振动监视系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于监视振动以在转换成加速度采样的加速度波形中检测不同振动事件的方法。该方法包括：向高速缓存存储器中存储加速度采样作为加速度帧序列（S110）；在所述加速度帧中的每个加速度帧中检测不同振动事件的存在或者不存在（S160）；在加速度帧中检测到不同振动事件的情况下，从所述高速缓存存储器向长期存储器件转发所述加速度帧（S170）。
【专利说明】振动监视系统【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于测量并且数字地处理振动传感器信号的方法和设备。具体而言，本发明涉及一种用于根据DIN4150-3监视对建筑物的振动损坏的低功率无线振动分析传感器系统。
【背景技术】
[0002]德国标准化协会的标准DIN4150-3 “Vibration in buildings - Part3:Effectson structures”定义一种用于测量并且评估建筑物上的振动的方法并且为不同建筑物类另Ij (诸如工业、住宅以及旧或者坏的结构状态)推荐如下阈值，在这些阈值以下的振动可以视为无害。
[0003]用于这一任务的现有系统通常由数据记录器构成，一个或者多个感测设备(通常为地震检波器)连接到该数据记录器。这一数据记录器可以用于测量直至填满机载存储器，这时终止测量。
[0004]一些数据记录器具有用于对于某一时间数量触发记录的集成功能。其它系统可以是无线的，但是经常成批发送它们的记录的数据，从而需要大量带宽并且传送监视器不感兴趣的大量信息，因此需要相当能量并且因此造成短暂系统寿命。
[0005]一些振动感测系统被设计用于低功率无线通信并且也执行不同信号处理功能。它们通常使用微控制器用于处理，这些微控制器仅允许有限复杂性的算法或者需要延长的计算时间，因此不允许低功率操作或者连续监视。在US2008/0082296A1中描述一个这样的示例。
[0006]具有无线通信和振动传感器的其它设备将现场可编程门阵列(FPGA)运用于滤波，诸如在“Devel opment of a smart wireless sensing unit usingoff-the-shelf FPGA hardware and programming products, in Smart Structures andSystems，Vol.3 (I)，2007”中呈现的设备或者在“Development of wireless smart sensorfor structural health monitoring, Proceedings SPIE，2005” 中呈现的设备。然而这些设备并不生成事件而是描述分布式信号处理算法。此外，它们未包括用于长期监视对建筑物的损坏的特殊功能。
[0007]因此需要一种用于处理振动信号的改进方法和设备。
【发明内容】
[0008]根据第一方面，体现本发明为一种用于监视振动以在转换成加速度采样的加速度波形中检测不同振动事件的方法。该方法包括:
[0009]-向高速缓存存储器中存储加速度采样作为加速度帧序列；
[0010]-在所述加速度帧中的每个加速度帧中检测不同振动事件的存在或者不存在；
[0011]-当在加速度帧中检测到不同振动事件的情况下，从所述高速缓存存储器向长期存储器件转发所述加速度帧。[0012]在实施例中，该方法可以包括以下特征中的一个或者多个特征:
[0013]-所述加速度帧中的每个加速度帧具有固定长度，并且其中所述加速度帧中的每个加速度帧包括在所述高速缓存存储器中存储的若干帧；
[0014]-该方法还包括以下步骤:根据所述高速缓存存储器中存储的所述加速度帧计算速率帧；计算用于所述速率帧中的每个速率帧的速率参数，其中检测步骤包括基于计算的速率参数在根据所述加速度帧计算的所述速率帧中的每个速率帧中检测不同振动的存在或者不存在；
[0015]-向所述长期存储器件存储用于所述速率帧中的每个速率帧的所述速率参数的步骤；
[0016]-长期存储器件是包括第一地址空间和第二地址空间的存储器，并且其中在检测到不同振动事件的情况下从所述高速缓存存储器向存储器的第一地址空间转发所述加速度帧，并且向存储器的第二地址空间存储每个所述速率帧的所述速率参数；
