Page 35 - 电力与能源2023年第五期

徐飞杭，等：远距离无线宽频振动传感器的设计与实现 457

在一些局限性，例如采样率相对较低、通信距离较 表 1 无线通信方式性能对比
短等 ［11］ ，不适合用于一些机械设备，特别是旋转机 通信频段 通信 通信速率 通信 优缺点
协议 距离
械设备的故障诊断 ［12］ 。
优点是传输速率高，
为 了 对 现 有 的 无 线 振 动 传 感 器 进 行 改 进 ， 通信距离远，适用于
Wifi 100 Mbit·s －1 500 m 实时故障诊断和高
本文提出一种远距离宽频无线振动传感器的设 频振动信号采集；缺
计 方 案 ，并 对 其 进 行 蓝 牙 低 能 耗 实 现 。 该 设 计 点是功耗偏高
优 点 是 功 耗 低 、适
采 用 新 型 的 微 机 系 统（MEMS）传 感 器 ，保 证 体 蓝牙低 用于低速率数据采
积和功耗的同时在振动信号采样率上取得了显 能耗 2 Mbit·s －1 100 m 集和较长电池寿命
的 应 用 ；缺 点 是 传
（BLE）
著 提 升 ，可 以 实 现 高 达 20 kHz 的采样频率。此 输速率较低
外，通过 Wifi 协议进行振动数据传输，可实现远距 2.4 GHz 优点是方便建立无
线 传 感 器 网 络 ，实
离振动信号采集。经过对设计方案进行具体实现 现 分 布 式 振 动 监
ZigBee 250 kbit·s －1 20 m
和各项效果测试，验证本文所设计的传感器能够 测 ；缺 点 是 传 输 速
率 较 低 ；通 信 距 离
有效满足设备故障诊断中的高频信号分析和远距 较短
离故障诊断的需求。 各大芯片厂家基于
不固定 2.4 GHz 自 己 定 义
专用 不固
（常见 的 通 信 协 议 ，优 点
1 方案设计 2.4 GHz 2 Mbit·s ） 定 是 灵 活 性 高 ；缺 点
－1
是传输速率较低
针对现有无线振动传感器的低采样率和短通 优 点 是 功 耗 低 ，通
信距离的问题，首先对无线振动传感器中的无线 0.3~50 信 距 离 远 ；缺 点 是
868 MHz LoRa 2 km 传 输 速 率 较 低 ，不
kbit·s －1
通信方式以及振动传感器进行研究，进而提出本 适 用 于 高 速 数 据
传输
设计的选型方案。
1.1 无线通信方式 芯片 ［17］ ，使得 MEMS 传感器更加适用于无线振动
表 1 比较了 2.4 GHz 和 868 MHz 这两种主要 传感器这种轻量化和低功耗的应用场景。
的无线振动传感器通信方式，并有针对性地分析 1.3 选型方案
了每种通信方式在无线振动传感器应用中的优 基于对无线通信方式和振动传感器的分析和

缺点。 比较，最终确定使用 2.4 GHz 通信频段的 Wifi 通
1.2 振动传感器 信协议作为无线振动传感器的无线通信方式，在
传统振动传感器主要采用压电陶瓷作为机电 牺牲一定续航的情况下，实现振动数据的高速和
转换元件 ［13］ ，通过压电效应将振动信号转换为电 远距离传输；确定使用新型高带宽 MEMS 振动传
信号。这种传感器具有较高的信号灵敏度和较宽 感器，实现无线振动传感器的轻量化以及对高频
的动态范围，然而，其在体积、质量和能耗方面存 振动信号的采集。
在一定的局限性 ［14］ 。
2 硬件设计
MEMS 振动传感器是一种将电子和微机械
结构集成在一起的微型传感器 ［15］ 。相较于传统振 在无线通信方式和振动传感器的选型基础
动传感器，MEMS 传感器具有更小的体积、更小 上，综合考虑无线振动传感器的设计需求，对其他
的质量和更低的能耗 ［16］ 。过去，由于带宽较小和 硬件部件进行了选型和设计，实现了以下硬件设

信号灵敏度较低等原因，MEMS 传感器一直作为 计方案，如图 1 所示。
传统振动传感器的下位替代。然而，随着技术的 硬件设计方案主要包括以下 4 个部分。
发展，这些问题已经得到了解决，目前已经出现了 （1）使用乐鑫科技的 ESP32S3 高性能模组作
具有 11 kHz 带宽、适用于宽频响应的商用 MEMS 为 无 线 振 动 传 感 器 的 主 控 ，也 可 同 时 作 Wifi 通