器的通用I/o。
[0025]進(jìn)一步地，所述開關(guān)量狀態(tài)傳感器用于將斷路器的分、合閘狀態(tài)轉(zhuǎn)換為干結(jié)點(diǎn)信號(hào)傳輸給閱讀器的開關(guān)量輸入接口；
[0026]所述上位機(jī)接收閱讀器上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過處理振動(dòng)信息對(duì)斷路器進(jìn)行機(jī)械性能分析和故障診斷。
[0027]本發(fā)明基于另一目的提供的一種基于加速度傳感器的斷路器振動(dòng)監(jiān)測方法，其改進(jìn)之處在于，所述方法包括下述步驟:
[0028](I)在斷路器振動(dòng)源的多個(gè)位置安裝諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器，在距離傳感器諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器2m內(nèi)安裝閱讀器；
[0029](2)閱讀器向諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器發(fā)射射頻信號(hào)，諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器中的叉指換能器接收到射頻信號(hào)后將其轉(zhuǎn)換為聲表面波并在石英晶體的基底上形成諧振，最后經(jīng)過叉指換能器轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)輸出；
[0030](3)閱讀器以掃頻方式向諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器發(fā)射射頻信號(hào)，射頻信號(hào)的頻率范圍為428MHz?438MHz ；
[0031](4)閱讀器中的微控制器通過SPI接口向射頻收發(fā)器寫入頻率值，調(diào)節(jié)其發(fā)射的射頻信號(hào)頻率；發(fā)射過程結(jié)束后，微控制器通過通用I/o切換單刀雙擲射頻開關(guān)，同時(shí)將射頻收發(fā)器設(shè)置為接收模式；
[0032]射頻收發(fā)器接收到信號(hào)后，向微控制器的A/D轉(zhuǎn)換器輸出經(jīng)過零中頻解調(diào)后的基帶信號(hào)，同時(shí)輸出中斷信號(hào)IRQ ;微控制器響應(yīng)中斷后進(jìn)行模擬信號(hào)采集、A/D轉(zhuǎn)換并計(jì)算加速度值，讀取射頻收發(fā)器提供的接收信號(hào)強(qiáng)度指示值RSSI，判斷諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器是否在信號(hào)強(qiáng)度大于_15dBm時(shí)的有效范圍內(nèi)，剔除無效背景噪聲；
[0033](5)閱讀器米集半導(dǎo)體溫度傳感器輸出的環(huán)境溫度信號(hào)，結(jié)合存儲(chǔ)在微控制器中的溫度-加速度標(biāo)定數(shù)據(jù)表(該數(shù)據(jù)表是在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)過溫度影響試驗(yàn)得出)，對(duì)計(jì)算的加速值進(jìn)行插值修正，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償；
[0034](6)閱讀器通過開關(guān)量輸入接口采集斷路器分、合閘信號(hào)，并將其作為觸發(fā)信號(hào)，輔助上位機(jī)的數(shù)據(jù)分析；
[0035](7)上位機(jī)接收閱讀器上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對(duì)斷路器進(jìn)行診斷分析；根據(jù)上位機(jī)顯示的不同位置的分合閘振動(dòng)信號(hào)的波形，監(jiān)控人員通過對(duì)比分析挑選出最能反映斷路器分合閘動(dòng)作過程的波形，并確定諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器的最佳安裝位置。
[0036]進(jìn)一步地，所述步驟(I)中，諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器無需外接電源或電池維持工作，與閱讀器之間采用無線方式通信；
[0037]所述步驟(2)中，當(dāng)斷路器發(fā)生振動(dòng)時(shí)，諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器中的石英晶體的基底受到拉升或壓縮，改變聲表面波的諧振頻率；閱讀器通過檢測回波信號(hào)的諧振頻率獲取加速度值；
[0038]所述步驟(3)中，每個(gè)諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器具有獨(dú)立的諧振頻率范圍，因此閱讀器對(duì)多個(gè)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行區(qū)分。
