齿轮轴温遥测系统的设计

徐锡芬

【摘 要】利用非接触式电能接入技术及直接序列扩频数字无线通信技术，完成了温度信号的采集、非接触电能传输、无线数据发射与接收，实现了对轴承温度的遥测。轴承温度遥测试验结果表明，系统所测得的轴承温度与油膜温变化趋势相同，证明该系统满足齿轮轴承温度测量的实际需求。

【关键词】遥测系统；温度测量；非接触供电；无线通信

0.引言

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，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，其在不同转速下的温度是轴承设计中很有价值的参考数据。

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、旋转体测量等。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。

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个部分，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。

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及数据采集器的采集精度。

2.系统设计

2.1双热电偶传感器设计

为了保证双热电偶传感器工作的可靠性，在设计传感器时采用双热电偶方式，由两个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。

2.2非接触式供电系统设计

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。

图1 非接触式供电系统组成

非接触式供电系统工作时，初级变换器将交流电压经过整流、逆变转换成高频交流电流供给初级绕组。初级绕组通过空间耦合的方式把能量耦合到次级绕组，次级绕组输出的是高频电流，根据后级负载特性以及电路系统的工作要求，次级变换器将接收到的信号进行整流、滤波等处理，最终输出直流电压给负载供电。齿轮轴承温度遥测系统中非接触式供电系统原理见图2。

图2 非接触式供电系统原理图

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6种功能模块。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转换。

3.性能测试与轴承温度遥测试验

3.1非接触供电电压试验

齿轮轴承温度遥测系统中的无线信号发射机的正常工作需要一定的工作电压，该电压由非接触供电电源提供。为保证小型感应供电电源的能量供应满足无线信号发射机的需求，应对非接触供电电压进行试验。

试验结果表明，非接触供电电压可达到供电电压（峰峰值）22V左右，由于满足10V即可保证信号采集发射一体机正常工作，因此本文中的非接触式感应供电系统设计合理，可满足实际需求。

3.2轴承温度遥测试验

将齿轮轴承温度遥测系统中的信号采集发射一体机安装在待测轴承上，将接收机接好并连接计算机，将系统和计算机显示软件开启，进行轴承温度的测量。

图3 试验连接示意图

试验圆满完成，验证了系统的可靠性与设计的合理性，通过对比齿轮油膜温度，该轴承温度数据与另一系统测得的油膜温度变化趋势相符，证明测量结果真实有效。

4.结论

本系统实现了对齿轮轴承温度的遥测、采集和存储功能，不仅能够使用户在动力系统加载过程中及时发现轴承温度的异常变化，其所得的不同转速下的温度数据还可作为轴承设计及轴承寿命分析的参考。