齿轮轴承温度遥测系统设计

2012-10-22陈关君咸婉婷刘宗瑞梁明珅

传感器与微系统 2012年6期

陈关君，咸婉婷，刘宗瑞，梁明珅

（中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江哈尔滨 150001）

0 引言

大型齿轮是舰船、车辆及大型传动设备中重要的部件之一，连接齿轮的轴承在旋转过程中，由于摩擦力等因素将会随着转速升高出现温度提升的现象，因此，对于齿轮轴承温度的测量对于轴承使用、轴承设计以及轴承寿命分析具有重大意义。对于齿轮轴承温度的测量只有在轴旋转的过程中才有实际意义，轴的旋转为直接测量带来不便，数据传输与供电均无法实现布线，因此，常规的测试测量设备无法在这一特殊应用环境下进行安装［1］。

在某些特殊的应用环境下，物理量的测量可采用遥测系统来完成。如，测试设备无法进行安装的高温、高压环境、旋转体测量、生物过程监测、核辐射环境、海洋考察、大气监测以及微小空间环境等［2］。对于齿轮轴承温度的测量，可归为旋转体测量，可以通过遥测系统来实现。

本文根据这一应用的特点设计了一种齿轮轴承温度遥测系统，以达到在轴旋转过程中测量轴承温度的目的。通过对非接触感应供电技术和无线数据传输技术的研究，解决了遥测系统中电能传输和数据传输两项关键技术［3］，完成了齿轮轴承温度测量系统的研制。

1 工作原理

轴承温度的测量通过6个带冷端补偿的热电偶来实现，整个系统主要分为两部分，即信号采集发射一体机和接收机。信号采集发射一体机中包含信号调理和采集模块以及无线发射机;接收机包含无线接收机、数据处理器以及模拟/数字输出模块。

齿轮轴承温度遥测系统的工作原理框图见图1。

信号采集发射一体机中的信号调理和采集模块包含7个模拟通道，其中前6个通道可接热电偶，第7通道用作热电偶的冷端补偿。每个热电偶通道都有独立的信号调理电路，以保证信号的信号质量和数据采集器的采集精度。

图1 齿轮轴承温度遥测系统原理框图Fig 1 Principle block diagram of temperature remote measurement system of axletree on gear

数据处理器按照一定的时钟节拍同步触发数据采集器对相应通道的热电偶信号进行采集，以保证所测得的数据为同一时刻不同位置的轴温数据。

信号采集发射一体机中的无线发射机将数据采集器输出的信号进行基带调制，并将信号进行扩频处理后通过射频功率放大器耦合到天线进行发射。无线接收机将接收到的信号进行解调，然后输出给数据处理器进行数据的处理。数据处理器的作用相当于解释器，它将数据转换为模拟电压信号和并行的数字信号进行输出。

信号采集发射一体机中的非接触供电模块是电能耦合的次级，其中包含了补偿电路、整流电路、滤波电路等。非接触供电系统中，初级和次级线圈均需要补偿电路与之配合来完成电能耦合。接收机的非接触供电模块是电能耦合的初级，包含功率放大器、匹配电路等。

通过信号采集发射一体机和接收机的协同工作，轴承温度遥测系统可以完成对温度信号的采集、发射及接收。

2 系统设计

2．1 双热电偶设计

为了保证双热电偶工作的可靠性，在设计时采用双热电偶方式，由2只热电极材料相同的有效热电偶组成。这样的冗余设计可以保证当其中一个热电偶失效时，另一个热电偶仍然能够正常工作，而不会导致整个遥测系统失效。双热电偶的结构示意图如图2所示。

双热电偶的热电极材料选择铬镍—考铜（分度号EA-2），由衬套、保护管、固定式法兰以及热电偶线缆组成。热电偶线缆外层包有用于保护热电偶的金属编织网。

2．2 非接触式供电系统设计

图2 双热电偶结构示意图Fig 2 Structure diagram of double-thermocouple

针对固定电力系统向移动用电设备供电的问题，新西兰奥克兰大学Boys教授为首的课题组率先研究并实现了基于电磁耦合原理的电力能量传导技术，产生感应耦合电能传输（inductive coupled power transfer，ICPT）技术［4］。

