陳關君，咸婉婷，劉宗瑞，梁明珅

（中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引言

大型齒輪是艦船、車輛及大型傳動設備中重要的部件之一，連接齒輪的軸承在旋轉過程中，由于摩擦力等因素將會隨著轉速升高出現(xiàn)溫度提升的現(xiàn)象，因此，對于齒輪軸承溫度的測量對于軸承使用、軸承設計以及軸承壽命分析具有重大意義。對于齒輪軸承溫度的測量只有在軸旋轉的過程中才有實際意義，軸的旋轉為直接測量帶來不便，數(shù)據(jù)傳輸與供電均無法實現(xiàn)布線，因此，常規(guī)的測試測量設備無法在這一特殊應用環(huán)境下進行安裝［1］。

在某些特殊的應用環(huán)境下，物理量的測量可采用遙測系統(tǒng)來完成。如，測試設備無法進行安裝的高溫、高壓環(huán)境、旋轉體測量、生物過程監(jiān)測、核輻射環(huán)境、海洋考察、大氣監(jiān)測以及微小空間環(huán)境等［2］。對于齒輪軸承溫度的測量，可歸為旋轉體測量，可以通過遙測系統(tǒng)來實現(xiàn)。

本文根據(jù)這一應用的特點設計了一種齒輪軸承溫度遙測系統(tǒng)，以達到在軸旋轉過程中測量軸承溫度的目的。通過對非接觸感應供電技術和無線數(shù)據(jù)傳輸技術的研究，解決了遙測系統(tǒng)中電能傳輸和數(shù)據(jù)傳輸兩項關鍵技術［3］，完成了齒輪軸承溫度測量系統(tǒng)的研制。

1 工作原理

軸承溫度的測量通過6個帶冷端補償?shù)臒犭娕紒韺崿F(xiàn)，整個系統(tǒng)主要分為兩部分，即信號采集發(fā)射一體機和接收機。信號采集發(fā)射一體機中包含信號調理和采集模塊以及無線發(fā)射機;接收機包含無線接收機、數(shù)據(jù)處理器以及模擬/數(shù)字輸出模塊。

齒輪軸承溫度遙測系統(tǒng)的工作原理框圖見圖1。

信號采集發(fā)射一體機中的信號調理和采集模塊包含7個模擬通道，其中前6個通道可接熱電偶，第7通道用作熱電偶的冷端補償。每個熱電偶通道都有獨立的信號調理電路，以保證信號的信號質量和數(shù)據(jù)采集器的采集精度。

圖1 齒輪軸承溫度遙測系統(tǒng)原理框圖Fig 1 Principle block diagram of temperature remote measurement system of axletree on gear

數(shù)據(jù)處理器按照一定的時鐘節(jié)拍同步觸發(fā)數(shù)據(jù)采集器對相應通道的熱電偶信號進行采集，以保證所測得的數(shù)據(jù)為同一時刻不同位置的軸溫數(shù)據(jù)。

信號采集發(fā)射一體機中的無線發(fā)射機將數(shù)據(jù)采集器輸出的信號進行基帶調制，并將信號進行擴頻處理后通過射頻功率放大器耦合到天線進行發(fā)射。無線接收機將接收到的信號進行解調，然后輸出給數(shù)據(jù)處理器進行數(shù)據(jù)的處理。數(shù)據(jù)處理器的作用相當于解釋器，它將數(shù)據(jù)轉換為模擬電壓信號和并行的數(shù)字信號進行輸出。

信號采集發(fā)射一體機中的非接觸供電模塊是電能耦合的次級，其中包含了補償電路、整流電路、濾波電路等。非接觸供電系統(tǒng)中，初級和次級線圈均需要補償電路與之配合來完成電能耦合。接收機的非接觸供電模塊是電能耦合的初級，包含功率放大器、匹配電路等。

通過信號采集發(fā)射一體機和接收機的協(xié)同工作，軸承溫度遙測系統(tǒng)可以完成對溫度信號的采集、發(fā)射及接收。

2 系統(tǒng)設計

2．1 雙熱電偶設計

為了保證雙熱電偶工作的可靠性，在設計時采用雙熱電偶方式，由2只熱電極材料相同的有效熱電偶組成。這樣的冗余設計可以保證當其中一個熱電偶失效時，另一個熱電偶仍然能夠正常工作，而不會導致整個遙測系統(tǒng)失效。雙熱電偶的結構示意圖如圖2所示。

