嵌入式传感器电路在工业设备运行监测中的应用

1 嵌入式传感器电路的硬件架构设计

嵌入式传感器电路由传感器模块、信号处理模块、通信模块与电源管理模块构成。传感器模块负责采集温度、振动、压力等物理量，并通过模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号；信号处理模块基于 ARM、STM32 等嵌入式微控制器，对数据进行滤波、校准与特征提取；通信模块通过 Wi-Fi、ZigBee、LoRa 等无线协议实现数据传输；电源管理模块采用低功耗设计，延长设备续航时间。例如，在温度监测中，DS18B20 数字温度传感器可直接输出数字信号，简化电路设计，提高数据传输可靠性。

1.1 传感器选型与配置

根据工业设备类型与监测需求，选择不同类型的传感器：

振动传感器：采用 MEMS 加速度计（如 ADXL345），监测齿轮箱、电机等设备的振动频率与幅值，识别轴承磨损、齿轮啮合故障。

温度传感器：使用 PT100 铂电阻或 DS18B20 数字传感器，监测设备关键部位温度，预防过热引发的火灾或设备损坏。

压力传感器：基于压阻效应或电容式原理，监测液压系统、管道压力，防止泄漏或爆裂事故。

电流传感器：通过霍尔效应或罗氏线圈，监测电机电流，识别过载、短路等电气故障。

1.2 信号处理与通信模块设计

信号处理：采用STM32F407 微控制器，集成浮点运算单元（FPU）与数字信号处理（DSP）指令集，实现振动信号的快速傅里叶变换（FFT）与特征提取。

通信模块：根据工业场景需求选择通信协议：

短距离通信：采用 ZigBee 或蓝牙 5.0，适用于车间内设备集群监测，数据传输速率达2Mbps，延迟低于10ms。

长距离通信：使用 LoRa 或 NB-IoT，覆盖范围达 15km ，适用于分布式设备监测，如油田、矿山等场景。

2 嵌入式传感器电路的软件设计与算法实现

2.1 嵌入式操作系统选择

FreeRTOS 作为一款开源且功能强大的实时操作系统，具有轻量级、可裁剪、实时性出色等显著优势。它能够为系统提供可靠的多任务调度机制，通过精心设计的任务调度算法，确保各个任务按照预定的优先级和时间要求有序执行。同时，其优先级管理功能十分精细，允许开发者根据任务的重要性和紧急程度，为不同任务分配不同的优先级，从而保证关键任务能够优先获得系统资源，及时响应外部事件。

RT - Thread 同样是一款优秀的实时操作系统，具备丰富的组件和良好的扩展性。它不仅支持多任务调度与优先级管理，还提供了丰富的中间件和设备驱动，大大简化了系统开发过程。其多任务调度机制能够高效地分配 CPU 时间片，使得多个任务可以并发执行，提高了系统的整体运行效率。

以数控机床监测为例，在系统中运用上述实时操作系统的多任务调度与优先级管理功能，能够实现振动数据采集、温度监测与状态上报等任务的协同运行。由于振动数据对于及时发现机床故障至关重要，因此为其分配最高优先级，确保振动传感器采集到的数据能够第一时间被处理和分析。温度监测任务次之，它能够实时反映机床关键部位的温度变化，为设备的安全运行提供重要参考。而状态上报任务相对不那么紧急，分配最低优先级，在不影响其他关键任务执行的前提下，将机床的运行状态信息定期发送给上位机或监控中心。通过这种优先级分配方式，系统能够高效、有序地完成各项监测任务，保证数控机床的稳定运行。

2.2 故障诊断算法

阈值报警：在系统运行过程中，实时监测这些参数的值，并将其与设定的阈值进行比较。一旦监测数据超过阈值，系统立即触发报警机制，提醒操作人员或相关设备采取相应的措施。例如，在电机运行监测中，电机轴承温度是一个重要的监测参数。由于电机轴承在长时间运行过程中，会因摩擦产生热量，如果温度过高，可能会导致轴承损坏，进而影响电机的正常运行。因此，我们为电机轴承温度设定了一个安全阈值，如 85℃。当传感器监测到电机轴承温度超过 85℃时，系统会自动判断为异常情况，并立即发送停机指令，停止电机运行，以防止故障进一步扩大，保护设备和人员的安全。这种阈值报警机制具有响应速度快、实现简单等优点，能够及时发现设备的明显故障或异常情况。

时域分析：在时域分析中，常用的特征参数包括均方根值（RMS）和峰值因子（CF）等。均方根值反映了振动信号的能量大小，它能够综合考虑振动信号在整个时间范围内的变化情况。当设备出现早期故障时，振动信号的能量可能会发生变化，导致均方根值增大。峰值因子则是峰值与均方根值的比值，它能够反映振动信号的冲击特性。设备故障往往会导致振动信号中出现冲击成分，从而使峰值因子发生变化。通过计算振动信号的这些特征参数，并与设备正常运行时的特征参数进行对比分析，就可以判断设备是否存在早期故障。例如，在机械设备的轴承监测中，定期采集轴承的振动信号，并计算其均方根值和峰值因子。如果发现这些参数的值与正常值相比有明显变化，就可以初步判断轴承可能出现了磨损、疲劳等早期故障，需要及时进行进一步检查和维护。

频域分析：在设备运行过程中，不同的故障类型会产生不同特征频率的振动信号。例如，齿轮啮合过程中会产生特定的齿轮啮合频率，当齿轮出现磨损、断齿等故障时，齿轮啮合频率的幅度和相位会发生变化，同时还会产生一些边频带成分。轴承故障也会产生特定的轴承故障频率，如内圈故障频率、外圈故障频率和滚动体故障频率等。通过 FFT 将采集到的时域振动信号转换为频域信号，然后在频域中对这些特征频率成分进行分析。观察特征频率的幅度变化、是否存在边频带以及边频带的分布情况等，就可以准确判断设备故障的类型和位置。例如，在风力发电机的齿轮箱监测中，如果发现齿轮啮合频率的幅度异常增大，并且出现了明显的边频带，就可以判断齿轮箱中的齿轮可能出现了故障，需要进一步检查和维修。

结束语

嵌入式传感器电路通过集成传感器、通信与计算技术，为工业设备运行监测提供了高效、精准的解决方案。嵌入式传感器电路作为工业智能化的关键基础设施，将持续推动制造业向高效、安全、可持续方向发展。

参考文献

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作者简介：

姓名：高永达

性别：男 出生日期：1995.10

省市（ 籍贯） ：市

民族：汉

学历：本科

职称：助理工程师

研究方向：煤矿电子产品