張貞秀 葛遷 劉欣

摘要：本文以樹莓派為開發(fā)平臺，選用MPU9250加速度傳感器獲取機械設備的振動信號，設計一種機械設備的實時振動檢測方法。設備旋轉部件的故障表現(xiàn)為旋轉頻率的諧波成分，利用傅里葉分析將信號從時域信號分解為頻域信號，構建信號的頻譜圖，從中鑒別出信號是否包含故障信號的頻率成分。利用Python語言和QT圖形GUI模塊，實現(xiàn)軟件系統(tǒng)。

關鍵詞：振動信號;樹莓派;MPU9250;服務器

中圖分類號：TP311? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）27-0145-02

1? 引言

軸承等機械部件常在重負荷、高速和強沖擊的工作環(huán)境下運轉 ，其零部件（內(nèi)圈、外圈、滾珠等）容易出現(xiàn)損傷[1]，如不及時發(fā)現(xiàn)，極有可能引發(fā)生產(chǎn)安全事故，甚至造成生產(chǎn)停滯，人員傷亡，帶來負面的社會影響和巨大經(jīng)濟損失。因此，利用物聯(lián)網(wǎng)及人工智能技術對這種重要大型設備運行健康狀態(tài)實時檢測、評估及預測，發(fā)現(xiàn)其故障，消除安全 隱患，具有重要的社會、工程和理論價值。

20世紀80年代以來，國內(nèi)外學者開始利用振動信號分析手段，對診斷軸承故障展開研究。故障的預報與診斷研究從簡單的信號分解，直到現(xiàn)在的信號包絡分析方法。

軸承振動信號的突變通常預示軸承發(fā)生某種故障。在軸承體周圍安裝加速度傳感器，獲取軸承振動信號，計算振動特征，如傅里葉變換（FT）、小波變換（WT）等信號處理方法[2-4]，進而發(fā)現(xiàn)故障特征信號。然而，這種簡單的信號分析方法很難識別從振動頻譜中識別出故障特征頻率。

針對振動信號的非平穩(wěn)、非線性特征，國內(nèi)外研究人員提出了多種時頻結合的振動信號分析方法，進而發(fā)現(xiàn)信號在高頻域的頻率細節(jié)，提供全面、詳細的時頻特征，如小波包變換（WPT）[5]，短時傅里葉變換（STFT）[6]，希爾伯特-黃（HHT）[7]等方法。

2? 整體方案設計

系統(tǒng)主要由樹莓派和MPU9250和云服務器構成。其中樹莓派負責采集MPU9250的原始數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸給PC端，并將數(shù)據(jù)繪制成頻譜圖。并且MPU9250的原始數(shù)據(jù)會通過樹莓派上的MQTT協(xié)議發(fā)送到云服務器。服務器接收到數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫屬性關聯(lián)實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫本地存儲，此環(huán)節(jié)包括數(shù)據(jù)庫環(huán)境配置以及VNC連接等。

3 系統(tǒng)模塊設計

3.1 振動信號監(jiān)測終端設計

監(jiān)測終端的結構如圖1所示，主要包括 模擬信號采集，AD轉化，4G通信等模塊。首先，獲取利用振動傳感器獲取設備運行數(shù)據(jù)，其次，由傳感器數(shù)據(jù)采集模塊感知數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)處理后通過通信系統(tǒng)傳輸?shù)娇刂浦行模詈?，云服務中心并發(fā)接收數(shù)據(jù)，對其進行分析處理，為決策和控制提供依據(jù)。

3.2 振動信號分析

信息采集終端具有邊緣計算能力，對采集到的振動信號初步分析，預判是否存在疑似信號采集終端一旦獲取數(shù)據(jù)后，利用信號分析，對數(shù)據(jù)進行分析處理，實現(xiàn)減速器初步故障預判。主要工作包括：信號獲取、信號去噪、信號分解及特征值計算等，處理流程如圖2所示。

對于信號處理方式，本系統(tǒng)采用自適應濾波相抵消（Self-adaptive noise cancellation）方法，去除噪聲信號。因為機械振動信號通常具有相關性，信號與噪聲具有獨立性，將參考輸入到自適應濾波器，將主輸入中噪聲分量逼近參考輸入，并相減，從而消除誤差信號。適應濾波相抵消是一個迭代過程，其過程如圖3所示，利用最小均方求解其參數(shù)。

3.3? 數(shù)據(jù)傳輸模塊設計

數(shù)據(jù)傳輸應用協(xié)議基于TCP協(xié)議實現(xiàn)，通信過程如圖4所示，主要包括三部分內(nèi)容：

第一，通信保持協(xié)議，包括連接保持、鏈路初始化、終端與主機時間校對等。當沒有數(shù)據(jù)傳輸時，由定時器設定固定周期，啟動測試過程。當一方發(fā)起鏈路測試請求報文時，另一方必定在規(guī)定時間內(nèi)對該測試請求做出響應。否則發(fā)起方會關閉鏈路，斷開連接，重新初始化鏈路。

第二，異步數(shù)據(jù)傳輸機制，包括特征數(shù)據(jù)傳輸及原始信號傳輸，如圖5所示。云主機收到信號采集終端數(shù)據(jù)分組后，等待定時器超時或者需要確認的數(shù)據(jù)幀達到一定數(shù)目時，對終端進行確認。

第三，防止報文重復和報文丟失協(xié)議。本系統(tǒng)采用序列號和確認機制保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。若接收端接收到的報文序列號不連續(xù)，將主動斷開鏈路重新建立連接。否則，向對方發(fā)送確認報文。若收到重復序號的報文則丟棄該報文。

4? 結論

本文以樹莓派為開發(fā)平臺，利用MPU9250加速度傳感器獲取機械設備的振動信號，設計一種機械設備的實時振動檢測方法，本設計抗干擾能力強，可以針對這種復雜的信號中去偽存真，分析發(fā)現(xiàn)故障信息。

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【通聯(lián)編輯：梁書】