雙熱電偶的熱電極材料選擇鉻鎳—考銅（分度號EA-2），由襯套、保護管、固定式法蘭以及熱電偶線纜組成。熱電偶線纜外層包有用于保護熱電偶的金屬編織網。

2．2 非接觸式供電系統(tǒng)設計

圖2 雙熱電偶結構示意圖Fig 2 Structure diagram of double-thermocouple

針對固定電力系統(tǒng)向移動用電設備供電的問題，新西蘭奧克蘭大學Boys教授為首的課題組率先研究并實現(xiàn)了基于電磁耦合原理的電力能量傳導技術，產生感應耦合電能傳輸（inductive coupled power transfer，ICPT）技術［4］。

本文設計的非接觸式供電系統(tǒng)基于ICPT原理，其組成包含初級變換器、非接觸變壓器以及次級變換器，如圖3。

圖3 非接觸式供電系統(tǒng)組成Fig 3 Constitution of inductive power supply system

本文采用振蕩器結合功率放大器的方式實現(xiàn)初級繞組的驅動，使用2個環(huán)形繞組作為初、次級繞組組成非接觸變壓器，初、次級繞組均附加補償電路，以達到最佳的電能耦合效果。振蕩器產生單頻正弦波，由功率放大器放大，用以驅動非接觸變壓器的初級繞組，初級繞組上將產生交變的電流從而在其周圍的空間產生交變磁場，次級繞組切割初級繞組產生的交變磁場，從而產生感應電動勢。齒輪軸承溫度遙測系統(tǒng)中非接觸式供電系統(tǒng)原理見圖4。

非接觸變壓器采用罐狀鐵芯變壓器結構，同軸安裝的方式可達到較好的電磁耦合效果。圖5為罐狀鐵芯變壓器結構的剖面示意圖。

圖4 非接觸式供電系統(tǒng)原理圖Fig 4 Principle diagram of inductive power supply system

圖5 罐狀鐵芯變壓器示意圖Fig 5 Diagram of pot type iron-core transformer

2．3 信號采集發(fā)射一體機設計

信號采集發(fā)射一體機分為電源模塊、傳感器、信號放大模塊、信號濾波模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、調制器和遙測發(fā)射機7個模塊，它們共同完成溫度信號的拾取、調理、采集、數(shù)字調制和無線發(fā)射，完成溫度信號到無線數(shù)據(jù)的轉換。信號采集發(fā)射一體機的工作原理框圖如圖6所示。

信號放大模塊采用了高輸入阻抗的信號放大技術，具有較高的共模抑制比，提高了噪聲的抑制性能。信號濾波模塊采用了二階低通有源濾波技術，具有良好的濾波效果，達到了通帶平坦度和帶外衰減的最佳平衡，提高了溫度信號的信噪比。數(shù)據(jù)采集部分采用了多路復用技術，以降低系統(tǒng)的復雜度，提高集成度。調制器模塊采用了先進的可編程數(shù)字邏輯技術，區(qū)別于處理器的軟件控制技術，直接由硬件控制溫度數(shù)據(jù)信號的編碼。

圖6 信號采集發(fā)射一體機原理框圖Fig 6 Principle block diagram of integrator of signal collecting and sending

信號采集發(fā)射一體機通過信號放大、濾波、多路復用及采集、數(shù)字調制和無線發(fā)射5個步驟將溫度信號通過無線信道發(fā)送給無線信號接收機，無線信號接收機通過對無線信號進行接收、數(shù)字解調、數(shù)據(jù)輸出以及信號調理完成電壓信號的輸出，最終完成溫度信號的遙測功能。

2．4 無線信號接收機設計

無線信號接收機包含遙測接收機、數(shù)字解調器、數(shù)據(jù)分配模塊、輸出基準、數(shù)據(jù)輸出模塊以及輸出濾波器模塊（LPF）6種功能模塊。其中，使用了固化的數(shù)字邏輯技術、數(shù)字解調技術以及二階有源低通濾波器技術。這些模塊共同完成無線信號的接收、解碼和數(shù)據(jù)拆分、數(shù)據(jù)分配、數(shù)據(jù)輸出以及濾波整型，完成溫度數(shù)據(jù)到標準電壓信號的轉換。無線信號接收機的原理框圖如圖7所示。