[0017]-通过使用前向欧拉积分计算所述加速度帧的均值并且使用后向欧拉积分对DC偏移补偿的加速度帧积分来根据所述加速度帧计算所述速率帧；
[0018]-用于所述速率帧中的每个速率帧的速率参数是:每个所述速率帧在长度为W的窗口内的最大绝对振动速率I Vi匕x，其中W小于或者等于速率帧的长度；所述最大绝对振动速率I Vi I _在长度为W的所述窗口内的位置if ;每个所述速率帧的主频fi ；
[0019]-通过以下操作构造长度为W的窗口化速率帧的步骤:对每个速率帧的速率采样移位，使得具有最大绝对振动速率IviImax的速率采样在长度为W的所述窗口的中心；并且丢弃每个速率帧的在长度为w的所述窗口以外的速率采样；
[0020]-通过以下操作检测每个所述速率帧的所述主频&:使用实值W点Bruun快速傅里叶变换来计算长度为W的每个所述窗口化速率帧的频率频谱的量值；并且搜寻使所述频率频谱的量值最大的频率索引；
[0021]-通过在所述实值W点Bruun快速傅里叶变换的最后级中使用余弦定律来计算频率频谱的量值；
[0022]-使用所述实值W点Bruun快速傅里叶变换来计算频率频谱的量值还包括:将长度为W的所述窗口化速率帧与尺寸为W的滤波器窗口函数w相乘；存储长度为W的所述窗口化速率帧与尺寸为W的所述滤波器窗口函数w相乘的结果；并且同时计算Bruun快速傅里叶变换的第一级；
[0023]-检测所述主频&还包括以下步骤:通过按位移位来预缩放长度为W的每个所述窗口化速率帧的速率采样，使得最大绝对振动速率IviImax由最大有效数字编号代表，其中通过以下操作在所述速率帧中的每个速率帧中检测不同振动事件的存在:比较所述最大绝对振动速率IviImax与预定义阈值Vth(fi);并且如果所述最大绝对振动速率IviImax超过所述阈值Vth(fi)则检测到事件。
[0024]根据另一方面，体现本发明为一种用于监视振动以检测不同振动事件的装置，其中该装置被配置用于执行本发明的方法的所有步骤。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]现在将通过非限制示例并且参照附图描述一种体现本发明的系统和方法，在附图中:
[0026]-图1是描绘本发明的一个实施例的流程图；
[0027]-图2是详述根据本发明的用于监视振动的装置的部件的图；
[0028]-图3是示出高速缓存存储器和长期存储器件的可能组织的图；
[0029]-图4是图示用于从加速度信号获得速率信号的积分模块的示意图；
[0030]-图5是主频检测模块的示意图；
[0031]-图6是检测模块的示意图；
[0032]-图7是可能的无线振动传感器网络的示意图，该网络包括一个或者多个根据本发明的用于监视振动的设备。
【具体实施方式】
[0033]本发明描述一种用于监视振动并且检测超过给定的阈值的振动的方法，这些阈值例如是在DIN4150-3中为建筑物结构上的振动的限制而规定的阈值。首先将振动变换成加速度波形，该加速度波形然后从模拟连续数量转换成离散时间数字表示。这些加速度采样形成加速度帧，从这些加速度帧确定多个速率参数。加速度帧存储于高速缓存存储器中。高速缓存存储器是用作暂时存储的存储器。对于每个加速度帧，向长期存储器件保存速率参数，因此创建连续速率参数流。该方法还比较速率参数与例如DIN4150-3定义的可配置阈值函数。在超过阈值函数的情况下，也向长期存储器件转发与事件对应的加速度帧。转发意味着将加速度数据从高速缓存存储器移向长期存储器件。长期存储器件与高速缓存存储器相比能够存储更大量的数据。长期存储器件可以是外部存储器，也就是与高速缓存存储器不同的存储器。有利地，可以在以后请求可能更详细分析时提供加速度帧。有利地，用于监视振动的设备被设计用于低功率操作，从而允许从单个电池在数月内连续振动监视。
[0034]参照图1，在步骤S100，获取加速度采样用于进一步分析。在实践中，加速度传感器将振动变换成可以被采样并且滤波成加速度采样序列的加速度波形。可以将振动变换成与三个正交轴x、y和z对应的独立波形。数据获取单元可以并行预处理振动信号以获得经滤波的加速度信号Si (k),其中i指示轴X、y或者z之一。