[0039]與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明達(dá)到的有益效果是:[0040]1.斷路器振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中的加速度傳感器為無源傳感器，避免了鋪設(shè)電源線或定期更換電池的工作量，具有免維護(hù)、安裝方便、體積小、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)；
[0041]2.本發(fā)明所述振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)能夠同時(shí)監(jiān)測多路振動(dòng)信號(hào)，并利用斷路器分、合閘信號(hào)進(jìn)行輔助分析計(jì)算；
[0042]3.閱讀器中采用了具有頻率綜合、濾波、零中頻解調(diào)、功率放大、時(shí)鐘管理、信號(hào)強(qiáng)度指示等功能的集成型射頻收發(fā)芯片，在簡化電路設(shè)計(jì)的同時(shí)提高了系統(tǒng)可靠性；
[0043]4.本發(fā)明所述振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)利用溫度傳感器輸出的環(huán)境溫度信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)所測量加速度值的溫度補(bǔ)償，提高了測量精度；
[0044]5.加速度傳感器與閱讀器之間采用無線方式傳輸數(shù)據(jù)，免去了額外的通信線纜，同時(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)抗電磁干擾能力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0045]圖1是本發(fā)明提供的基于無源聲表面波傳感器的斷路器振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)示意圖；
[0046]圖2是本發(fā)明提供的無源聲表面波加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖；
[0047]圖3是本發(fā)明提供的無源聲表面波加速度傳感器的聲表面波諧振器結(jié)構(gòu)原理圖；
[0048]圖4是本發(fā)明提供的閱讀器結(jié)構(gòu)原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0049]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0050]本發(fā)明采用多個(gè)諧振型無線無源聲表面波加速度傳感監(jiān)測斷路器振動(dòng)信號(hào)，利用閱讀器以掃頻方式向傳感器發(fā)射射頻信號(hào)，并接收傳感器反饋的回波信號(hào)，通過計(jì)算回波信號(hào)的諧振頻率得出加速度的值；利用溫度傳感器測量環(huán)境溫度，對(duì)加速度傳感器的測量值進(jìn)行溫度補(bǔ)償，同時(shí)通過監(jiān)測斷路器的分、合閘狀態(tài)輔助分析斷路器的振動(dòng)信息及機(jī)械狀態(tài)。本發(fā)明提供的基于無源聲表面波傳感器的斷路器振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)示意圖如圖1所示。
[0051]1.基于無源聲表面波傳感器的斷路器振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)由諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器、閱讀器、開關(guān)量狀態(tài)傳感器、半導(dǎo)體溫度傳感器和上位機(jī)構(gòu)成，如附圖1所示。其中，加速度傳感器安裝在斷路器關(guān)鍵部件(故障率高、重要性高)的振動(dòng)源附近，包括滅弧室外的絕緣套筒(垂直方向)、操動(dòng)機(jī)構(gòu)(垂直方向)和彈簧機(jī)構(gòu)的緩沖器附近；閱讀器安裝在距離加速度傳感器附近2m以內(nèi)的位置，通過無線方式獲取傳感器的測量數(shù)據(jù)，同時(shí)上行通信接口將采集到的振動(dòng)信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)；半導(dǎo)體溫度傳感器安裝在閱讀器表面，采集環(huán)境溫度，并將數(shù)據(jù)傳輸給閱讀器；開關(guān)量狀態(tài)傳感器安裝在斷路器上，將斷路器分、合閘狀態(tài)傳給閱讀器。無源聲表面波加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。
[0052]2.無源聲表面波加速度傳感器無需電池或有線電纜提供電源，與所述閱讀器之間通過無線方式通信；所述閱讀器通過掃頻方式發(fā)射射頻信號(hào)訪問多個(gè)加速度傳感器，通過檢測回波信號(hào)諧振頻率來計(jì)算加速度值。
[0053]無源聲表面波加速度傳感器采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，包括懸臂梁、聲表面波諧振器、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和天線，其中聲表面波諧振器包括基底、設(shè)置在基底上的叉指換能器及叉指換能器兩側(cè)的反射柵。
