一種非接觸式的球磨機旋轉筒體振動信號采集系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本公開涉及球磨機負荷檢測系統及技術領域，特別是一種非接觸式的球磨機旋轉 筒體振動信號采集系統。
【背景技術】
[0002] 球磨機是一種高能耗、應用廣泛的大型旋轉設備，磨機負荷是磨礦過程優化控制 和優化運行的關鍵設備參數。通常采用安裝在球磨機軸承座上振動信號間接測量磨機負荷 大小。近幾年由于具有較高靈敏度和較強抗干擾性的球磨機筒體振動信號蘊含大量反映 球磨機負荷運行狀態變化的信息，常被用于改進球磨機負荷狀態識別和參數監測精度。然 而，由于運行過程中球磨機筒體處于不斷旋轉狀態，筒壁上振動信號的獲取存在安裝維護 困難，還涉及振動采集裝置系統的持續供電以及振動信號無線傳輸問題。
【發明內容】
[0003] 針對上述部分問題，本公開提供了一種非接觸式的球磨機旋轉筒體振動信號采集 系統，所述系統包括數據采集端和接收處理端；其中：
[0004] 所述數據采集端包括信號采集模塊、信號調理模塊、AD數據采集模塊、處理器模塊 和無線發送模塊；其中：
[0005] 所述信號采集模塊用于將采集的信號傳輸至信號調理模塊，所述信號采集模塊包 括激光振動傳感器，所述激光振動傳感器用于采集球磨機旋轉筒體的振動信號；
[0006] 所述信號調理模塊，用于將采集的信號依次進行低通濾波，信號放大和相位補償 的處理；
[0007] 所述AD數據采集模塊用于對信號調理模塊調理后的信號轉換為數據，并傳輸至 處理器模塊；
[0008] 所述處理器模塊用于將采集的數據進行信號預處理，并將處理后的數據以無線方 式發送至無線發送模塊；
[0009] 所述無線發送模塊包括無線發送器，用于實時發送數據；
[0010] 所述接收處理端包括無線接收模塊；
[0011] 所述無線接收模塊包括無線接收器，所述無線接收器與無線發送器相匹配，用于 實時接收數據。
[0012] 本公開的信號采集模塊使用激光振動傳感器，其安裝可以脫離筒壁，不用附著至 球磨機表面，進而克服了安裝在筒壁的傳統振動傳感器供電問題；通過無線方式傳輸和接 收數據，不僅滿足數據實時處理的需求，而且提高了系統的可移動性和多用性。
【附圖說明】
[0013] 圖1本公開一個實施例中傳感器位置擺放示意圖；
[0014] 圖2本公開一個實施例中系統的模塊結構示意圖；
[0015] 圖3本公開一個實施例中采用具體元件的系統結構示意圖。
【具體實施方式】
[0016] 在一個基礎的實施例中，提供了一種非接觸式的球磨機旋轉筒體振動信號采集系 統，所述系統包括數據采集端和接收處理端；其中：
[0017] 所述數據采集端包括信號采集模塊、信號調理模塊、AD數據采集模塊、處理器模塊 和無線發送模塊；其中：
[0018] 所述信號采集模塊用于將采集的信號傳輸至信號調理模塊，所述信號采集模塊包 括激光振動傳感器，所述激光振動傳感器用于采集球磨機旋轉筒體的振動信號；
[0019] 所述信號調理模塊，用于將采集的信號依次進行低通濾波，信號放大和相位補償 的處理；
[0020] 所述AD數據采集模塊用于對信號調理模塊調理后的信號轉換為數據，并傳輸至 處理器模塊；
[0021] 所述處理器模塊用于將采集的數據進行信號預處理，并將處理后的數據以無線方 式發送至無線發送模塊；
[0022] 所述無線發送模塊包括無線發送器，用于實時發送數據；
[0023] 所述接收處理端包括無線接收模塊；
[0024] 所述無線接收模塊包括無線接收器，所述無線接收器與無線發送器相匹配，用于 實時接收數據。
[0025] 在這個實施例中，鑒于球磨機振動信號的振動頻率范圍為50KHz~OKHz，而選擇 的傳感器感知外界信號頻率務必大于被采信號的最高頻率，因此所述信號采集模塊使用激 光振動傳感器。由于所述激光振動傳感器的安裝可以脫離筒壁，不用附著至球磨機表面，因 此克服了安裝在筒壁的傳統振動傳感器供電問題；由于通過無線方式傳輸和接收數據，因 此不僅滿足數據實時處理的需求，而且提高了裝置系統的可移動性和多用性。如圖1所示， 將激光傳感器支架放置在上圖的Pl，P2, P3, P4位置分別在箭頭拐角處的點放置傳感器分 別照射至A，B，C，D四點于桶壁上。數據進行4路輪回采樣，可以對某一路進行單獨處理， 也可以將4路數據合成一路，即分辨率提升4倍。優選的，所述激光振動傳感器為單點激光 測振ZLDS100/HS，其測量頻率最大可以達到150KHz，完全在磨機振動頻率范圍之內。
[0026] 在一個實施例中，將所述處理器模塊設計為包括單片機控制器和DSP處理器的模 塊，其中：
[0027] 所述單片機控制器用于發出控制信號；
[0028] 所述DSP處理器用于進行數據中轉、傅里葉頻譜變換，以及控制AD數據采集模塊 進行數據采樣，控制無線發送模塊進行數據傳輸。