[0035]可以将数据获取步骤SlOO划分成分别由如图2中所示专用模块执行的五个步骤，该专用模块为:提供模拟加速度波形的加速度传感器200、用于对加速度波形滤波的模拟滤波器210、用于将加速度波形采样成数字加速度采样流的模数转换器(ADC) 220、用于对加速度采样滤波的数字滤波器230和用于对经滤波的加速度数据下采样的下采样器2400。
[0036]例如数据获取单元可以获取用于每个轴x、y和z的加速度波形而动态范围为±2g并且分辨率为0.5mg。振动信号可以由传感器设备检测，该传感器设备由微机电系统(MEMS)加速度传感器构成。可以用3dB截止频率为128Hz的单独低通210对加速度波形中的每个加速度波形滤波。然后可以以2，048kHz的速率用16位模数转换器(ADC) 220对振动波形采样。然后在进一步处理之前温度补偿加速度采样。数字滤波器230可以实施3dB截止频率为128Hz的三阶巴特沃斯滤波器(Butterworth filter),该滤波器在信号由下采样器2400下米样成256Hz信号之前有利地加强模拟滤波器。
[0037]将理解可以并行处置来自传感器的不同获取加速度波形X、y和z，即针对每个信道使用单独滤波器。[0038]将低通滤波器划分成模拟和数字部分有利地允许减少本发明的实施例所需要的物理部件数目，因此有助于实施并且节省成本。可以将逻辑转变成可编程和可配置集成电路，诸如现场可编程门阵列(FPGA) 240。
[0039]回顾图1，在步骤S110，向高速缓存存储器2410中存储从振动信号获取的加速度采样作为加速度帧序列。高速缓存存储器可以集成于FPGA240中。这减少本发明的实施例所需要的物理部件数目。加速度帧可以具有固定长度，也就是说，每个加速度帧可以包括多个加速度采样。此外，加速度帧可以跨越所述高速缓存存储器中存储的若干帧。
[0040]然后在步骤S120至S160，处理高速缓存的加速度采样用于检测不同振动事件的存在或者不存在。这可以通过测试信号参数集合是否超过阈值函数来完成。为了这一目标，如图2中所示，将经滤波的和采样的加速度采样分割成重叠加速度帧并且在集成单元2420、峰值检测单元2430和主频检测单元2450中进一步处理。由于用于这些操作的资源需求增加，所以可以用时间复用方式对不同轴的加速度帧执行这些操作，因此仅需单个实施的单元2420、2430和2450。对于每个轴和加速度帧，计算三个速率参数:峰值速率IviImax(也称为最大绝对速率)、它的时间索引P C也称为最大绝对振动在被分析的帧内的位置或者索引)和主频fi。参数值由事件检测模块2460收集，该模块比较每个集合与阈值函数(例如从DIN4150-3推导的阈值函数)。在任何轴的值超过阈值函数的情况下，认为检测到事件。
[0041]在步骤S120，根据从高速缓存存储器取回的加速度帧计算速率帧。可以通过首先使用前向欧拉积分计算加速度帧的平均速率值，然后在第二后向欧拉积分内减去所述平均速率值以获得DC偏移补偿的速率帧来执行速率帧的计算。为包括多个加速度帧采样F的加速度帧计算速率帧。步骤S120可以由图2上所示积分单元2420执行。计算的速率帧v(k)然后可以用于相继步骤S130和S140。
[0042]在实践中，对单独轴的加速度数据积分以确定速率参数Iv丄ax、<和fi。为了分
析，积分单元从高速缓存存储器取回加速度帧。例如加速度帧可以包括F=512个加速度采样。如果选择采样周期T使得T=l/256秒，则包括512个加速度采样的加速度帧代表两秒的加速度信号。后续帧可以重叠帧的尺寸的一半，即一秒。
[0043]图4示出能够执行积分步骤S120的电路的示例。可以在可编程和可配置集成电路(诸如图2的FPGA240)上实施这一示例电路。
[0044]为了积分，DC偏移补偿电路首先使用前向欧拉积分vf(k+l) = vf (k) +T.a(t)在帧F内计算均值
【权利要求】
1.一种用于监视振动以在转换成加速度采样的加速度波形中检测不同振动事件的方法，所述方法包括: 向高速缓存存储器中存储所述加速度采样作为加速度帧序列(SllO)； 在所述加速度帧中的每个加速度帧中检测不同振动事件的存在或者不存在(S160)； 当在加速度帧中检测到不同振动事件的情况下，从所述高速缓存存储器向长期存储器件转发所述加速度帧(S170)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述加速度帧中的每个加速度帧具有固定长度，并且其中所述加速度帧中的每个加速度帧包括在所述高速缓存存储器中存储的若干帧。
