張 鞏，劉學(xué)廣，謝政宇，張二寶，閆 明，譚 鑒，吳牧云

(哈爾濱工程大學(xué)動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

旋轉(zhuǎn)軸系在水力發(fā)電、動(dòng)力推進(jìn)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但如果旋轉(zhuǎn)軸系發(fā)生故障將影響機(jī)械設(shè)備安全.因此，優(yōu)化軸系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以更加高效、可靠地監(jiān)測(cè)軸系的工作狀態(tài).作為發(fā)電機(jī)組、壓縮機(jī)、推進(jìn)軸系等旋轉(zhuǎn)動(dòng)力軸系難以回避的問題，軸系扭振是影響軸系工作可靠性與使用壽命的主要因素之一[1].提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軸系監(jiān)測(cè)和預(yù)警性能，可有效避免因未及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸系異常引發(fā)的事故.目前，對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸系狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究主要集中在扭矩與振動(dòng)等方面.

軸系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器、信號(hào)傳輸模塊、上位機(jī)和相關(guān)電路等構(gòu)成.軸系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的部分傳感器(如應(yīng)變片傳感器)電路貼附于旋轉(zhuǎn)軸上，在旋轉(zhuǎn)軸工作狀態(tài)下，如果通過導(dǎo)線給傳感器電路供電，將導(dǎo)致導(dǎo)線纏繞；若使用傳統(tǒng)的導(dǎo)電滑環(huán)供電，長(zhǎng)時(shí)間工作后會(huì)導(dǎo)致滑環(huán)磨損和接觸不良，以上情況必然導(dǎo)致軸系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度下降、可靠性降低[2]，而依賴外部電能供應(yīng)或由電池供電，依舊存在當(dāng)電能不穩(wěn)定或電池電能儲(chǔ)存不足時(shí)導(dǎo)致的傳感器工作不穩(wěn)定問題，給長(zhǎng)時(shí)間軸系監(jiān)測(cè)帶來影響.非接觸式電能供應(yīng)可以避免使用導(dǎo)線或滑環(huán)連接.目前，無線供電技術(shù)在非接觸的電能供應(yīng)方面使用廣泛.根據(jù)不同原理，無線供電技術(shù)主要分為感應(yīng)耦合式與磁耦合諧振式兩種[3].無線供電技術(shù)的缺陷在于依賴外部電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，依舊無法解決外部電能供應(yīng)問題，所以，有必要設(shè)計(jì)一款基于自供電的軸系數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)解決這一問題.本文設(shè)計(jì)一種自供電軸系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的自供電裝置基于電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)，不需外部電能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換就可實(shí)現(xiàn)軸系上傳感器電路的電能自供應(yīng).根據(jù)不同轉(zhuǎn)速條件下產(chǎn)生的感應(yīng)電能，設(shè)計(jì)相關(guān)的整流穩(wěn)壓電路，以便為后續(xù)的傳感器工作電路提供穩(wěn)定電能.傳感器測(cè)量到的軸系參數(shù)通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)軸系狀態(tài)監(jiān)測(cè).

1 電磁感應(yīng)自供電裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于自供電的軸系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要涉及以下幾個(gè)設(shè)計(jì)：電磁感應(yīng)自供電模塊、整流穩(wěn)壓電路、數(shù)據(jù)測(cè)量傳輸模塊、上位機(jī)數(shù)據(jù)處理界面.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，其中，軸系在轉(zhuǎn)速w0的工作條件下，帶動(dòng)電磁感應(yīng)自供電模塊中的繞組線圈切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)u0，經(jīng)過整流穩(wěn)壓電路處理后得到工作電壓V0，為數(shù)據(jù)測(cè)量模塊和信號(hào)處理電路供電.測(cè)量的軸系參數(shù)通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送至上位機(jī)，上位機(jī)通過相關(guān)數(shù)據(jù)處理算法處理分析數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)軸系狀態(tài)監(jiān)測(cè).

