基于加速度传感器的断路器振动监测系统及其监测方法技术方案

本发明专利技术涉及一种断路器振动监测系统及其监测方法，具体涉及一种基于加速度传感器的断路器振动监测系统及其监测方法。该系统包括谐振型无线无源声表面波加速度传感器、阅读器、半导体温度传感器、开关量状态传感器和上位机；加速度传感器安装于断路器关键部件的振动源附近；阅读器安装在距离所述加速度传感器2m以内的位置；半导体温度传感器安装于阅读器表面；开关量状态传感器安装于断路器上；阅读器通过串口和以太网接口与所述上位机通信。本发明专利技术采用无线无源声表面波加速度传感器测量断路器的振动信号，以无线方式传输监测数据，并利用半导体温度传感器实现加速度传感器的温度补偿；加速度传感器具有纯无源、免维护、安装方便、安全性高的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于加速度传感器的断路器振动监测系统及其监测方法
本专利技术涉及一种断路器振动监测系统及其监测方法，具体涉及一种基于加速度传感器的断路器振动监测系统及其监测方法。
技术介绍
高压断路器作为电力系统中发、输、配电环节中的最为重要的设备，它运行的可靠性对于确保电力系统的安全稳定运行具有至关重要的作用。根据CIGRE与中国电科院的调研结果，机械故障占开关设备故障的近37%，因此对开关设备进行机械故障监测显得极为必要。断路器机械状态在线监测所获得的各类信号里，振动信号所反映的设备运行状态信息的信息量最大，近年来很多学者都在从事从断路器动作时产生的振动信号中提取出有用特征信息的研究，并将其用作断路器机械故障诊断数据样本的来源。断路器机械状态的改变导致振动信号的相应变化，尤其是分、合闸操作时，机构会强烈振动，这是利用振动信号作为故障诊断依据的理论基础。另外，振动信号监测方法是非侵入式的测量方法，不改变高压断路器的内部结构，不影响设备的正常运行。振动信号是一系列加速度信号的叠加，所以，利用加速度传感器便可以测量断路器的振动信号。目前，常用的加速度传感器有压电式、压阻式、磁电式几种。压阻式加速度传感器具有频率响应特性好、测量方法易行、线性度好等优点，其缺点是温度效应严重、灵敏度低。压电式加速度传感器结构简单、牢固、体积小、重量轻，加速度测量范围广、具有较强的抗外磁场干扰能力，但它只适合测量高频变化量，且对后续的信号调理电路要求较高。上述两种加速度传感器均采用有线方式与后续处理电路相连，在现场应用中（尤其是开关设备动作时）信号传输线会受到外界电磁干扰，影响测量精度。无线无源声表面波加速度传感器采用无线通信方式传输测量信息，绝缘性好，不存在供电的安全隐患及更换电池的问题，无需后期的工程维护。同时传感器的谐振频率随温度漂移的线性度比较好，容易实现温度补偿。此外，无源声表面波加速度传感器实现了固态化，直接输出频率信号，精度高，灵敏度高，特别是它采用了半导体平面工艺制作，便于批量生产，可靠性、一致性很好，因此，它代表了加速度传感器的发展方向。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种基于加速度传感器的断路器振动监测系统，另一目的是提供一种基于加速度传感器的断路器振动监测方法，本专利技术以无线无源声表面波传感测量技术为核心，利用阅读器采集安装在断路器多个位置的谐振式无源声表面波加速度传感器输出的无线信号，通过计算分析得到断路器的振动信息。所用的加速度传感器具有纯无源、免维护、安全可靠、便于安装等特点。本专利技术的目的是采用下述技术方案实现的：本专利技术提供一种基于加速度传感器的断路器振动监测系统，其改进之处在于，所述系统包括加速度传感器、断路器、阅读器、开关量状态传感器、半导体温度传感器和上位机；所述加速度传感器安装在断路器振动源外表面；所述阅读器安装在距离加速度传感器2m以内的位置；半导体温度传感器安装在阅读器表面；所述开关量状态传感器安装在断路器上；所述阅读器通过串口和以太网接口与所述上位机通信；所述阅读器的微控制器采用STM32F407芯片、射频收发器采用XE1203F芯片以及单刀双掷射频开关采用AS177芯片；所述半导体温度传感器采用DS18B20芯片。