面向工業(yè)環(huán)境的高精度無線振動監(jiān)測系統(tǒng)
作者：李帥 軟件學院
指導老師：何源 軟件學院
關鍵詞：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、毫米波、振動監(jiān)測
摘要
該系統(tǒng)是一種面向工業(yè)環(huán)境的，基于毫米波的亞毫米級振動無線監(jiān)測系統(tǒng)。它基于無線感知技術中前沿的毫米波感知技術，能夠對工業(yè)環(huán)境中的設備的亞毫米級的微小振動進行全天候、高精度的實時監(jiān)測。相比于現(xiàn)有的監(jiān)測方法，該系統(tǒng)具有更高的檢測準確性，在復雜環(huán)境中具有更高的可靠性，并且能夠實現(xiàn)一套設備多點檢測的特點，大大降低了監(jiān)測成本。
工業(yè)環(huán)境中的振動現(xiàn)象與毫米波雷達
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在現(xiàn)代工業(yè)中，諸如振幅、振動頻率等振動參數(shù)指標反映了機器的運行工況并能夠輔助機械故障診斷甚至提前進行故障預測與報警，因此準確的振動監(jiān)測一直是工業(yè)自動化場景中不可缺少的一個環(huán)節(jié)。
圖1 工業(yè)環(huán)境中的振動現(xiàn)象
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另一方面，基于毫米波的無線感知技術近年來受到了研究界的廣泛關注，毫米波頻段的無線信號波長約1～10mm，毫米波雷達發(fā)射的信號能夠反映出環(huán)境中反射路徑的細微變化，具有非常高的感知精度。
圖2 毫米波雷達
我們的系統(tǒng)基于商用毫米波雷達，創(chuàng)新性地幾何信號模型和多信號整合模型，成功地解決了工業(yè)設備微小振動的監(jiān)測問題。
幾何信號模型和多信號整合模型
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毫米波雷達通過向物體發(fā)射毫米波信號，并接收由物體反射的信號來感知物體的位置變化。對于振動物體來說，由振動物體（簡諧運動）引起的相位變化在IQ星座圖上呈現(xiàn)為弧狀，由幾何的關系可以推導出，圓弧的圓心角對應振動物體的振幅。
圖3 幾何信號模型
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當振幅極其微小的時候，簡單的擬合很難擬合出正確的圓心和半徑。因此我們提出了多信號整合模型。
圖4 微小振動擬合
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基于我們的毫米波雷達具有多個發(fā)射天線和接收天線，可同時發(fā)射和接收不同的信號，我們設計了一組不同起始頻率的信號，這樣可以在同一時刻內得到對振動物體的不同觀察，將這些信號整合起來，我們可以到一個比單一信號更完整的圓弧，進而可以擬合出準確的圓心和半徑，從而得到更準確的振幅。
圖5 多信號整合模型
系統(tǒng)實現(xiàn)與應用
基于我們的算法原理，我們設計了一套完整的測振系統(tǒng)，同時對其進行了硬件上的封裝。
目前我們的系統(tǒng)已經南京鋼鐵集團的生產車間中進行了實地的部署，并查看了實際運行效果。結果顯示，我們的系統(tǒng)在實際環(huán)境中具有極高的準確性和可靠性，具有極大的實用價值。
圖6 測振系統(tǒng)工作流程
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圖7 測振系統(tǒng)內部組成
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圖8 實際部署圖
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