[0054]基底材料選用石英晶體；懸臂梁為矩形截面，末端附有質(zhì)量塊。石英基底上具有一個(gè)叉指換能器(IDT)，結(jié)合與其相連的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、天線實(shí)現(xiàn)聲表面波與電磁波的轉(zhuǎn)換。在IDT兩側(cè)排列著反射柵陣列，形成一個(gè)聲學(xué)諧振腔，即聲表面波諧振器(SurfaceAcoustic Wave Resonator,簡稱SAWR)。無源聲表面波加速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。
[0055]3.閱讀器用于向無源聲表面波加速器傳感器發(fā)射射頻信號(hào)，并接收其回波信號(hào)，由微控制器(STM32F407)、射頻收發(fā)器(XE1203F)、單刀雙擲射頻開關(guān)(AS177)、天線、上行通信接口、開關(guān)量輸入接口構(gòu)成，所述天線、單刀雙擲射頻開關(guān)、射頻收發(fā)器和微控制器依次連接；所述開關(guān)量輸入接口與微控制器連接；所述上行通信接口與所述微控制器連接。其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
[0056](I)射頻收發(fā)器內(nèi)部集成可調(diào)的頻率合成器(步長500Hz)、低通濾波器、功率放大器、壓控振蕩器、低噪聲放大器等功能模塊，可接收微控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)并發(fā)射頻率可調(diào)的射頻信號(hào)；接收加速度傳感器的回波信號(hào)并解調(diào)為基帶信號(hào)(I，Q)，輸出給微控制器內(nèi)部集成的ADC。射頻收發(fā)器的無線發(fā)送、接收端口通過單刀雙擲射頻開關(guān)連接天線。
[0057](2)上行通信接口包括RS232串口和以太網(wǎng)接口。微控制器通過通用異步收發(fā)傳輸器UART連接RS232收發(fā)器構(gòu)成RS232串口 ；微控制器通過以太網(wǎng)MAC連接以太網(wǎng)收發(fā)器構(gòu)成以太網(wǎng)接口。其中RS232串口用于閱讀器功能的調(diào)試；以太網(wǎng)接口用于傳輸閱讀器采集的加速度信號(hào)、環(huán)境溫度信息等。
[0058](3)單刀雙擲射頻開關(guān)用于切換天線與射頻收發(fā)器之間的無線發(fā)射與接收鏈路，由微控制器的通用I/o進(jìn)行控制。
[0059](4)開關(guān)量輸入接口由輸入濾波電路(采用濾波器)、光耦隔離電路構(gòu)成，將開關(guān)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字電平信號(hào)輸出給微控制器的通用I/o。
[0060](5)微控制器為閱讀器的核心芯片，其內(nèi)部集成ADC、UART、以太網(wǎng)MAC、SPI接口、通用I/o、中斷控制器等片上外設(shè)。微控制器通過SPI接口配置射頻收發(fā)器的內(nèi)部寄存器、無線發(fā)射頻率值等，通過通用I/o設(shè)置其發(fā)送、接收模式；當(dāng)接收到射頻收發(fā)器輸出的模擬信號(hào)時(shí)，便啟動(dòng)A/d轉(zhuǎn)換。微控制器通過內(nèi)部集成的UART、以太網(wǎng)MAC分別連接RS232收發(fā)器和以太網(wǎng)收發(fā)器構(gòu)成串口、以太網(wǎng)接口。
[0061]4.半導(dǎo)體溫度傳感器采用DS18B20芯片，用于采集環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，并將環(huán)境溫度數(shù)據(jù)傳輸給閱讀器，半導(dǎo)體溫度傳感器的電源由閱讀器內(nèi)部電路提供；所述半導(dǎo)體溫度傳感器通過數(shù)據(jù)線連接到微控制器的通用I/o。
[0062]5.開關(guān)量狀態(tài)傳感器可將斷路器的分、合閘狀態(tài)轉(zhuǎn)換為干結(jié)點(diǎn)信號(hào)傳輸給閱讀器的開關(guān)量輸入接口。
[0063]6.上位機(jī)接收閱讀器上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過處理振動(dòng)信息對(duì)斷路器進(jìn)行機(jī)械性能分析、故障診斷。
[0064]本發(fā)明提供一種基于加速度傳感器的斷路器振動(dòng)監(jiān)測方法，包括下述步驟:
[0065](I)在斷路器的多個(gè)位置安裝諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器，在傳感器附近2m內(nèi)安裝閱讀器。傳感器無需外接電源或電池維持工作，與閱讀器之間采用無線方式通信。