[0029] 在這個實施例中，所述單片機控制器用于發出控制信號，用于對整個裝置系統進 行控制，能夠通過SMBus (System Management Bus，系統管理總線）發送指令到DSP處理器。 其中，所述控制信號包括開啟設備，關閉設備，開始無線傳輸數據，進行頻譜變換，復位等信 號。優選的，為了顯示狀態，所述單片機控制器可以配有一個IXD顯示屏，用于顯示當前控 制狀態。所述DSP處理器將采集的數據用于信號預處理，包含粗大噪聲剔除、數字濾波和頻 譜變換等，用戶可通過對單片機控制器的操作，決定DSP處理器將原始數據還是變換后的 頻譜數據通過無線發送模塊發送到到接收處理端。例如，當單片機控制器傳輸一個開啟傳 輸的命令，DSP處理器立即開始控制無線裝置模塊進行數據傳輸。
[0030] 優選的，所述DSP處理器的濾波采用軟件濾波的低通濾波器實現；
[0031] 所述低通濾波器通過MTLAB仿真確定系數，其中：設定通帶邊緣頻率10kHz，阻帶 邊緣頻率22kHz，阻帶衰減75dB，采樣頻率50kHz。
[0032] 在一個實施例中，所述低通濾波器根據MTLAB仿真確定其系數，其中：設定通帶 邊緣頻率50kHz，阻帶邊緣頻率62kHz，阻帶衰減75dB，采樣頻率IOOkHz，則可以得到：
[0033] (1)過渡帶寬度=阻帶邊緣頻率-通帶邊緣頻率=62-50 = 12kHz
[0034] (2)采樣頻率：
[0035] Fl =通帶邊緣頻率 +(過渡帶寬度）/2 = 50000+12000/2 = 56kHz
[0036] Ω 1 = 2 π fl/fs = I. 12 π
[0037] (3)理想低通濾波器脈沖響應：
[0038] hi [n] = sin (η Ω I) /n/ π = sin (1. 12 π η) /n/ π
[0039] 根據要求，選擇凱瑟（Kaiser)窗，窗函數長度為：
[0040] N = 5. 98fs/ 過渡帶寬度=5. 98*100/56 = 10. 7
[0041] 選擇N =11，窗函數為：
[0042] w [η] = 0. 42+0. 5cos (2 π n/11) +0. 8cos (4 π n/11)
[0043] 則濾波器脈沖響應為：
[0044] h [η] = hi [n] w[n] I n I < 11
[0045] h [η] = 0 I n I > 11
[0046] 進一步地，所述無線發送模塊和無線接收模塊之間的無線傳輸的最高速率不能低 于 0· 78M/s〇
[0047] 由于米集的為時域的信號，激光振動傳感器、AD轉換模塊和處理器模塊都有各自 的要求，為了達到指標務必要選擇一個合理的數據采集量。在將模擬量轉換成數字量的過 程中，務必要遵循奈奎斯特時域采樣定理。設定信號的最高頻率為100ΚΗz，則需要以至少 200KHz的速率進行采樣，為了達到一定的精度，以4倍的速率進行采樣，則為400KHz，因此 采樣兩個點之間的時間為：
[0048]
[0049] 在Is內采樣400000個數，每個數共16bit，則Is的數據量為：
[0050] N = 400000 X 16bit = 6. 4X 106bit
[0051] 所以，需要的速度V為：
[0052] V = 6400Kbps = 800KBps = 0· 78MB/s
[0053] 所以，無線傳輸的最高速率不能低于0. 78M/s。
[0054] 優選的，所述DSP處理器為TMS320F28335,用于完成所有的數據處理和功能協調， 其為所述裝置系統的核心，是數據的中轉站，能夠識別主控的命令，并且將數據采集模塊與 無線發送模塊無縫地連接起來。該型號的處理器該DSP芯片采用超長指令字哈佛流水線結 構，在這種架構中，單個周期時間內可以實現多條指令，而每個指令所實現的任務比一般處 理器要少，因此哈佛流水線結構加上優秀的指令集使DSP在指令執行方面獲得了優越性。 其次，就是DSP的時鐘速率，可以倍頻到外部晶振的32倍，其處理速度完全滿足本裝置系統 的使用。
[0055] 但由于TMS320F28335內部的ADC轉換速率比較低，采樣頻率僅僅21. 5KHz，所以只 能采樣一些頻率比較低的信號，進而無法滿足本公開裝置系統的要求。因此，采用擴展ADC 芯片的方式來進行數據信號的采集。
[0056] 優選的，所述TMS320F28335與無線發送模塊之間使用SPI協議進行數據傳輸。 TMS320F28335提供了 SPI外設模塊，通過配置寄存器即可完成對于SPI外設備的操作。在 TMS320F28335為核心的處理器與無線發送模塊在數據交換時，設定TMS320F28335為核心 的處理器為主設備，設定無線發送模塊的RF24L01+芯片為從設備，這樣TMS320F28335在數 據傳輸時候的將提供脈沖信號直至這一輪傳輸結束。