基于無線數字技術的內圈多點測溫方法

王芳，陳后清，楊嘯，趙俊宏，劉蘇亞

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

軸承的工作狀況往往以其工作溫度、振動及轉速等參數的變化情況進行評估。通常，軸承內圈安裝在軸上并隨軸轉動，由于轉速很高，沒有十分有效的信號傳輸途徑[1]，無法測試其工作溫度。通常軸承溫度測試均采用外圈的溫度。

隨著工業的高速發展，對軸承要求越來越高。軸承工作狀況、軸承溫度場越來越引起研究者的關注，軸承內圈溫度測試是瓶頸問題。

近年來，傳統工業伴隨著通信技術飛速發展，越來越多地采用無線數據傳送技術實現遠程信息采集和控制。其克服了有線數據傳輸布線困難、使用位置固定及抗干擾性差等問題，具有安裝簡便、測控中心便于移動和抗干擾能力強等優點。同時，隨著電子產品集成度越來越高，使得傳統工業測控系統功能越來越強、體積越來越小及性能越來越高，受體積和重量制約的應用產品開發也能夠得以實現。

不同于傳統的測溫方式，下文將無線數字通信技術應用于軸承內圈溫度測試中，改變傳輸介質，成功地解決了信號傳輸問題，研制出軸承內圈多點溫度的測試模塊，滿足轉速高達15 000 r/min的軸承內圈溫度測試要求。

1 基本原理

本測試方法主要分為兩部分：現場信號的采集發送和客戶端的接收顯示。

1.1 信號的采集發送

在測試現場，8個溫度傳感器緊貼軸承內圈內壁，多路開關、放大電路、A/D轉換電路、單片機、無線發射模塊A和鋰電池等構成溫度測試部分，安裝在試驗主軸腔體內，隨軸一起旋轉。基本原理框圖如圖1所示。

溫度傳感器拾取到軸承內圈測試點溫度，由多路開關按時序選擇后，經精密放大電路放大，再經A/D轉換成數字信號，由單片機整合成有序的數據幀，最后由無線收發模塊A將數據幀發射到空中。這一過程中，單片機是核心，控制著多路開關、A/D轉換以及無線收發模塊A。

圖1 內圈溫度無線測試原理框圖

1.2 信號的接收處理

在客戶端，無線收發模塊B通過RS232串口通信和計算機相連，將接收到的數字序列通過串口傳送給計算機。計算機根據通信協議，將需要的信息提取出來，在圖形界面顯示，供進一步的分析計算。

2 技術指標

結合軸承內圈測溫點的分布，本方法目前可實現8個測溫點的測試，測點測量溫度范圍為0～200 ℃，精度為±1%FS。試驗現場溫度采集點和計算機顯示客戶端有效通信距離為30 m。

3 電路設計

由于溫度測試部分安裝在試驗主軸腔體內，空間狹窄且拆裝不方便，為提高工作效率，充一次電應能工作較長時間。另一方面測試部分隨軸一起旋轉，不僅要承受高速旋轉產生的離心力，還要能忍受主軸腔體內充斥的高溫油霧。綜合這些環境因素，電路設計除滿足技術指標要求外，還要求體積小，功耗低，耐高溫和穩定性高。所以設計時采取了以下幾方面措施：(1)選用貼片元器件和高集成度集成電路；(2)選用低壓工作集成電路；(3)選用工業級器件。

3.1 溫度傳感器及放大電路

溫度傳感器選用微型PT1000鉑電阻，測溫量程-50～200 ℃，精度高，可靠性好[2-3]。電路設計中用8通道電子開關MM74HC4051選取測試通道，選用貼片放大器LTC6241放大信號，使輸出電壓(V0)0～2.5 V對應0～200 ℃。放大電路原理圖如圖2所示[4]。

貼片放大器LTC6241主要技術指標如下：

(1)0.1～10 Hz噪聲550 nVp-p。

圖2 放大電路原理圖

(2)輸入偏置電流1 pA。

(3)失調電壓<125 μV。

(4)低溫漂2.5 μV/℃。

(5)寬電壓2.8～6 V。

(6)正常工作電流<6 mA。

3.2 A/D轉換

模擬信號在傳輸過程中易受到噪聲干擾，并有衰減等問題，所以選用數字信號進行傳輸。選用具有12位精度的LTC1860作為A/D轉換器，使測試分辨率提高到0.1 ℃。其主要技術指標如下：

(1)體積小，S8封裝。

(2)單通道，12-Bit精度，250 ksps轉換速率。

(3)單5 V工作電源，低功耗，僅850 μA。

(4)可運行溫度到125 ℃。

(5)SPI串行傳輸方式。

(6)工作溫度范圍為-40～85 ℃。

3.3 單片機

作為測溫部分的中樞，單片機控制著多路選擇開關及A/D轉換器，還同時控制著無線收發模塊A，根據無線收發模塊A接收到的客戶端傳來的控制命令整合數據，做出響應。本方法中采用體積小、價格低、易采購的STC12C5616(管腳定義如圖3所示)作為信號采集及發射傳輸的控制核心。其主要技術特點如下：