进一步地，所述加速度传感器为谐振型无线无源声表面波加速度传感器，断路器的振动源包括灭弧室外的绝缘套筒的垂直方向、操动机构垂直方向和弹簧机构的缓冲器；所述谐振型无线无源声表面波加速度传感器包括悬臂梁、声表面波谐振器、阻抗匹配网络和天线，所述声表面波谐振器镶嵌在悬臂梁的梁臂上；其中声表面波谐振器包括基底、设置在基底上的叉指换能器IDT及叉指换能器IDT两侧的反射栅；所述基底的材料选用石英晶体；悬臂梁为矩形截面，在其末端设置有质量块；所述叉指换能器IDT相连的阻抗匹配网络和天线实现声表面波与电磁波的转换；在叉指换能器IDT两侧排列着反射栅阵列，形成声学谐振腔，即声表面波谐振器。进一步地，所述阅读器通过无线方式获取谐振型无线无源声表面波加速度传感器发射的射频信号，阅读器的上行通信接口将采集到的振动信息传输到上位机；所述阅读器包括天线、单刀双掷射频开关、射频收发器、微控制器、上行通信接口和开关量输入接口；所述天线、单刀双掷射频开关、射频收发器和微控制器依次连接；所述开关量输入接口与微控制器连接；所述上行通信接口与所述微控制器连接。进一步地，所述射频收发器的无线发送、接收端口均通过单刀双掷射频开关与天线连接；所述射频收发器内部集成可调步长500Hz的频率合成器、低通滤波器、功率放大器、压控振荡器和低噪声放大器，用于接收微控制器发送的数据并发射频率可调的射频信号；接收谐振型无线无源声表面波加速度传感器的回波信号并解调为基带信号，输出给微控制器内部集成的A/D转换器。进一步地，所述上行通信接口包括RS232串口和以太网接口；所述RS232串口用于阅读器功能的调试；所述以太网接口用于传输阅读器采集的加速度信号和环境温度信息。进一步地，所述单刀双掷射频开关用于切换天线与射频收发器之间的无线发射与接收链路，由微控制器的通用I/O进行控制。进一步地，所述开关量输入接口由输入滤波电路和光耦隔离电路构成，用于将开关量转换为数字电平信号并输出至微控制器的通用I/O。进一步地，所述微控制器作为阅读器的核心芯片，其内部集成A/D转换器、通用异步收发传输器UART、以太网MAC、SPI接口、通用I/O和中断控制器片上外设；所述微控制器通过SPI接口配置射频收发器的内部寄存器和无线发射频率值，通过通用I/O设置微控制器的发送和接收模式；当接收到射频收发器输出的模拟信号时，启动A/D转换器；所述微控制器通过通用异步收发传输器UART连接RS232收发器构成RS232串口；所述微控制器通过以太网MAC连接以太网收发器构成以太网接口。进一步地，所述半导体温度传感器用于采集环境温度数据，并将环境温度数据传输给阅读器，半导体温度传感器的电源由阅读器内部电路提供；所述半导体温度传感器通过数据线连接到微控制器的通用I/O。进一步地，所述开关量状态传感器用于将断路器的分、合闸状态转换为干结点信号传输给阅读器的开关量输入接口；所述上位机接收阅读器上传的监测数据，通过处理振动信息对断路器进行机械性能分析和故障诊断。本专利技术基于另一目的提供的一种基于加速度传感器的断路器振动监测方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：（1）在断路器振动源的多个位置安装谐振型无线无源声表面波加速度传感器，在距离传感器谐振型无线无源声表面波加速度传感器2m内安装阅读器；（2）阅读器向谐振型无线无源声表面波加速度传感器发射射频信号，谐振型无线无源声表面波加速度传感器中的叉指换能器接收到射频信号后将其转换为声表面波并在石英晶体的基底上形成谐振，最后经过叉指换能器转换为射频信号输出；（3）阅读器以扫频方式向谐振型无线无源声表面波加速度传感器发射射频信号，射频信号的频率范围为428MHz～438MHz；（4）阅读器中的微控制器通过SPI接口向射频收发器写入频率值，调节其发射的射频信号频率；发射过程结束后，微控制器通过通用I/O切换单刀双掷射频开关，同时将射频收发器设置为接收模式；射频收发器接收到信号后，向微控制器的A/D转换器输出经过零中频解调后的