基于磁致伸缩原理的振动传感器结构、处理方法及系统

本发明涉及风力发电机故障检测，具体涉及一种基于磁致伸缩原理的振动传感器结构、处理方法及系统。

背景技术：

1、当今社会，市面上测量物体振动频率的传感器种类繁多，从根本原理上来说可以分为三类：位移换能式、速度换能式、加速度换能式。将振动量转变为光学的、机械的或电学的信号。通过捕捉振动信号的变化，来判断运作中的机械是否发生故障。

2、目前，振动传感器中主流使用压电陶瓷作为换能器，会使得传感器受温度影响较大，而且因为压电陶瓷的居里温度相较于现在的超磁致伸缩材料来说较低，工作温度因此受限。而且压电陶瓷的能量转换效率也较低，损耗较大。

3、因此，如何设计一种能够耐高温，能量转换效率高的振动频率的传感器，是一个亟需解决的问题。

技术实现思路

1、为此，本发明提供基于磁致伸缩原理的振动传感器结构、处理方法及系统，使用磁致伸缩材料作为振动传感器的一部分，使振动传感器可以在更高温下使用，同时，根据磁致伸缩原理对振动位移进行测量，并通过对数据分析获得振动频率特性，使测量精度高、响应速度快、灵敏度高。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于磁致伸缩原理的振动传感器结构，包括主体结构和探头结构；所述主体结构内部设有硬件处理装置和电源；所述主体结构还包括连接线缆、显示屏和按钮；

3、所述探头结构包括探头外壳和探头前盖；所述探头外壳内部设有波导丝，所述波导丝一端通过所述探头外壳底部圆孔与所述连接线缆相接；所述波导丝另一端依次穿过磁环、质量块和弹簧。

4、作为一种基于磁致伸缩原理的振动传感器结构的优选方案，所述波导丝外围还设有感应线圈；所述磁环通过无磁螺钉与所述质量块进行螺接；所述磁环与所述质量块外围设有弧形槽，并与所述探头外壳内侧的凹槽相对应；所述探头外壳内侧的凹槽中设有钢珠，使所述磁环与所述质量块沿所述波导丝轴向运动。

5、本发明还提供一种基于磁致伸缩原理的振动传感器处理方法，包括：

6、通过按钮发送开始信号至stm32微控制器，所述stm32微控制器通过spi通讯控制tdc-gp22计时电路初始化，并开始计时；

7、所述tdc-gp22计时电路开始计时后，向脉冲放大电路发出小电压电脉冲信号并记录此时的时间刻度t1；

8、所述脉冲放大电路将从所述tdc-gp22计时电路接收到的电脉冲信号进行放大，生成大电压电脉冲信号；

9、所述大电压电脉冲信号沿波导丝进行传播，当传播至磁环时，电能转换为机械能，所述大电压电脉冲信号转换为机械扭转波；

10、当所述机械扭转波沿所述波导丝传递至检测线圈时，所述检测线圈产生感应电动势，并将所述感应电动势传递至滤波放大电路；

11、所述滤波放大电路将接收到的所述感应电动势转换为所述tdc-gp22计时电路可以读取的电压信号，并将所述电压信号传递至所述tdc-gp22计时电路；

12、所述tdc-gp22计时电路对接收到所述电压信号时间t2与发出所述小电压电脉冲信号的时间t1的间隔进行计算，计算结束时，所述tdc-gp22计时电路的引脚产生电平翻转；

13、所述stm32微控制器测到因电平翻转导致的信号变化后，产生中断；在中断过程中，所述stm32微控制器通过spi通讯读取所述tdc-gp22计时电路中储存的数据；所述stm32微控制器将读取的数据进行处理并存储；

14、所述stm32微控制器控制所述tdc-gp22计时电路进行下一轮计时，经过循环迭代计算，直到所述stm32微控制器中存储的数据达到设定值时，停止迭代计算；

15、所述stm32微控制器将存储的数据进行处理，获得振动频率特性数据，并将所述振动频率特性数据传递至显示屏对外输出。

16、作为一种基于磁致伸缩原理的振动传感器处理方法的优选方案，在所述大电压电脉冲信号沿所述波导丝传播至所述磁环，所述大电压电脉冲信号转换为所述机械扭转波的过程中，传感器的探头结构与测量器件进行接触，所述测量器件的振动信号经探头结构内部的弹簧传递至所述磁环，使所述磁环沿所述波导丝轴向进行移动；根据所述磁环的位置移动变化，所述tdc-gp22计时电路计算的时间间隔产生变化。

17、作为一种基于磁致伸缩原理的振动传感器处理方法的优选方案，在所述stm32微控制器将读取的数据进行处理并存储的过程中，所述stm32微控制器将得到的时间间隔数据与所述机械扭转波的波速相乘计算，获得位移数据；所述stm32微控制器将此时的时间与所述位移数据组成二维数据并保存。

18、作为一种基于磁致伸缩原理的振动传感器处理方法的优选方案，在所述stm32微控制器将存储的数据进行处理，获得振动频率特性数据的过程中，所述stm32微控制器通过离散傅里叶变换策略，将存储的数据从时域变换到频域，获取频率特性。

19、本发明还提供一种基于磁致伸缩原理的振动传感器处理系统，包括：

20、stm32微控制器启动模块，用于通过按钮发送开始信号至stm32微控制器，所述stm32微控制器通过spi通讯控制tdc-gp22计时电路初始化，并开始计时；