圖1 自供電軸系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文依據(jù)大型旋轉(zhuǎn)軸工作狀態(tài)得到相關(guān)參數(shù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，采用應(yīng)變片測(cè)量軸系扭矩參數(shù)，通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸數(shù)據(jù)，并在上位機(jī)中顯示.

圖2 自供電模塊模型

1.2 電磁感應(yīng)自供電模塊的模型構(gòu)建

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，優(yōu)先考慮3個(gè)設(shè)計(jì)原則：1)自供電模塊在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能產(chǎn)生符合設(shè)計(jì)預(yù)期的電能；2)改變較少的設(shè)計(jì)參數(shù)和尺寸，自供電模塊可以得到符合要求的設(shè)計(jì)模型；3)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度不高，易于加工生產(chǎn).為實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)軸上傳感器電路的能量供應(yīng)，按照上述設(shè)計(jì)原則，基于電磁感應(yīng)原理和永磁發(fā)電機(jī)理論，設(shè)計(jì)了一款電磁感應(yīng)自供電裝置.自供電模塊模型見圖2.整個(gè)結(jié)構(gòu)為四等分結(jié)構(gòu)，對(duì)于每一個(gè)等分，永磁體都均勻分布于固定外殼上，產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)；疊鋼片構(gòu)成的轉(zhuǎn)子鐵芯固定在旋轉(zhuǎn)軸上，多匝繞組線圈纏繞在轉(zhuǎn)子鐵芯上.結(jié)合某軸系尺寸構(gòu)建模型轉(zhuǎn)軸，軸直徑D為110 mm，工作轉(zhuǎn)速為600～1 200 r/min.

該裝置的工作狀態(tài)類似于發(fā)電機(jī)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，線圈一同運(yùn)動(dòng)，每根導(dǎo)線中都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，這些電壓疊加在一起就成為一個(gè)電源[4].由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，長(zhǎng)l的導(dǎo)體在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中以速度v切割磁感線時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=nBlv[5].

永磁體材料和相關(guān)磁介質(zhì)材料選擇，需要考慮永磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度，選擇剩磁、矯頑力、磁積能較高，溫度系數(shù)小，具有良好韌性和延展性的永磁體[6].永磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度H與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系為

B=μ0μrH+Br，

其中：μ0為真空磁導(dǎo)率；μr為材料相對(duì)磁導(dǎo)率；Br為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度.永磁體的磁通量φ=∮SBdS.

繞組線圈的選擇需要考慮鄰近效應(yīng)和趨膚效應(yīng)的影響，故選用多匝線圈.在短路條件下，導(dǎo)體中的最大電流

其中：ρ為導(dǎo)線的電阻率；SC為導(dǎo)體的橫截面積；R為繞組電阻.可得到功率

(1)

由式(1)可以看出，磁路設(shè)計(jì)應(yīng)盡量采用高剩磁永磁體和高磁導(dǎo)率材料，以使氣隙具有較高的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并在空間布局允許的情況下盡量加大繞組直徑和橫截面積[5].綜合分析可知，該設(shè)計(jì)模型的主要參數(shù)有永磁材料的剩余磁通，繞組的導(dǎo)線匝數(shù)、長(zhǎng)度.在參數(shù)設(shè)定后，需要分析、評(píng)估不同轉(zhuǎn)速下模型的感應(yīng)電能特性.

1.3 自供電模型參數(shù)改進(jìn)對(duì)比

在建模過程中，簡(jiǎn)化了部分機(jī)械結(jié)構(gòu).結(jié)合實(shí)物模型，將軸直徑D1設(shè)定為100 mm；繞組線圈簡(jiǎn)化為整體，其直徑d設(shè)計(jì)為10 mm，圓心與軸心距離LR=63 mm，導(dǎo)線材料選用銅質(zhì)導(dǎo)線，繞組線圈匝數(shù)n=50；永磁體選用鐵釹硼材料，厚度w=20 mm；裝置長(zhǎng)度l=100 mm，其剩余磁通Br=1.414 T，垂直磁鐵指向軸徑；固定永磁體外殼為鐵，厚度為20 mm；旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為ω=600 r/min.