[0066](2)閱讀器向諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器發(fā)射射頻信號(hào)，傳感器中的叉指換能器接收到射頻信號(hào)后將其轉(zhuǎn)換為聲表面波并在石英基底上形成諧振，最后又經(jīng)過叉指換能器轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)輸出。當(dāng)斷路器發(fā)生振動(dòng)時(shí)，傳感器中的石英材料的基底會(huì)受到拉升或壓縮，從而改變聲表面波的諧振頻率；閱讀器通過檢測回波信號(hào)的諧振頻率獲取加速度值。
[0067](3)閱讀器以掃頻方式向諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器發(fā)射射頻信號(hào)，射頻信號(hào)的頻率范圍為428MHz?438MHz，每個(gè)諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器具有獨(dú)立的諧振頻率范圍，因此閱讀器對(duì)多個(gè)諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行區(qū)分。
[0068](4)閱讀器中的微控制器通過SPI接口向射頻收發(fā)器寫入頻率值，從而調(diào)節(jié)其發(fā)射的射頻信號(hào)頻率；發(fā)射過程結(jié)束后，微控制器通過通用I/o切換射頻開關(guān)，同時(shí)將射頻收發(fā)器設(shè)置為接收模式；射頻收發(fā)器接收到信號(hào)后，便向微控制器的ADC輸出經(jīng)過零中頻解調(diào)后的基帶信號(hào)，同時(shí)輸出中斷信號(hào)(IRQ);微控制器響應(yīng)中斷后便進(jìn)行模擬信號(hào)采集、A/D轉(zhuǎn)換并計(jì)算加速度值，同時(shí)讀取射頻收發(fā)器提供的接收信號(hào)強(qiáng)度指示值(RSSI)，可判斷諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器是否在信號(hào)強(qiáng)度大于-15dBm時(shí)的有效范圍內(nèi)，以剔除無效背景噪聲。
[0069](5)閱讀器采集半導(dǎo)體溫度傳感器輸出的環(huán)境溫度信號(hào)，結(jié)合存儲(chǔ)在控制器中的溫度-加速度標(biāo)定數(shù)據(jù)表(該數(shù)據(jù)表是在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)過溫度影響試驗(yàn)得出)，對(duì)計(jì)算的加速值進(jìn)行插值修正，從而實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。
[0070](6)閱讀器通過開關(guān)量輸入接口采集斷路器分、合閘信號(hào)，并將其作為觸發(fā)信號(hào)，輔助上位機(jī)的數(shù)據(jù)分析。
[0071](7)上位機(jī)接收閱讀器上傳的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對(duì)斷路器進(jìn)行診斷分析。根據(jù)上位機(jī)顯示的不同位置的分合閘振動(dòng)信號(hào)的波形，監(jiān)控人員通過對(duì)比分析可挑選出最能反映斷路器分合閘動(dòng)作過程的波形，并確定諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器的最佳安裝位置。
[0072]最后應(yīng)當(dāng)說明的是:以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:依然可以對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種基于加速度傳感器的斷路器振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括加速度傳感器、斷路器、閱讀器、開關(guān)量狀態(tài)傳感器、半導(dǎo)體溫度傳感器和上位機(jī)；所述加速度傳感器安裝在斷路器振動(dòng)源外表面；所述閱讀器安裝在距離加速度傳感器2m以內(nèi)的位置；半導(dǎo)體溫度傳感器安裝在閱讀器表面；所述開關(guān)量狀態(tài)傳感器安裝在斷路器上；所述閱讀器通過串口和以太網(wǎng)接口與所述上位機(jī)通信； 所述閱讀器的微控制器采用STM32F407芯片、射頻收發(fā)器采用XE1203F芯片以及單刀雙擲射頻開關(guān)采用AS177芯片；所述半導(dǎo)體溫度傳感器采用DS18B20芯片。
2.如權(quán)利要求1所述的斷路器振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述加速度傳感器為諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器，斷路器的振動(dòng)源包括滅弧室外的絕緣套筒的垂直方向、操動(dòng)機(jī)構(gòu)垂直方向和彈簧機(jī)構(gòu)的緩沖器；所述諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器包括懸臂梁、聲表面波諧振器、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和天線，所述聲表面波諧振器鑲嵌在懸臂梁的梁臂上；其中聲表面波諧振器包括基底、設(shè)置在基底上的叉指換能器IDT及叉指換能器IDT兩側(cè)的反射柵； 所述基底的材料選用石英晶體；懸臂梁為矩形截面，在其末端設(shè)置有質(zhì)量塊；所述叉指換能器IDT相連的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和天線實(shí)現(xiàn)聲表面波與電磁波的轉(zhuǎn)換；在叉指換能器IDT兩側(cè)排列著反射柵陣列，形成聲學(xué)諧振腔，即聲表面波諧振器。