遙測接收機使用直接序列擴頻技術，通過對無線通信信號進行解擴和相應的其他解調操作，將無線通信數(shù)據(jù)包進行恢復;解調器模塊采用先進的可編程數(shù)字邏輯技術，產生固化的數(shù)字邏輯，直接由硬件控制數(shù)據(jù)包的解碼，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。解調器首先對接收到的無線通信數(shù)據(jù)包進行解碼操作，將其恢復成由普通二進制數(shù)據(jù)位組成的數(shù)據(jù)包，如解調器計算得到的差錯控制字段與數(shù)據(jù)包相同，解調器就對數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)進行拆分，將拆分后的數(shù)據(jù)以并行的方式傳送給數(shù)據(jù)分配模塊;數(shù)據(jù)分配模塊對數(shù)據(jù)進行分配，它將解調器輸出數(shù)據(jù)進行緩存，根據(jù)每個數(shù)據(jù)的標記將其分配給相對應的數(shù)據(jù)輸出模塊。

圖7 無線信號接收機原理框圖Fig 7 Principle block diagram of wireless signal receiver

本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分配模塊采用固化的數(shù)字可編程邏輯技術，具有較高的實時性和可靠性。數(shù)據(jù)分配模塊通過系統(tǒng)工作時鐘與數(shù)字解調器、數(shù)據(jù)輸出模塊同步工作，完成溫度數(shù)據(jù)的解碼、拆分、分配和輸出等工作。數(shù)據(jù)輸出模塊有專用輸出基準，用于為溫度電壓信號提供基準電壓。數(shù)據(jù)輸出模塊輸出的電壓信號是對輸出基準的詳細劃分，劃分功能由數(shù)模轉換器實現(xiàn)，通過高精度數(shù)模轉換器，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出模塊的高精度輸出。

3 性能測試與軸承溫度遙測實驗

3．1 非接觸供電電壓實驗

齒輪軸承溫度遙測系統(tǒng)中的無線信號發(fā)射機的正常工作需要一定的工作電壓，該電壓由非接觸供電電源提供。為保證小型感應供電電源的能量供應滿足無線信號發(fā)射機的需求，應對非接觸供電電壓進行實驗。

按照圖8所示連接實驗設備，實驗結果見表1。

圖8 實驗設備連接關系框圖Fig 8 Relation block diagram of experimental equipment connection

表1 供電電壓實驗結果Tab 1 Experimental result of voltage of power supply

實驗結果表明:非接觸供電電壓可達到供電電壓（峰峰值）22 V左右，由于滿足10 V即可保證信號采集發(fā)射一體機正常工作，因此，本文中的非接觸式感應供電系統(tǒng)設計合理，可滿足實際需求。

3．2 軸承溫度遙測實驗

在不同工況下進行實驗，實驗結果如表2所示。

表2 軸承溫度遙測實驗結果Tab 2 Experimental result of temperature of axletree

通過對比齒輪油膜溫度，該軸承溫度數(shù)據(jù)與另一系統(tǒng)測得的油膜溫度變化趨勢相符，證明測量結果真實有效。

4 結論

齒輪軸承溫度遙測系統(tǒng)的研制融合了溫度測量技術、非接觸式感應供電技術和無線通信技術等關鍵技術，解決了在軸承旋轉過程中的對溫度進行測量工程問題。

本系統(tǒng)實現(xiàn)了對齒輪軸承溫度的遙測、采集和存儲功能，不僅能夠使用戶在動力系統(tǒng)加載過程中及時發(fā)現(xiàn)軸承溫度的異常變化，其所得的不同轉速下的溫度數(shù)據(jù)還可作為軸承設計和軸承壽命分析的參考。

［1］ 魯旭濤，黃 錚，孫運強．動態(tài)扭矩測試儀的研制［J］．現(xiàn)代電子技術，2006（16）:39－40．

［2］ 高金峰，徐 磊．并聯(lián)諧振型非接觸供電平臺的頻率控制與設計［J］．鄭州大學學報，2006（4）:66－70．

［3］ 郭彩萍．采用無線供電的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)［J］．福建電腦，2008（4）:159．

［4］ 杜雪飛．非接觸式電能接入技術及裝置［D］．重慶:重慶大學，2004:11－29．

［5］ 蘇玉剛，王智慧，孫 躍，等．非接觸供電移相控制系統(tǒng)建模研究［J］．電工技術學報，2008（7）:92－97．