利用COMSOL仿真軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真.線圈輸出電壓波形見圖3，t=0.05 s時(shí)系統(tǒng)的磁感線和磁通密度見圖4.由圖3可見：在上述理想條件下仿真，本模型線圈感應(yīng)電壓u0輸出曲線近似為一條正弦波曲線，電壓峰值Up=16 V，周期為0.05 s.經(jīng)過后期電路處理，該輸出電壓工作電路能夠提供穩(wěn)定電能.

調(diào)整參數(shù)并進(jìn)行仿真，以對(duì)比電壓輸出特性，優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu).表1為模型在不同參數(shù)下的輸出電壓特性.結(jié)果顯示：輸出電壓特性達(dá)到了預(yù)期效果；線圈匝數(shù)、裝置長(zhǎng)度對(duì)輸出電壓的影響較大，剩余磁通對(duì)輸出電壓的影響相對(duì)較小.

表1 不同條件下的輸出電壓特性

由表1可知，在軸轉(zhuǎn)速為600～900 r/min條件下，自供電裝置的輸出電能近似為正弦交流電(如圖3所示)，該交流電特性為(15 V，10 Hz)～(10 V，20 Hz)，可以為后續(xù)電路提供足夠的電能.

2 整流穩(wěn)壓電路模型與測(cè)試

2.1 整流穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

將交流電變?yōu)橹绷麟姺Q為整流，其作用是將功率從電源傳向負(fù)載.凡是能將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電路統(tǒng)稱為整流電路，按電路控制特點(diǎn)可分為不可控整流電路、半控整流電路、全控整流電路[7].橋式不可控整流電路常用于小功率單相交流輸入場(chǎng)合，由于電路中的電力電子器件采用了整流二極管，故也稱為二極管整流電路[8]；可控電力電子器件需要通過外接控制信號(hào)來控制開關(guān)的開通、關(guān)斷.

結(jié)合旋轉(zhuǎn)軸系工作狀態(tài)，采用無源電子元件設(shè)計(jì)無源整流濾波電路.無源濾波的主要形式有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波，本設(shè)計(jì)采用電容濾波電路.由于電容放電時(shí)間常數(shù)(τ=RLC)愈大，放電愈慢，輸出電壓愈高，濾波效果愈好，故C、R一般取較大值.在實(shí)際中，電路工作時(shí)阻值R通常固定：

在周期T變化的情況下，也應(yīng)考慮負(fù)載R對(duì)整流濾波效果的影響，從而選取合理的濾波電容值.

經(jīng)過整流濾波的電能依舊存在電壓幅值波動(dòng)較大、電壓不穩(wěn)定的情況，所以需要設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路，以得到穩(wěn)定的工作電壓U0.由于相關(guān)的控制芯片及傳感器電路都是用5 V直流電壓供電，因此，需要通過穩(wěn)壓電路將5～15 V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為5 V的輸出電壓.本設(shè)計(jì)選用自激式開關(guān)穩(wěn)壓芯片——TPS63070降壓/升壓芯片，其特性見表2，整流穩(wěn)壓工作電路見圖5.TPS63070芯片輸出電壓、電阻的設(shè)計(jì)關(guān)系見式(2).根據(jù)設(shè)計(jì)要求，輸出電壓U0=5 V，則推薦電阻阻值R2=680 kΩ、R3=130 kΩ.

表2 TPS63070芯片特性

圖5 整流穩(wěn)壓工作電路

(2)

對(duì)整流穩(wěn)壓電路進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)仿真.在交流電源輸出值為15 V、20 Hz，負(fù)載電阻為250 Ω下仿真，輸入、輸出電壓結(jié)果見圖6.由圖6可見：15 V、20 Hz交流電經(jīng)過電路處理得到穩(wěn)定的U0為5 V的工作電壓，可以進(jìn)行電路試驗(yàn)測(cè)試.