21、tdc-gp22计时电路信号发送模块，用于所述tdc-gp22计时电路开始计时后，向脉冲放大电路发出小电压电脉冲信号并记录此时的时间刻度t1；

22、脉冲放大电路放大模块，用于所述脉冲放大电路将从所述tdc-gp22计时电路接收到的电脉冲信号进行放大，生成大电压电脉冲信号；

23、磁环机械扭转波转换模块，用于所述大电压电脉冲信号沿波导丝进行传播，当传播至磁环时，电能转换为机械能，所述大电压电脉冲信号转换为机械扭转波；

24、检测线圈感应模块，用于当所述机械扭转波沿所述波导丝传递至检测线圈时，所述检测线圈产生感应电动势，并将所述感应电动势传递至滤波放大电路；

25、滤波放大电路转换模块，用于所述滤波放大电路将接收到的所述感应电动势转换为所述tdc-gp22计时电路可以读取的电压信号，并将所述电压信号传递至所述tdc-gp22计时电路；

26、tdc-gp22计时电路信号接收模块，用于所述tdc-gp22计时电路对接收到所述电压信号时间t2与发出所述小电压电脉冲信号的时间t1的间隔进行计算，计算结束时，所述tdc-gp22计时电路的引脚产生电平翻转；

27、stm32微控制器数据处理模块，用于所述stm32微控制器测到因电平翻转导致的信号变化后，产生中断；在中断过程中，所述stm32微控制器通过spi通讯读取所述tdc-gp22计时电路中储存的数据；所述stm32微控制器将读取的数据进行处理并存储；

28、stm32微控制器迭代计算模块，用于所述stm32微控制器控制所述tdc-gp22计时电路进行下一轮计时，经过循环迭代计算，直到所述stm32微控制器中存储的数据达到设定值时，停止迭代计算；

29、振动频率特性数据生成模块，用于所述stm32微控制器将存储的数据进行处理，获得振动频率特性数据，并将所述振动频率特性数据传递至显示屏对外输出。

30、作为一种基于磁致伸缩原理的振动传感器处理系统的优选方案，所述磁环机械扭转波转换模块中，在所述大电压电脉冲信号沿所述波导丝传播至所述磁环，所述大电压电脉冲信号转换为所述机械扭转波的过程中，传感器的探头结构与测量器件进行接触，所述测量器件的振动信号经探头结构内部的弹簧传递至所述磁环，使所述磁环沿所述波导丝轴向进行移动；根据所述磁环的位置移动变化，所述tdc-gp22计时电路计算的时间间隔产生变化。

31、作为一种基于磁致伸缩原理的振动传感器处理系统的优选方案，所述stm32微控制器数据处理模块中，在所述stm32微控制器将读取的数据进行处理并存储的过程中，所述stm32微控制器将得到的时间间隔数据与所述机械扭转波的波速相乘计算，获得位移数据；所述stm32微控制器将此时的时间与所述位移数据组成二维数据并保存。

32、作为一种基于磁致伸缩原理的振动传感器处理系统的优选方案，所述振动频率特性数据生成模块中，在所述stm32微控制器将存储的数据进行处理，获得振动频率特性数据的过程中，所述stm32微控制器通过离散傅里叶变换策略，将存储的数据从时域变换到频域，获取频率特性。

33、本发明具有如下优点：包括主体结构和探头结构；所述主体结构内部设有硬件处理装置和电源；所述主体结构还包括连接线缆、显示屏和按钮；所述探头结构包括探头外壳和探头前盖；所述探头外壳内部设有波导丝，所述波导丝一端通过所述探头外壳底部圆孔与所述连接线缆相接；所述波导丝另一端依次穿过磁环、质量块和弹簧。所述波导丝外围还设有感应线圈；所述磁环通过无磁螺钉与所述质量块进行螺接；所述磁环与所述质量块外围设有弧形槽，并与所述探头外壳内侧的凹槽相对应；所述探头外壳内侧的凹槽中设有钢珠，使所述磁环与所述质量块沿所述波导丝轴向运动。本发明通过按钮发送开始信号至stm32微控制器，所述stm32微控制器通过spi通讯控制tdc-gp22计时电路初始化，并开始计时；所述tdc-gp22计时电路开始计时后，向脉冲放大电路发出小电压电脉冲信号并记录此时的时间刻度t1；所述脉冲放大电路将从所述tdc-gp22计时电路接收到的电脉冲信号进行放大，生成大电压电脉冲信号；所述大电压电脉冲信号沿波导丝进行传播，当传播至磁环时，电能转换为机械能，所述大电压电脉冲信号转换为机械扭转波；当所述机械扭转波沿所述波导丝传递至检测线圈时，所述检测线圈产生感应电动势，并将所述感应电动势传递至滤波放大电路；所述滤波放大电路将接收到的所述感应电动势转换为所述tdc-gp22计时电路可以读取的电压信号，并将所述电压信号传递至所述tdc-gp22计时电路；所述tdc-gp22计时电路对接收到所述电压信号时间t2与发出所述小电压电脉冲信号的时间t1的间隔进行计算，计算结束时，所述tdc-gp22计时电路的引脚产生电平翻转；所述stm32微控制器测到因电平翻转导致的信号变化后，产生中断；在中断过程中，所述stm32微控制器通过spi通讯读取所述tdc-gp22计时电路中储存的数据；所述stm32微控制器将读取的数据进行处理并存储；所述stm32微控制器控制所述tdc-gp22计时电路进行下一轮计时，经过循环迭代计算，直到所述stm32微控制器中存储的数据达到设定值时，停止迭代计算；所述stm32微控制器将存储的数据进行处理，获得振动频率特性数据，并将所述振动频率特性数据传递至显示屏对外输出。本发明使用磁致伸缩材料作为振动传感器的一部分，使振动传感器可以在更高温下使用，同时，根据磁致伸缩原理对振动位移进行测量，并通过对数据分析获得振动频率特性，使测量精度高、响应速度快、灵敏度高。本发明还将探头和传感器主体分离，缩小了振动传感器探头体积，降低了功耗。