圖3 STC12C5616管腳定義

(1)高速，速度比普通8051快12倍。

(2)寬電壓，2.4～3.8 V。

(3)低功耗設計，正常工作4～7 mA,空閑模式<1 mA，掉電模式<0.1 A。

(4)硬件看門狗(WDT)。

(5)高速SPI通信端口。

(6)全雙工異步串行口(UART),兼容普通8051的串口,超強抗干擾。

(7)寬溫度范圍,-40～85 ℃。

3.4 電源

3.4.1 電源電路

溫度測試部分的單片機和多路開關芯片需要+5 V工作電壓，放大電路、A/D芯片和無線收發模塊A需要+3.3 V的工作電壓，總功耗<60 mA。因而采用兩塊3.7 V/800 mAh鋰電池串聯供電，經穩壓電路穩壓后給電路供電。具體供電分為兩路，選用集成電路HT7550作為穩壓電路提供5 V的穩壓電源，選用AMC1117-3V3提供3.3 V工作電源。這樣做除了可滿足不同元器件的電壓要求，保證一次充電可工作4 h。

3.4.2 充電電路

為了減少溫度測試模塊的重量和體積，將鋰電池充電電路獨立設置，需要時連接。鋰電池充電芯片選取開關型獨立鋰電池充電器LTC4002ES8-8.4。主要技術特點為：

(1)輸入電壓范圍寬，8.9～22 VDC。

(2)PWM控制模式，開關頻率500 kHz。

(3)±1%充電精度。

(4)工作溫度范圍-40～85 ℃。

3.5 發射電路

本測試方法中用到了無線收發模塊A和無線收發模塊B，兩者負責現場溫度測試部分和客戶端接收顯示部分的信息交換，其核心是商用工業級、小而輕的數字信號收發模塊STR-50。該模塊有以下幾個特點，不僅滿足本試驗的技術指標，也適用于本試驗的工況。

(1)外形尺寸小，僅25 mm×45 mm×5 mm。

(2)發射功率低，最大發射功率10 mW，但傳輸距離遠，可達500 m。

(3)高抗干擾能力和低誤碼率。

(4)大的數據緩沖區，可傳輸無限長的數據幀，編程更靈活。

(5)功耗低，+3.3 V供電情況下，接收電流小于22 mA，發射電流小于33 mA，并且有休眠功能，休眠電流小于5 μA。

4 軟件編制

軟件的編制包括溫度測試部分單片機的編程和客戶接受顯示端的計算機編程。單片機的編程主要是控制多路開關按時序導通，把A/D轉換后的數字信號根據通信協議整合成數據幀，也根據無線收發模塊A接收到的命令做出響應準備數據，例如回傳當前通道修正偏移值，修改通道偏移修正值，通信進入休眠狀態等。客戶接受顯示端的編程主要是提取數據幀的信息，如測點溫度、電池電壓及環境溫度等，還有一些控制命令，例如查詢測點溫度，修改通道偏移修正值等。

5 試驗驗證

主要從以下3個方面考核驗證測試系統：

(1)測試正確性。將8個溫度傳感器的感溫端和1個標準溫度計一起放入恒溫箱中，待溫度穩定時讀取測試溫度和標準溫度，以20 ℃左右為一增量，選取小部分代表數據見表1，從表中可以看出，測試系統的誤差最大為1.33%，滿足技術指標±2%FS的要求，證明測試模塊滿足設計要求。

表1 試驗溫度數據

(2)傳輸抗干擾能力。為了驗證系統抗干擾能力及數據傳輸能力，將測試模塊放在運行的試驗機電主軸旁邊，接收部分放置于30 m左右處，且有多道墻“屏蔽”。試驗證明測試穩定，傳輸通暢可靠。將測試模塊放置在變頻器、電動機工作環境下試驗，測值穩定在0.2 ℃以內，可靠傳輸距離大于30 m。

(3)實際測試驗證。按照一定的安裝、固定工藝將測試模塊放入試驗工位上(主軸腔內)，進行試驗軸承內圈溫度測試工作。在不同工況下，主軸轉速最高可達15 000 r/min，環境溫度最高可達171.2 ℃，測點溫度最高可達214.8 ℃，歷時上百個小時的試驗，得到大量試驗數據，證明了設計的可靠性。

6 結束語

試驗軸承內圈溫度無線測試模塊的研制，成功解決了試驗軸承內圈多點溫度測量問題，為研究軸承工作溫度場提供了最為關鍵的測試手段，也為軸承高端用戶或研發部門研究軸承工作性能提供了一種關鍵的測試手段。