专利名称：一种水轮发电机组无线振动监测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于监测技术领域，涉及一种水轮发电机组的监测装置，具 体涉及一种水轮发电机组无线振动监测装置。
背景技术：
目前，社会对电力的需求日益增长，电网中承担发电、调频、调峰及事 故备用的水电厂，在电力系统中的作用越来越重要。因此，保证水电机组的 安全正常运行，对其状态进行监测，及时发现故障征兆，做到"事前维修"十 分必要。
现有的水电机组振动监测装置，通过有线采集系统实现对水轮发电机组 状态的监测。但存在以下不足1)对于大多数水轮发电机组， 一般配置使 用的传感器数量较多，且分布在水轮发电机组各个工作层面，采用有线信号 传输，需敷设大量电缆，对于机组大修安装评估等临时应用场合，系统组建 困难，安装与拆卸工作量大，使用极为不便；2)对于拥有多台发电机组的 中小型水力发电厂， 一般只需在机组安装、大修后以及检修时段对机组进行 振动检测，无需每台机组配置一套永久性监测系统。 发明内容
本实用新型的目的在于提供一种水轮发电机组无线振动监测装置，不需 敷设电缆，用于临时场合或在线监测，使用方便，且适用于有多台发电机组 的中小型水力发电厂。本实用新型所采用的技术方案是， 一种水轮发电机组无线振动监测装 置，包括依次连接的振动传感器模块、信号调理电路和无线数据采集传输模 块，无线数据采集传输模块与时钟模块连接，振动传感器模块、信号调理电 路、无线数据采集传输模块和时钟模块分别与电源管理模块相连接。
本实用新型监测装置的有益效果
1. 节点结构紧凑，体积小巧，安装便捷可靠，不受导线限制，突破传统
水轮发电机组振摆监测系统永久性结构模式；网络具有容错能力并且扩展性
好，安装监测节点的数量可以随时增减，而且不受系统的束缚。.
2. 网络构建、安装、调试简易方便，允许的节点数量大、密度高，可以 有效的提高监测效率；
3. 网络监测节点有一定的计算能力和存储能力，装置的整体结构简单， 实用性强并且总体造价低。
图1是本实用新型监测装置一种实施例的结构示意图2是本实用新型监测装置中振动传感器的电路原理图3是本实用新型监测装置中信号调理电路的原理图4是本实用新型监测装置中时钟模块的原理图5是本实用新型监测装置中电源管理模块的结构示意图。
图中，l.振动传感器模块，2.信号调理电路，3.无线数据采集传输模块，
4.电源管理模块，5.时钟模块。
其中，l-l.三轴加速度传感器，2-l.四运放集成电路，4-1. 5V单输出电
源管理芯片，4-2.3.3V单输出电源管理芯片，4-3.锂电池，5-l.时钟芯片。
具体实施方式
用新型进行详细说明。 本实用新型监测装置一种实施例的结构，如图1所示。包括依次连接的
振动传感器模块l、信号调理电路2和无线数据采集传输模块3，无线数据 采集传输模块3与时钟模块5连接，与振动传感器模块l、信号调理电路2、 无线数据采集传输模块3和时钟模块5分别与电源管理模块4相连接。
无线数据采集传输模块3包括I/O接口、微处理器和ZigBee射频前端等。
本实用新型监测装置中振动传感器模块的电路原理图，如图2所示。包 括三轴加速度传感器1-1,三轴加速度传感器1-1的第1引脚至第5引脚及 第19引脚至第24引脚都为未使用引脚；第6引脚GND直接接地；第7引 脚VDD与电源VDD相连，旁路分别与电容Cl和电容C2的一端相连接， 电容C1和电容C2的另一端接地；第8引脚VoutY为Y向电压输出，旁路 通过电容C3接地；第9引脚ST为内部自我测试引脚，直接接地；第10引 脚VoutX为X向电压输出，旁路通过电容C4接地；第11引脚PD为电源模 式选择，直接与接地；第12引脚VomZ为Z向电压输出，旁路通过电容C5 接地；第13引脚FS为满量程选择，直接接地；第14到17引脚RESERVED 都为自由连接引脚，并且都直接与电源VDD相接；第18引脚RESERVED 直接与大地相接。
本实用新型监测装置中信号调理电路的原理图，如图3所示。包括电阻 Rl，电阻R1的一端接X电压，另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的 另一端与四运放集成电路2-1的正相输入端连接，电阻R2与四运放集成电 路2-1正相输入端的旁路通过电容C6接地，电阻Rl与电阻R2的旁路与电 容C7连接，电容C7还与四运放集成电路2-1的输出端相连接，四运放集成电路2-l的输出端直接与四运放集成电路2-l的反相输入端连接，四运放集 成电路2-1的输出端还与无线数据采集传输模块3连接。