3.如權(quán)利要求1所述的斷路器振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述閱讀器通過無線方式獲取諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器發(fā)射的射頻信號(hào)，閱讀器的上行通信接口將采集到的振動(dòng)信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)； 所述閱讀器包括天線、單刀雙擲射頻開關(guān)、射頻收發(fā)器、微控制器、上行通信接口和開關(guān)量輸入接口； 所述天線、單刀雙擲射頻開關(guān)、射頻收發(fā)器和微控制器依次連接； 所述開關(guān)量輸入接口與微控制器連接； 所述上行通信接口與所述微控制器連接。
4.如權(quán)利要求3所述的斷路器振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述射頻收發(fā)器的無線發(fā)送、接收端口均通過單刀雙擲射頻開關(guān)與天線連接； 所述射頻收發(fā)器內(nèi)部集成可調(diào)步長500Hz的頻率合成器、低通濾波器、功率放大器、壓控振蕩器和低噪聲放大器，用于接收微控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)并發(fā)射頻率可調(diào)的射頻信號(hào)；接收諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器的回波信號(hào)并解調(diào)為基帶信號(hào)，輸出給微控制器內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器。
5.如權(quán)利要求3所述的斷路器振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述上行通信接口包括RS232串口和以太網(wǎng)接口 ；所述RS232串口用于閱讀器功能的調(diào)試；所述以太網(wǎng)接口用于傳輸閱讀器采集的加速度信號(hào)和環(huán)境溫度信息。
6.如權(quán)利要求3所述的斷路器振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述單刀雙擲射頻開關(guān)用于切換天線與射頻收發(fā)器之間的無線發(fā)射與接收鏈路，由微控制器的通用I/O進(jìn)行控制。
7.如權(quán)利要求3所述的斷路器振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述開關(guān)量輸入接口由輸入濾波電路和光耦隔離電路構(gòu)成，用于將開關(guān)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字電平信號(hào)并輸出至微控制器的通用I/O。
8.如權(quán)利要求3所述的斷路器振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述微控制器作為閱讀器的核心芯片，其內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換器、通用異步收發(fā)傳輸器UART、以太網(wǎng)MAC、SPI接口、通用I/O和中斷控制器片上外設(shè)； 所述微控制器通過SPI接口配置射頻收發(fā)器的內(nèi)部寄存器和無線發(fā)射頻率值，通過通用I/O設(shè)置微控制器的發(fā)送和接收模式；當(dāng)接收到射頻收發(fā)器輸出的模擬信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器； 所述微控制器通過通用異步收發(fā)傳輸器UART連接RS232收發(fā)器構(gòu)成RS232串口 ；所述微控制器通過以太網(wǎng)MAC連接以太網(wǎng)收發(fā)器構(gòu)成以太網(wǎng)接口。
9.如權(quán)利要求1所述的斷路器振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述半導(dǎo)體溫度傳感器用于采集環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，并將環(huán)境溫度數(shù)據(jù)傳輸給閱讀器，半導(dǎo)體溫度傳感器的電源由閱讀器內(nèi)部電路提供；所述半導(dǎo)體溫度傳感器通過數(shù)據(jù)線連接到微控制器的通用I/o。