圖6 整流穩(wěn)壓輸入、輸出電壓

2.2 整流穩(wěn)壓電路測(cè)試

根據(jù)電路設(shè)計(jì)流程，應(yīng)先測(cè)得傳感器工作電路的工作內(nèi)阻.工作電路包括單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)放大模塊、藍(lán)牙模塊等.經(jīng)過測(cè)量，在工作電壓U0為5 V的條件下，工作電路電流為33 mA，則工作電路的等效工作內(nèi)阻約為150 Ω.為防止整流二極管過流擊穿，同時(shí)保證較好的濾波效果，濾波電容選用2 200 μF電容.為驗(yàn)證整流穩(wěn)壓電路的有效性，通過使用信號(hào)發(fā)生器和功放模擬15 V、20 Hz交流電源的輸出波形，將電壓施加在整流濾波電路和工作電路，測(cè)量電路的輸入電壓、輸出電壓及電流，驗(yàn)證電路可靠性.

測(cè)試結(jié)果顯示：對(duì)于15 V峰值交流電，其平均電壓為10.6 V；整流濾波電路的輸出電壓平均為13.35 V，流入穩(wěn)壓芯片的電流為13.47 mA；工作電路電壓為5.03 V，電流為30.27 mA，各模塊均正常工作；穩(wěn)壓芯片兩端的功率分別為Win=0.18 W，Wout=0.15 W.測(cè)量結(jié)果符合仿真結(jié)果，可以為后期設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)量傳輸模塊提供穩(wěn)定工作電壓.

3 數(shù)據(jù)測(cè)量傳輸模塊與上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)測(cè)量與傳輸模塊系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖7 數(shù)據(jù)測(cè)量傳輸系統(tǒng)總體方案

數(shù)據(jù)測(cè)量與傳輸模塊主要包括傳感器模塊、信號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊.各模塊均由工作電壓U0(5 V)供電，應(yīng)變片組成電橋貼附于旋轉(zhuǎn)軸上，測(cè)量軸系的扭矩?cái)?shù)據(jù)；軸系產(chǎn)生扭矩變化促使電橋產(chǎn)生模擬電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)放大電路處理傳送至A/D轉(zhuǎn)換模塊，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；經(jīng)STC89C52單片機(jī)處理的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軸系的數(shù)據(jù)測(cè)量與傳輸.系統(tǒng)總體方案見圖7.

在實(shí)際測(cè)量中，轉(zhuǎn)軸會(huì)受到拉力、彎矩、扭矩等聯(lián)合作用，為了準(zhǔn)確測(cè)得扭矩，按圖8所示的全橋法連接可以消除彎矩和拉力的影響.同時(shí)，直流全橋電路還可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，調(diào)高輸出的靈敏度[9].

圖8 應(yīng)變橋貼附方法與電路原理

全橋電路中的4個(gè)應(yīng)變片電阻阻值都為R，電阻增量同為ΔR，ΔR1=ΔR2=-ΔR3=-ΔR4.應(yīng)變?chǔ)排c阻值的變化量δ間的關(guān)系：

通過式(3)將應(yīng)變橋中產(chǎn)生的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為扭矩信號(hào).扭矩和輸出電壓之間的關(guān)系：

(3)

式中：K為應(yīng)變片靈敏度系數(shù)；E為軸系材料彈性模量；Wt為抗扭截面系數(shù)；M為扭矩；μ為應(yīng)變片材料泊松比.