本实用新型监测装置中时钟模块的原理图，如图4所示。包括时钟芯片 5-1，时钟芯片5-l的第l引脚为备用电源引脚，直接与大地相接；时钟芯片 5-1的第2、 3引脚为未用引脚；第4引脚VSS为负电源引脚，直接与大地 相接；时钟芯片5-1的第5引脚SDA为I2C总线接口的数据线，直接与无 线数据采集传输模块3的I/O接口 P1.5相连，；时钟芯片5-1第5引脚SDA 和无线数据采集传输模块3的I/O接口 P1.5之间的旁路与电阻R5的一端连 接，电阻R5的另一端与正电源VDD相连接；时钟芯片5-l的第6引脚SCL 为I2C总线接口的时钟线，直接与无线数据采集传输模块3的I/O接口 P1.6 相连，时钟芯片5-1第6引脚SCL和无线数据采集传输模块3的I/O接口 P1.6之间的旁路与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与正电源VDD相 接；时钟芯片5-l的第7引脚INT为时钟芯片的中断输出线，直接与无线数 据采集传输模块3的I/O 口 P1.7相连，时钟芯片5-1第7引脚INT和无线数 据采集传输模块3的1/0 口 P1.7之间的旁路与电阻R3的一端连接，电阻R3 的另一端与正电源VDD相接；时钟芯片5-1的第8引脚VDD与正电源VDD 相接。
本实用新型监测装置中电源管理模块的结构，如图5所示。包括可充高 容量锂电池4-3，锂电池4-3的正极分别与5V单输出电源管理芯片4-1的输 入端、电容C8和电容C9相接，锂电池4-3的负极、电容C8、电容C9和 5V单输出电源管理芯片4-1的GND引脚分别接地，5V单输出电源管理芯 片4-1的输出端与3.3V单输出电源管理芯片4-2的输入端相接，5V单输出 电源管理芯片4-1输出端与3.3V单输出电源管理芯片4-2输入端之间的旁路分别与电容C10和电容C11相接，电容C10和电容C11还接地；3.3V单输 出电源管理芯片4-2输出端输出正电源VDD， 3.3V单输出电源管理芯片4-2 输出端与正电源1VDD的旁路与电容C12连接，电容C12还接地；3.3V单 输出电源管理芯片4-2的GND引脚直接接地。
振动传感器模块1将水轮发电机组上机架、定子机架、下机架和顶盖产 生的X、 Y、 Z三向振动信号转变成电压信号。采样频率范围为0 1KHZ， 振动测试点可以用于水电机组上机架、下机架、定子机架、顶盖以及涡壳水 压脉动。
信号调理电路2用于滤去振动传感器模块1输出的X、 Y、 Z三向电压 信号中的100HZ以上相对高频干扰信号，并对该电压信号和无线数据采集 传输模块3之间起到电阻匹配隔离作用。
无线数据采集传输模块3延用传统的CC2420芯片的架构，在单个芯片 上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。具有一个高性能和低 功耗的8051微控制器核，128KB可编程闪存和8KB的RAM，包含14位 模拟数字转换器(ADC)、定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、 32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路和20个可编 程1/0引脚。
电源管理模块4为整个装置提供可靠的电源，为装置中各个不同工作电 压的芯片提供合适的工作电源。
时钟模块5在组装前设置好实时时间和周期采样中断开始时间，通过备 用电池保持所设值，通过对每个节点的周期采样中断开始时间设置一致，实 现了 ZigBee无线传感器网络中的各个无线振动监测装置的信号同步采集。
本实用新型监测装置的工作过程本实用新型监测装置所构成的ZigBee (IEEE 802.15.4协议)无线传感 器网络的网路拓扑结构为星状连接结构或串状连接结构。
打开水轮发电机无线振动装置节点的底座磁力开关，使其强力粘贴在水 轮发电机组的被测点上，打开电源开关，装置节点上电后由时钟模块5产生 周期中断，控制无线数据采集传输模块3进入信号采集阶段，并在此时无线 数据采集传输模块3读取时钟模块5的当前时间值，以此实现各个节点采样 信号的同步；通过振动传感器模块l，将水轮发电机被测点的振动信号转变 为电压信号，该电压信号输入信号调理电路2，信号调理电路2滤除100HZ 以上相对高频干扰信号，并将其幅值调理到无线数据采集传输模块3的数字 转换器ADC的采集电压范围内，经过A/D转换，转变为数字信号，并存入 无线数据采集传输模块3中的8K存储器中，等待组网发送；ZigBee无线传 感器网络的另一端通过由无线数据采集传输模块3组建成的网关，搭建起 ZigBee无线传感器网络，接受来自各个节点的采样值及实时时钟值，并通过 串口传输到PC机中，PC机对各个节点的数据根据实时时钟值进行整理存 储，对相同时刻的各个节点数据先进行两次积分还原为位移信号，然后进行 傅里叶变换及频谱分析，并进行相应分级报警，最后做出故障诊断，从而实 现对水轮发电机组振动的无线在线监测。
本实用新型监测装置，将振动传感器模块1、信号调理电路2、无线数 据采集传输模块3、电源管理模块4和时钟模块5，有机地结合起来，通过 ZigBee技术构建具有采集、存储处理及发送功能为一整体的无线传感器网络 节点，对水轮发电机组进行实时在线同步监测，无需敷设通信电缆，系统安 装调试方便，尤其适用于中小型发电厂水轮发电机组的监测。
权利要求1.一种水轮发电机组无线振动监测装置，其特征在于，包括依次连接的振动传感器模块(1)、信号调理电路(2)和无线数据采集传输模块(3)，无线数据采集传输模块(3)与时钟模块(5)连接，振动传感器模块(1)、信号调理电路(2)、无线数据采集传输模块(3)和时钟模块(5)分别与电源管理模块(4)相连接。
