錢(qián)黎明，郭 峰，查 朦，陸衛(wèi)衛(wèi)

（南通理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226002）

0 引言

齒輪箱是大型生產(chǎn)設(shè)備中的重要組成部分，齒輪箱的可靠性、可用性、可維修性和安全性問(wèn)題日益突出，使得方便、精確的機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)尤為重要[1]。齒輪箱由于其設(shè)備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和工況的特殊性，導(dǎo)致較高的故障率和較大的危害性。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，由齒輪失效引起的機(jī)械設(shè)備故障約占10.3%，在變速器中齒輪損壞的比例最大，達(dá)到60%[2]。目前普遍采用的有線(xiàn)連接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，存在布線(xiàn)復(fù)雜、成本高、可維護(hù)性差以及缺少靈活性等問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的無(wú)線(xiàn)、分布式機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)有線(xiàn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的不足。

1 齒輪箱振動(dòng)監(jiān)測(cè)的發(fā)展

傳統(tǒng)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器、調(diào)理電路、數(shù)采卡、接口和CPU組成。傳感器模塊首先將輸入物理量轉(zhuǎn)換成電量，然后再進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換、運(yùn)算，最后以適當(dāng)?shù)男问捷敵?。由于傳統(tǒng)傳感器需要大量布線(xiàn)，傳感器傳輸導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)損壞，增加了維護(hù)成本，同時(shí)大量布線(xiàn)也使得測(cè)試系統(tǒng)缺乏靈活性，增加了系統(tǒng)的潛在危險(xiǎn)和不可控性，無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)有效解決了上述問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按結(jié)構(gòu)可以分為3類(lèi)：分立式節(jié)點(diǎn)、片上系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)和微型節(jié)點(diǎn)。目前主要處于片上系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)階段邁向微型節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中。

隨著MEMS技術(shù)的快速發(fā)展，基于無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)臋C(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究成為熱點(diǎn)。目前國(guó)外的技術(shù)非常成熟，已有很多技術(shù)轉(zhuǎn)化為成果，目前市面上適用于機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)通用節(jié)點(diǎn)如表1所示。

2 無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)組成

機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)基本相同，主要由感知模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和電源模塊組成[2]，如圖1所示。

2.1 感知模塊

在傳統(tǒng)的機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)中，主要采用壓電式加速度傳感器，其成熟的技術(shù)、良好的線(xiàn)性度和精度使得它在機(jī)械振動(dòng)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。隨著微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的MEMS傳感器被應(yīng)用在無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)上。目前在振動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上被廣泛使用的有ADXL001、ADXL202等MEMS傳感器。

2.2 處理器模塊

處理器是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的核心，根據(jù)節(jié)點(diǎn)形式的不同，分為單獨(dú)處理器和集成無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊的處理器。由于后者處理能力有限，不會(huì)在機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中單獨(dú)使用，例如內(nèi)置51核的CC2530被用來(lái)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信而不是處理數(shù)據(jù)。無(wú)線(xiàn)通信模塊在使用過(guò)程中，往往會(huì)和處理器結(jié)合起來(lái)，各司其職。目前傳感器節(jié)點(diǎn)處理器如表2所示。

2.3 電源管理模塊

現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)上主要使用可充電鋰電池，因?yàn)殇囯姵啬芰棵芏却?，平均輸出電壓高，自放電小，沒(méi)有記憶效應(yīng)，充電效率高達(dá)100%[3]，但鋰電池存在充電方式和電池需要不斷更換等問(wèn)題，制約著無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。目前有不少學(xué)者提出從周?chē)h(huán)境中采集能量來(lái)解決這一難題，提出的能源有太陽(yáng)能、機(jī)械能、噪聲能、溫差能等，但如何將這些能源有效地轉(zhuǎn)化為電能以及用在體積很小的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)上，這些都是有待解決的技術(shù)難題。

圖1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

表2 常見(jiàn)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)微處理器

2.4 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)主要用于短距離通信，目前在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中常用的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)有IEEE802.11b/g、IEEE802.15.4、Bluetooth、UWB、RFID、紅外等。選擇無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)時(shí)，需要充分考慮節(jié)點(diǎn)間通信距離、功耗、數(shù)據(jù)傳輸率等因素，在此基礎(chǔ)上選擇合適的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。

在機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)中，ZigBee技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。采用IEEE802.15.4強(qiáng)有力的無(wú)線(xiàn)物理層所規(guī)定的全部?jī)?nèi)容，具有省電、簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)[4]。目前基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)主要采用以下4種方式：①ZigBee RF+MCU；②單芯片集成 SOC；③單芯片內(nèi)置ZigBee 協(xié)議棧＋外掛芯片；④單芯片集成 SOC+MCU。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著材料科學(xué)、電子技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)技術(shù)越來(lái)越成熟。目前處在由片上系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)向微型節(jié)點(diǎn)發(fā)展階段。以后的節(jié)點(diǎn)將越來(lái)越智能化、精確化、微型化。