本文设计的非接触式供电系统基于ICPT原理，其组成包含初级变换器、非接触变压器以及次级变换器，如图3。

图3 非接触式供电系统组成Fig 3 Constitution of inductive power supply system

本文采用振荡器结合功率放大器的方式实现初级绕组的驱动，使用2个环形绕组作为初、次级绕组组成非接触变压器，初、次级绕组均附加补偿电路，以达到最佳的电能耦合效果。振荡器产生单频正弦波，由功率放大器放大，用以驱动非接触变压器的初级绕组，初级绕组上将产生交变的电流从而在其周围的空间产生交变磁场，次级绕组切割初级绕组产生的交变磁场，从而产生感应电动势。齿轮轴承温度遥测系统中非接触式供电系统原理见图4。

非接触变压器采用罐状铁芯变压器结构，同轴安装的方式可达到较好的电磁耦合效果。图5为罐状铁芯变压器结构的剖面示意图。

图4 非接触式供电系统原理图Fig 4 Principle diagram of inductive power supply system

图5 罐状铁芯变压器示意图Fig 5 Diagram of pot type iron-core transformer

2．3 信号采集发射一体机设计

信号采集发射一体机分为电源模块、传感器、信号放大模块、信号滤波模块、数据采集模块、调制器和遥测发射机7个模块，它们共同完成温度信号的拾取、调理、采集、数字调制和无线发射，完成温度信号到无线数据的转换。信号采集发射一体机的工作原理框图如图6所示。

信号放大模块采用了高输入阻抗的信号放大技术，具有较高的共模抑制比，提高了噪声的抑制性能。信号滤波模块采用了二阶低通有源滤波技术，具有良好的滤波效果，达到了通带平坦度和带外衰减的最佳平衡，提高了温度信号的信噪比。数据采集部分采用了多路复用技术，以降低系统的复杂度，提高集成度。调制器模块采用了先进的可编程数字逻辑技术，区别于处理器的软件控制技术，直接由硬件控制温度数据信号的编码。

图6 信号采集发射一体机原理框图Fig 6 Principle block diagram of integrator of signal collecting and sending

信号采集发射一体机通过信号放大、滤波、多路复用及采集、数字调制和无线发射5个步骤将温度信号通过无线信道发送给无线信号接收机，无线信号接收机通过对无线信号进行接收、数字解调、数据输出以及信号调理完成电压信号的输出，最终完成温度信号的遥测功能。

2．4 无线信号接收机设计

无线信号接收机包含遥测接收机、数字解调器、数据分配模块、输出基准、数据输出模块以及输出滤波器模块（LPF）6种功能模块。其中，使用了固化的数字逻辑技术、数字解调技术以及二阶有源低通滤波器技术。这些模块共同完成无线信号的接收、解码和数据拆分、数据分配、数据输出以及滤波整型，完成温度数据到标准电压信号的转换。无线信号接收机的原理框图如图7所示。

遥测接收机使用直接序列扩频技术，通过对无线通信信号进行解扩和相应的其他解调操作，将无线通信数据包进行恢复;解调器模块采用先进的可编程数字逻辑技术，产生固化的数字逻辑，直接由硬件控制数据包的解码，具有较高的可靠性和稳定性。解调器首先对接收到的无线通信数据包进行解码操作，将其恢复成由普通二进制数据位组成的数据包，如解调器计算得到的差错控制字段与数据包相同，解调器就对数据包中数据进行拆分，将拆分后的数据以并行的方式传送给数据分配模块;数据分配模块对数据进行分配，它将解调器输出数据进行缓存，根据每个数据的标记将其分配给相对应的数据输出模块。

图7 无线信号接收机原理框图Fig 7 Principle block diagram of wireless signal receiver

本系统中，数据分配模块采用固化的数字可编程逻辑技术，具有较高的实时性和可靠性。数据分配模块通过系统工作时钟与数字解调器、数据输出模块同步工作，完成温度数据的解码、拆分、分配和输出等工作。数据输出模块有专用输出基准，用于为温度电压信号提供基准电压。数据输出模块输出的电压信号是对输出基准的详细划分，划分功能由数模转换器实现，通过高精度数模转换器，可实现数据输出模块的高精度输出。