10.如權(quán)利要求1所述的斷路器振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述開關(guān)量狀態(tài)傳感器用于將斷路器的分、合閘狀態(tài)轉(zhuǎn)換為干結(jié)點(diǎn)信號(hào)傳輸給閱讀器的開關(guān)量輸入接口 ； 所述上位機(jī)接收閱讀器上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過處理振動(dòng)信息對(duì)斷路器進(jìn)行機(jī)械性能分析和故障診斷。
11.一種基于加速度傳感器的斷路器振動(dòng)監(jiān)測方法，其特征在于，所述方法包括下述步驟: (1)在斷路器振動(dòng)源的多個(gè)位置安裝諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器，在距離傳感器諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器2m內(nèi)安裝閱讀器； (2)閱讀器向諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器發(fā)射射頻信號(hào)，諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器中的叉指換能器接收到射頻信號(hào)后將其轉(zhuǎn)換為聲表面波并在石英晶體的基底上形成諧振，最后經(jīng)過叉指換能器轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)輸出； (3)閱讀器以掃頻方式向諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器發(fā)射射頻信號(hào)，射頻信號(hào)的頻率范圍為428MHz~438MHz ； (4)閱讀器中的微控制器通過SPI接口向射頻收發(fā)器寫入頻率值，調(diào)節(jié)其發(fā)射的射頻信號(hào)頻率；發(fā)射過程結(jié)束后，微控制器通過通用I/O切換單刀雙擲射頻開關(guān)，同時(shí)將射頻收發(fā)器設(shè)置為接收模式； 射頻收發(fā)器接收到信號(hào)后，向微控制器的A/D轉(zhuǎn)換器輸出經(jīng)過零中頻解調(diào)后的基帶信號(hào)，同時(shí)輸出中斷信號(hào)IRQ ;微控制器響應(yīng)中斷后進(jìn)行模擬信號(hào)采集、A/D轉(zhuǎn)換并計(jì)算加速度值，讀取射頻收發(fā)器提供的接收信號(hào)強(qiáng)度指示值RSSI，判斷諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器是否在信號(hào)強(qiáng)度大于_15dBm時(shí)的有效范圍內(nèi)，剔除無效背景噪聲； (5)閱讀器采集半導(dǎo)體溫度傳感器輸出的環(huán)境溫度信號(hào)，結(jié)合存儲(chǔ)在微控制器中的溫度-加速度標(biāo)定數(shù)據(jù)表，對(duì)計(jì)算的加速值進(jìn)行插值修正，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償； (6)閱讀器通過開關(guān)量輸入接口采集斷路器分、合閘信號(hào)，并將其作為觸發(fā)信號(hào)，輔助上位機(jī)的數(shù)據(jù)分析； (7)上位機(jī)接收閱讀器上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對(duì)斷路器進(jìn)行診斷分析；根據(jù)上位機(jī)顯示的不同位置的分合閘振動(dòng)信號(hào)的波形，監(jiān)控人員通過對(duì)比分析挑選出最能反映斷路器分合閘動(dòng)作過程的波形，并確定諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器的最佳安裝位置。
12.如權(quán)利要求11所述的斷路器振動(dòng)監(jiān)測方法，其特征在于，所述步驟(1)中，諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器無需外接電源或電池維持工作，與閱讀器之間采用無線方式通信； 所述步驟(2)中，當(dāng)斷路器發(fā)生振動(dòng)時(shí)，諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器中的石英晶體的基底受到拉升或壓縮，改變聲表面波的諧振頻率；閱讀器通過檢測回波信號(hào)的諧振頻率獲取加速度值； 所述步驟(3)中，每個(gè)諧振型無線無源聲表面波加速度傳感器具有獨(dú)立的諧振頻率范圍，因此閱讀器對(duì)多個(gè)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行區(qū)分。
【文檔編號(hào)】G01H17/00GK103630233SQ201310698804
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】盛萬興, 孫軍平, 李玉凌, 李二霞, 史常凱, 姜建釗, 孫智濤, 樊勇華, 許保平, 周自強(qiáng), 徐曉華, 江明強(qiáng) 申請(qǐng)人:國家電網(wǎng)公司, 中國電力科學(xué)研究院, 國網(wǎng)浙江海寧市供電公司