2. 根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述的无线数据采集 传输模块(3)包括I/0接口、微处理器和ZigBee射频前端。
3. 根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述的振动传感器模 块(1)，包括三轴加速度传感器(1-1)，三轴加速度传感器(1-1)的第1引 脚至第5引脚及第19引脚至第24引脚为未使用引脚，第6引脚GND接地， 第7引脚VDD与电源VDD相连，旁路分别与电容Cl和电容C2的相连接， 电容C1和电容C2还接地，第8引脚VoutY为Y向电压输出，旁路通过电 容C3接地，第10引脚VoutX为X向电压输出，旁路通过电容C4接地，第 12引脚VoutZ为Z向电压输出，旁路通过电容C5接地，第9引脚ST、第 11引脚PD和第13引脚FS接地，第14到17引脚RESERVED都为自由连 接引脚，并且都直接与电源VDD相接；第18引脚RESERVED为自由连接 引脚直接与大地相接。
4. 根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述的信号调理电路 (2)，包括电阻R1，电阻R1的一端接X向电压，另一端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与四运放集成电路2-1的正相输入端连接，电阻R2 与四运放集成电路(2-1)正相输入端的旁路通过电容C6接地，电阻R1与 电阻R2的旁路与电容C7连接，电容C7还与四运放集成电路(2-1)的输出端相连接，四运放集成电路(2-1)的输出端与反相输入端连接，四运放 集成电路(2-1)的输出端还与无线数据采集传输模块(3)连接。
5. 根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述的电源管理模块 (4)，包括可充高容量锂电池(4-3)，可充高容量锂电池(4-3)的正极分别与5V单输出电源管理芯片(4-1)的输入端、电容C8和电容C9的相接， 可充高容量锂电池(4-3)的负极、电容C8、电容C9和5V单输出电源管理 芯片(4-1)的GND引脚分别接地，5V单输出电源管理芯片(4-1)的输出 端与3.3￥单输出电源管理芯片(4-2)的输入端相接，5V单输出电源管理芯 片(4-1)输出端与3.3V单输出电源管理芯片(4-2)输入端之间的旁路分别 与电容C10和电容C11相接，电容C10和电容C11还接地，3.3V单输出电 源管理芯片(4-2)输出端输出正电源VDD， 3.3V单输出电源管理芯片(4-2) 输出端与正电源VDD的旁路与电容C12连接，电容C12还接地，3.3V单输 出电源管理芯片(4-2)的GND引脚接地。
6. 根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于，所述的时钟模块(5)， 包括时钟芯片(5-1)，时钟芯片(5-1)的第1、第4引脚VSS引脚分别接地， 时钟芯片(5-1)的第5引脚SDA与CC2430模块(3)的I/O接口 P1.5相 连，时钟芯片(5-1)的第5引脚SDA和无线数据采集传输模块3的I/0接 口 P1.5之间的旁路与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与正电源VDD 相连接，时钟芯片(5-1)的第6引脚SCL与无线数据采集传输模块(3)的 I/O接口 P1.6相连，时钟芯片(5-1)第6引脚SCL和无线数据采集传输模 块3的I/O接口 P1.6之间的旁路与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端 与正电源VDD相接，时钟芯片(5-1)的第7引脚INT与无线数据采集传输 模块(3)的I/0口P1.7相连，时钟芯片(5-1)第7引脚INT和无线数据采 集传输模块(3)的I/0口P1.7之间的旁路与电阻R3的一端连接，电阻R3 的另一端与正电源VDD相接；时钟芯片(5-1)的第8引脚VDD与正电源 VDD相接。
专利摘要本实用新型公开的一种水轮发电机组无线振动监测装置，包括依次连接的振动传感器模块、信号调理电路和无线数据采集传输模块，无线数据采集传输模块与时钟模块连接，振动传感器模块、信号调理电路、无线数据采集传输模块和时钟模块分别与电源管理模块相连接。本实用新型监测装置，通过ZigBee技术构建具有采集、存储处理及发送功能为一体的无线传感器网络节点，对水轮发电机组进行实时在线同步监测，无需敷设通信电缆，系统安装调试方便，尤其适用于中小型发电厂水轮发电机组的监测。
文档编号G01M7/02GK201277904SQ20082022164
公开日2009年7月22日 申请日期2008年9月26日 优先权日2008年9月26日
发明者张欣伟, 辉 李, 杨国清, 王德意 申请人:西安理工大学