面向齿轮箱内部旋转元件的无线携能传感系统.pdf
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1、第 卷第 期 年 月北京信息科技大学学报(自然科学版)()文 章 编 号:():面向齿轮箱内部旋转元件的无线携能传感系统黄冉耀,贾然(北京信息科技大学 现代测控技术教育部重点实验室,北京 )摘要:针对齿轮箱智能运维技术中面临的旋转元件动态运行状态难以直接实时测量的难题,构建了一种基于无线携能通信(,)的旋转元件状态传感系统。设计了系统电路拓扑结构,通过理论计算分析了齿轮箱内部金属元件对传感系统电路参数的影响规律,并使用有限元方法探究了金属齿轮对传感系统中线圈参数的影响,获得了各线圈在系统中的最佳安装位置;此外,设计了传感系统的电能传输、全双工通信电路的实现方案,并开展了齿轮箱内部元件状态采集实
2、验。本系统为旋转设备内部元件运行状态的监测奠定了技术基础。关键词:齿轮箱;状态监测;无线传感;全双工通信中图分类号:文献标志码:,(,):,(),:;收稿日期:作者简介:第一作者:黄冉耀,男,硕士研究生;通信作者:贾然,男,博士,副研究员。引言齿轮和轴作为齿轮箱内部关键传动元件,其运行状态的好坏直接影响齿轮传动性能。常规有线式的各类传感器难以直接安装于高速动态旋转的齿轮和轴等元件上,造成对该类元件运行状态(如应力、温度等)的直接实时测量困难。通过无线方式实现对旋转状态下的齿轮和轴等元件的实时状态采集成为重要的研究课题。钱黎明等 针对传统齿轮箱振动有线监测系统存在的问题,设计了一种基于 协议的无
3、线传感器系统,实现了齿轮箱振动监测。钟成豪等 设计北京信息科技大学学报(自然科学版)第 卷的传感器系统采用 模块实现齿轮振动信息的传输,为齿轮故障诊断平台实现远程数据采集。阮小飞等 通过外置射频(,)天线传输数据的方式,设计了一种小型振动传感器电路,对机械传动设备状态进行实时监测。上述无线传感器系统虽然能够实现传感器数据的采集和传输,但为传感器提供电能的锂电池体积较大,难以适应齿轮箱内部狭小的空间。因此,采用电池供电的无线传感器系统仍难以布置于齿轮箱内部元件上,这阻碍了对动态旋转元件运行状态信息的实时获取。近年来,电磁耦合式无线供电技术不断发展,使得无线携能通信(,)系统逐渐成熟。系统不仅能够
4、进行双工通信,还能传输电能,非常适合用于无线传感器系统的通信和电能传输。李建国等 总结了 系统常用数字调制方案的优缺点与适用场合,并对电路拓扑、信道优化等问题进行了分析和归纳。张德启 、张涛等 设计了一种用于机械状态监测设备的感应耦合式携能通信系统,提出了平面金属板环境下无线能量传输系统模型,在高效率无线传能的同时实现了系统的全双工无线数据传输功能。然而,在对齿轮箱内部元件运行状态进行监测的实际应用过程中,需充分考虑齿轮、轴等金属元件对无线传感系统参数设计及通信性能的影响;此外,无线传感系统的体积也是当前限制其在齿轮箱内部旋转元件状态监测应用的关键要素。本文提出一种基于 的齿轮箱内部旋转元件状
5、态传感系统,建立了该系统在考虑金属元件影响下的电路模型,并进行理论分析和仿真研究,得到了其中耦合线圈最佳安装位置。并以定轴齿轮箱内部齿轮状态监测为例,开展相应的实验验证。该系统通过直接在齿轮关键部位安装传感器,实现齿轮箱内部元件的实时信息采集。系统结构及工作原理 系统结构基于 系统,提出了一种适用于旋转元件状态监测的无线传感系统,其安装示意图如图 所示。整个系统由转子系统和定子系统 部分组成。其中,转子系统安装在齿轮箱内部的旋转齿轮上,主要由传感器(敏感元件)、转子线圈和转子电路组成;定子系统由固定在齿轮箱内部的定子线圈(平行于转子线圈且线圈内径大于齿轮轴外径)和安放于齿轮箱外部的定子电路组成
