面向工业环境的高精度无线振动监测系统

作者：李帅 软件学院

指导老师：何源 软件学院        

关键词：工业物联网、毫米波、振动监测

摘要

该系统是一种面向工业环境的，基于毫米波的亚毫米级振动无线监测系统。它基于无线感知技术中前沿的毫米波感知技术，能够对工业环境中的设备的亚毫米级的微小振动进行全天候、高精度的实时监测。相比于现有的监测方法，该系统具有更高的检测准确性，在复杂环境中具有更高的可靠性，并且能够实现一套设备多点检测的特点，大大降低了监测成本。

工业环境中的振动现象与毫米波雷达

在现代工业中，诸如振幅、振动频率等振动参数指标反映了机器的运行工况并能够辅助机械故障诊断甚至提前进行故障预测与报警，因此准确的振动监测一直是工业自动化场景中不可缺少的一个环节。

图1 工业环境中的振动现象

另一方面，基于毫米波的无线感知技术近年来受到了研究界的广泛关注，毫米波频段的无线信号波长约1～10mm，毫米波雷达发射的信号能够反映出环境中反射路径的细微变化，具有非常高的感知精度。

图2 毫米波雷达

我们的系统基于商用毫米波雷达，创新性地几何信号模型和多信号整合模型，成功地解决了工业设备微小振动的监测问题。

几何信号模型和多信号整合模型

毫米波雷达通过向物体发射毫米波信号，并接收由物体反射的信号来感知物体的位置变化。对于振动物体来说，由振动物体（简谐运动）引起的相位变化在IQ星座图上呈现为弧状，由几何的关系可以推导出，圆弧的圆心角对应振动物体的振幅。

图3 几何信号模型

当振幅极其微小的时候，简单的拟合很难拟合出正确的圆心和半径。因此我们提出了多信号整合模型。

图4 微小振动拟合

基于我们的毫米波雷达具有多个发射天线和接收天线，可同时发射和接收不同的信号，我们设计了一组不同起始频率的信号，这样可以在同一时刻内得到对振动物体的不同观察，将这些信号整合起来，我们可以到一个比单一信号更完整的圆弧，进而可以拟合出准确的圆心和半径，从而得到更准确的振幅。

图5 多信号整合模型

系统实现与应用

基于我们的算法原理，我们设计了一套完整的测振系统，同时对其进行了硬件上的封装。

目前我们的系统已经南京钢铁集团的生产车间中进行了实地的部署，并查看了实际运行效果。结果显示，我们的系统在实际环境中具有极高的准确性和可靠性，具有极大的实用价值。

图6 测振系统工作流程

图7 测振系统内部组成

图8 实际部署图