3.根据权利要求1或者2所述的方法，其中所述方法还包括以下步骤: 根据所述高速缓存存储器中存储的所述加速度帧计算速率帧(S120)； 计算用于所述速率帧中的每个速率帧的速率参数(S130)； 其中所述检测步骤包括基于计算的所述速率参数在根据所述加速度帧计算的所述速率帧中的每个速率帧中检测不同振动的存在或者不存在(S160)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述方法还包括以下步骤:向所述长期存储器件存储用于所述速率帧中的每个速率帧的所述速率参数(S180 )。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述长期存储器件是包括第一地址空间和第二地址空间的存储器，并且其中在检测到不同振动事件的情况下从所述高速缓存存储器向所述存储器的所述第一地址空间转发所述加速度帧，并且向所述存储器的所述第二地址空间存储每个所述速率帧的所述速率·参数。
6.根据权利要求3至5之一所述的方法，其中通过以下操作根据所述加速度帧计算所述速率帧: -使用前向欧拉积分来计算所述加速度帧的均值；并且 -使用后向欧拉积分对DC偏移补偿的加速度帧积分。
7.根据权利要求3至6之一所述的方法，其中用于所述速率帧中的每个速率帧的速率参数是: -每个所述速率帧在长度为w的窗口内的最大绝对振动速率I Vi I max，其中w小于或者等于速率帧的长度； -所述最大绝对振动速率I Vi I _在长度为w的所述窗口内的位置if; -每个所述速率帧的主频f\。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述方法还包括通过以下操作构造长度为W的窗口化速率帧的步骤: -对每个速率帧的所述速率采样移位，使得具有最大绝对振动速率I Vi Iniax的所述速率采样在长度为W的所述窗口的中心；并且 -丢弃每个速率帧的在长度为W的所述窗口以外的所述速率采样。
9.根据权利要求8所述的方法，其中通过以下操作检测(S150)每个所述速率帧的所述主频A: 使用实值W点Bruun快速傅里叶变换来计算长度为W的每个所述窗口化速率帧的频率频谱的量值；并且搜寻使所述频率频谱的量值最大的频率索引。
10.根据权利要求9所述的方法，其中通过在所述实值W点Bruun快速傅里叶变换的最后级中使用余弦定律来计算所述频率频谱的量值。
11.根据权利要求9或者10所述的方法，其中使用所述实值W点Bruun快速傅里叶变换来计算所述频率频谱的量值还包括: -将长度为W的所述窗口化速率帧与尺寸为W的滤波器窗口函数W相乘； -存储长度为W的所述窗口化速率帧与尺寸为W的所述滤波器窗口函数w相乘的结果；并且 -同时计算所述Bruun快速傅里叶变换的第一级。
12.根据权利要求9至11之一所述的方法，其中检测所述主频A还包括以下步骤:通过按位移位来预缩放长度为W的每个所述窗口化速率帧的所述速率采样，使得所述最大绝对振动速率IviImax由最大有效数字编号代表。
13.根据权利要求7至12之一所述的方法，其中通过以下操作在所述速率帧中的每个速率帧中检测不同振动事件的存在: -比较所述最大绝对振动速率k Imax与预定义阈值Vth(fi);并且 -如果所述最大绝对振动速率I Vi Imax超过所述阈值Vth (fi)则检测事件。
14.根据权利要求1至13之一所述的方法，其中所述高速缓存存储器被组织成环形缓冲器并且提供用于存储经滤波的所述加速度采样作为加速度帧序列的至少一个缓冲器。
15.一种用于监视振动以检测不同振动事件的装置，其中所述装置被配置用于执行根据权利要I至14中的任一权利要求所述的方法的所有步骤。
【文档编号】G06F17/10GK103547899SQ201280024660
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年6月5日 优先权日:2011年6月28日
【发明者】W·肖特, C·隆布里泽, B·韦斯 申请人:国际商业机器公司