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于加速度传感器的断路器振动监测系统，其特征在于，所述系统包括加速度传感器、断路器、阅读器、开关量状态传感器、半导体温度传感器和上位机；所述加速度传感器安装在断路器振动源外表面；所述阅读器安装在距离加速度传感器2m以内的位置；半导体温度传感器安装在阅读器表面；所述开关量状态传感器安装在断路器上；所述阅读器通过串口和以太网接口与所述上位机通信；所述阅读器的微控制器采用STM32F407芯片、射频收发器采用XE1203F芯片以及单刀双掷射频开关采用AS177芯片；所述半导体温度传感器采用DS18B20芯片。

【技术特征摘要】
1.一种基于加速度传感器的断路器振动监测系统，其特征在于，所述系统包括谐振型无线无源声表面波加速度传感器、断路器、阅读器、开关量状态传感器、半导体温度传感器和上位机；所述谐振型无线无源声表面波加速度传感器安装在断路器振动源外表面；所述阅读器安装在距离谐振型无线无源声表面波加速度传感器2m以内的位置；半导体温度传感器安装在阅读器表面；所述开关量状态传感器安装在断路器上；所述阅读器通过串口和以太网接口与所述上位机通信；所述阅读器包括天线、单刀双掷射频开关、射频收发器、微控制器、上行通信接口和开关量输入接口；所述阅读器的微控制器采用STM32F407芯片、射频收发器采用XE1203F芯片以及单刀双掷射频开关采用AS177芯片；所述半导体温度传感器采用DS18B20芯片；所述阅读器通过无线方式获取谐振型无线无源声表面波加速度传感器发射的射频信号，阅读器的上行通信接口将采集到的振动信息传输到上位机；所述天线、单刀双掷射频开关、射频收发器和微控制器依次连接；所述开关量输入接口与微控制器连接；所述上行通信接口与所述微控制器连接；所述射频收发器的无线发送、接收端口均通过单刀双掷射频开关与天线连接；所述射频收发器内部集成可调步长500Hz的频率合成器、低通滤波器、功率放大器、压控振荡器和低噪声放大器，用于接收微控制器发送的数据并发射频率可调的射频信号；接收谐振型无线无源声表面波加速度传感器的回波信号并解调为基带信号，输出给微控制器内部集成的A/D转换器；所述上行通信接口包括RS232串口和以太网接口；所述RS232串口用于阅读器功能的调试；所述以太网接口用于传输阅读器采集的加速度信号和环境温度信息；所述单刀双掷射频开关用于切换天线与射频收发器之间的无线发射与接收链路，由微控制器的通用I/O进行控制；所述开关量输入接口由输入滤波电路和光耦隔离电路构成，用于将开关量转换为数字电平信号并输出至微控制器的通用I/O；所述微控制器作为阅读器的核心芯片，其内部集成A/D转换器、通用异步收发传输器UART、以太网MAC、SPI接口、通用I/O和中断控制器片上外设；所述微控制器通过SPI接口配置射频收发器的内部寄存器和无线发射频率值，通过通用I/O设置微控制器的发送和接收模式；当接收到射频收发器输出的模拟信号时，启动A/D转换器；所述微控制器通过通用异步收发传输器UART连接RS232收发器构成RS232串口；所述微控制器通过以太网MAC连接以太网收发器构成以太网接口。2.如权利要求1所述的断路器振动监测系统，其特征在于，断路器的振动源包括灭弧室外的绝缘套筒的垂直方向、操动机构垂直方向和弹簧机构的缓冲器；所述谐振型无线无源声表面波加速度传感器包括悬臂梁、声表面波谐振器、阻抗匹配网络和天线，所述声表面波谐振器镶嵌在悬臂梁的梁臂上；其中声表面波谐振器包括基底、设置在基底上的叉指换能器IDT及叉指换能器IDT两侧的反射栅；所述基底的材料选用石英晶体；悬臂梁为矩形截面，在其末端设置有质量块；所述叉指换能器IDT相连的阻抗匹配网络和天线实...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛万兴，孙军平，李玉凌，李二霞，史常凯，姜建钊，孙智涛，樊勇华，许保平，周自强，徐晓华，江明强，
申请(专利权)人：国家电网公司，中国电力科学研究院，国网浙江海宁市供电公司，
类型：发明
国别省市：