6、。当无线传感器系统处于工作状态时,转子系统跟随齿轮旋转,定子系统则相对箱体固定不动。这种无线传感器系统结构方式,实现了传感器和上位机之间没有物理上的直接连接,使整个无线传感器系统可运用于齿轮旋转状态的实时信息采集。图 系统整体安装示意图 电路拓扑结构为了实现传感器系统的电能与数据同时传输,采用 系统进行设计。本系统的电路拓扑结构如图 所示,在实现无线供电的同时进行双工通信。本系统无线供电频率为 ;由于传输传感器数据需要较高频率的载波,载波频率选用 。转子系统和定子系统之间通过一对耦合线圈传输传感器数据和转子系统所需的电能。定子系统通过外接直流电源为整个无线传感器系统供电。图 系统电路拓扑结构
7、系统工作原理当无线传感器系统需要传输电能时,从图 所示电路拓扑结构可知,直流电源提供的直流电首先被逆变电路转换为频率为 的无线供电正弦载波。当这个载波加载到定子系统线圈上时,线圈便会产生交变电磁场。通过电磁感应,转子线圈会产生交变感应电流。这一电流经过整流电路转化为直流电流,随后通过稳压电路转换为稳定的直流电压,从而满足传感器对电能的需求。第 期黄冉耀等:面向齿轮箱内部旋转元件的无线携能传感系统当系统需要发送控制信号时,二进制的控制信号通过控制选通开关状态的方式,实现逆变电路电源幅值的控制,实现控制信号的移幅键控(,)调制。因为电能传输和数据传输的载波信号都是正弦波,可利用 谐振电路的并联和串
8、联的阻抗特性,设计针对能量传输频率和信号传输频率的选频网络,以实现控制信号传输通道与传感器信号传输通道之间互不干扰,以保证系统的有效双工通信。转子系统的选频网络筛选出线圈感应到的 载波信号后,通过包络检波电路后还原出数字信号。幅值提取电路主要实现解调电路与电能传输电路之间隔离,以降低之间的互相影响,增加系统稳定性。当转子系统需要向上位机发送传感器数据时,信号传输选用高频注入式里的并联注入式方法实现。传感器数据的调制使用 方式。功率放大电路将调制后的载波信号进行信号放大,再通过选频网络加载到转子线圈上进行传输。定子系统感应到相应电压后,通过幅值提取和包络检波电路后还原出数字信号,并传输给上位机进
9、行分析处理。电路建模与仿真分析 系统电路原理由于齿轮箱内部元件主要由铁磁性材料构成,当线圈布置其中时内部会产生涡流效应,导致线圈参数发生变化,进而影响无线传感器系统通信性能 。考虑金属元件对线圈参数的影响,构建如图 所示的无线传感系统等效电路。图 系统等效电路 图 中,为逆变电路产生的交流电压,为传感器数据传输时使用的载波电压,为传感器、稳压、包络检波等电路的等效负载电阻。和 为定子线圈与转子线圈的电感,为两线圈互感,和 分别为 和 的谐振电容。、为耦合电感,其中 、和 、分别是耦合电感的主绕组和二级绕组电感。和 为 、串联补偿电容,和 为 、并联谐振电容。电感 、和电容 、并联组成频率选择网
10、络。、分别为金属的等效电感、内阻和内部电流,为金属同转子线圈之间的互感。电路主要参数如表 所示。表 电路主要参数 电路元件参数数值线圈电感、线圈谐振电容、选频网络电感 、选频网络电容 、串联补偿电容 、耦合电感、等效电阻 传递函数计算为更加直观地分析电路参数对信号传输性能的影响,分别对控制信号传递函数和传感器数据传递函数进行理论计算。设 、为谐振电容 和 两端分别提取到传感器数据载波和控制命令载波的电压信号,为幅值提取电路的品质因数,在控制信号传输过程中,数据载波的角频率 为 ()槡 ()转子系统整体电路等效到定子回路的阻抗为 ()根据基尔霍夫定律,可计算出控制信号传递函数为 ()()()同样
11、方法可计算出传感器数据传递函数为 ()()式()()中的 在考虑金属齿轮的影响时需要重新修正为 。()从式()可以看出,转子线圈电感 在考虑金北京信息科技大学学报(自然科学版)第 卷属齿轮后的等效电感 会降低,影响传递函数式()()的结果,进而影响系统的通信质量。然而,难以直接计算得出,需通过有限元仿真求解。线圈参数仿真为详细探究线圈附近金属元件对线圈 、和 参数的影响,根据图 结构采用有限元方法建立耦合线圈的有限元模型如图 所示,模型关键尺寸参数如表 所示。图 三维有限元模型 表 模型参数 部件尺寸金属齿轮轴半径 金属齿轮轴长 金属齿轮半径 齿轮内侧到轴承内侧距离 齿轮侧面凹槽深度 金属齿轮
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