3.2 數(shù)據(jù)測(cè)量與傳輸模塊電路設(shè)計(jì)

采用LM358作為信號(hào)放大電路的主要模塊，設(shè)計(jì)一款橋式電流放大電路.傳感器使用BFH350-3HA應(yīng)變片，電阻為350 Ω，靈敏系數(shù)為2.0，構(gòu)成電橋貼附于旋轉(zhuǎn)軸上.扭矩使電橋發(fā)生電位變化后經(jīng)過LM358芯片進(jìn)行信號(hào)放大.扭矩信號(hào)測(cè)量與處理電路見圖9.電路的參數(shù)設(shè)計(jì)需滿足：

圖9 扭矩信號(hào)測(cè)量與處理電路

其中：R為應(yīng)變片傳感器電阻；Rf為圖9中R5、R6的阻值；δ為電阻阻值變化率，滿足δ?1.設(shè)定變化后的電阻值為R*，則有

R*=R(1+δ).

由于模擬信號(hào)的直接傳輸容易出現(xiàn)電磁干擾問題，致使信號(hào)質(zhì)量降低[10].因此，信號(hào)放大電路產(chǎn)生的模擬信號(hào)傳至A/D轉(zhuǎn)換模塊，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸.A/D轉(zhuǎn)換芯片采用ADC0809芯片，其特性為8路模擬輸入、8路并行數(shù)字信號(hào)輸出，完全滿足模擬輸入量、采樣率以及分辨率的要求，其工作電壓為5 V.處理芯片采用STC89C52單片機(jī).

在某軸工作環(huán)境下，WIFI模塊存在由于信號(hào)傳輸不穩(wěn)定，導(dǎo)致信號(hào)丟失的情況，故無線數(shù)據(jù)傳輸選用藍(lán)牙模塊.該模塊搭載CC2540芯片，輸入電壓為3.2～6 V，可以進(jìn)行主、從機(jī)設(shè)置，信號(hào)傳輸距離為10 m，可設(shè)置多種波特率.藍(lán)牙模塊數(shù)據(jù)傳輸工作原理見圖10.

圖10 藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)原理

3.3 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)測(cè)量

本文設(shè)計(jì)的自供電軸系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)軸系扭矩?cái)?shù)據(jù)，經(jīng)應(yīng)變片測(cè)量軸系的扭矩信號(hào)處理后通過藍(lán)牙模塊發(fā)送至上位機(jī).使用軟件監(jiān)測(cè)上傳數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，測(cè)試設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)效果.上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示結(jié)果見圖11.

圖11 上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示結(jié)果

無線通信驗(yàn)證主要是檢驗(yàn)?zāi)K在數(shù)據(jù)無線傳輸中是否出現(xiàn)誤碼和丟幀的現(xiàn)象[11].分析結(jié)果表明，本次設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸正確，不存在誤碼或者丟幀情況.對(duì)比某大型旋轉(zhuǎn)軸的實(shí)測(cè)扭矩參數(shù)發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)的軸系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的軸系扭矩?cái)?shù)據(jù)平均約為1 200 N·m，在允許誤差范圍內(nèi)，證明了數(shù)據(jù)測(cè)量傳輸模塊的可靠性.

4 小 結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種基于電磁感應(yīng)自供電的旋轉(zhuǎn)軸系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合設(shè)計(jì)方案構(gòu)建了系統(tǒng)模型，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性，得到不同轉(zhuǎn)速下自供電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能特征.本文設(shè)計(jì)的整流穩(wěn)壓電路可將感應(yīng)電能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定電能，實(shí)現(xiàn)在測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸相關(guān)參數(shù)時(shí)不依賴外界電能的直接利用或能量轉(zhuǎn)換；設(shè)計(jì)了相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)量與無線傳輸模塊，通過測(cè)量某旋轉(zhuǎn)軸系扭矩信號(hào)，將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)并顯示結(jié)果.本設(shè)計(jì)具有較高的可靠性，可以滿足軸系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自供電需求.基于本設(shè)計(jì)原理，若將系統(tǒng)進(jìn)一步小型化，在對(duì)復(fù)雜軸系進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，可以監(jiān)測(cè)多個(gè)位置；對(duì)不同位置的系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜軸系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能化、高效化、模塊化，進(jìn)一步提升軸系工作的安全性.