一種無線無源轉(zhuǎn)速參數(shù)測試方法研究*

魏曉飛,洪應(yīng)平,2,張會新,2,任乾鈺,熊繼軍,2*

(1.電子測試技術(shù)重點實驗室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051)

轉(zhuǎn)速是能源設(shè)備與動力機械性能測試的一個重要的性能參數(shù),是識別運行狀態(tài),進行故障診斷和建立有效維護策略以減少工業(yè)過程停機時間的重要參數(shù)[1]。轉(zhuǎn)速參數(shù)的測試在航空發(fā)動機等高溫領(lǐng)域存在著迫切的需求,研究適用于高溫等惡劣環(huán)境下的轉(zhuǎn)速參數(shù)測試方法成為發(fā)展趨勢。主流的轉(zhuǎn)速傳感器有磁電式[2-3]、電容式[4]、光電式[5-6]以及霍爾式[7],被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機、飛行器以及汽車等領(lǐng)域[8-9]。其中磁電式轉(zhuǎn)速傳感器采用電磁感應(yīng)原理,將旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電動勢輸出,但是受制于線圈的工作溫度,限制了磁電式轉(zhuǎn)速傳感器在高溫環(huán)境下的應(yīng)用。無線無源傳感器因其無需引線,不需電池供電[10],體積小的優(yōu)點而得到國內(nèi)外的高度重視,無線無源壓力、溫度、加速度傳感器[11-12]在國內(nèi)引起了研究熱潮。

針對傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速參數(shù)測試方法難以應(yīng)用于高溫環(huán)境的問題,本文進行了無線無源轉(zhuǎn)速參數(shù)測試方法的研究,以環(huán)氧樹脂作為基底,采用特殊制造工藝集成有電感線圈的結(jié)構(gòu)制作讀取天線以及LC諧振敏感器件,通過理論分析以及實驗測試,驗證了常溫環(huán)境下無線無源轉(zhuǎn)速參數(shù)測試方法的可行性,為高溫環(huán)境下轉(zhuǎn)速參數(shù)的獲取提供了思路。

1 無線無源轉(zhuǎn)速參數(shù)測試機理分析

根據(jù)楞次定律和畢奧-薩伐爾定律,空間載流電感線圈之間通過彼此的磁場相互聯(lián)系的現(xiàn)象稱之為電磁耦合[13]。根據(jù)該現(xiàn)象,一端固定電感線圈如果注入正弦交變激勵,將在空間任一點產(chǎn)生磁感應(yīng),如果此時將一個帶有另一電感線圈的LC諧振器靠近此電感線圈,將發(fā)生互感耦合,即在LC諧振器的內(nèi)部也將感應(yīng)到同頻同相的正弦交變激勵。

圖1 測試原理示意圖

(1)

集總參數(shù)電路的方程為:

(2)

由(2)可得,天線電感線圈二端口網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗Zi為:

(3)

可得輸入阻抗的幅值參量:

(4)

根據(jù)電磁耦合規(guī)律可知,在旋轉(zhuǎn)過程中,當(dāng)LC諧振器與天線處于正對位置時,互感系數(shù)M達到最大值,即耦合因數(shù)k達到最大值,根據(jù)讀取天線源端阻抗幅值的響應(yīng)公式,天線端阻抗幅值達到最小值,所以讀取天線端電壓幅值達到最小值,即當(dāng)LC諧振器與天線正對時,讀取天線端幅值電壓降至最低。相對于無耦合狀態(tài),當(dāng)LC諧振器與讀取天線正對耦合時,讀取線圈端阻抗電壓幅值曲線出現(xiàn)波谷。所以在物體旋轉(zhuǎn)的過程中,將會出現(xiàn)周期性變化的電壓信號,且幅值周期性減小,從而通過追蹤多個波谷點的時間間隔來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的測量。記相鄰波谷的時間分別為t1、t2、(t1-t2)即為LC諧振器與讀取天線相鄰正對位置的時間間隔,則被測物體的旋轉(zhuǎn)速度為:

(5)

即實現(xiàn)轉(zhuǎn)速參數(shù)的測試,從而達到旋轉(zhuǎn)物體的非接觸轉(zhuǎn)速測試。

圖2 轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)框圖

2 無線無源轉(zhuǎn)速測試單元設(shè)計

物理引線以及接觸式測量等是轉(zhuǎn)速參數(shù)測量的一個瓶頸,無線無源傳感技術(shù)的發(fā)展為上述問題提供了解決方案。無線無源轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)框圖如圖2所示,主要由LC諧振器、讀取天線、轉(zhuǎn)速平臺、包絡(luò)檢波器、定向耦合器、信號發(fā)生器、示波器、電機、開發(fā)板、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及計算機組成,其中電機固定安裝在轉(zhuǎn)速平臺的底座上,LC諧振器固定安裝在轉(zhuǎn)速平臺的轉(zhuǎn)盤上。而定向耦合器連接信號發(fā)生器、天線以及包絡(luò)檢波器,包絡(luò)檢波器連接示波器實時顯示讀取天線端電壓幅值變化,連接數(shù)據(jù)采集單元采集電壓幅值。

無線無源轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速平臺選用硬度較高的5 mm厚的亞克力板制作,為了降低旋轉(zhuǎn)過程中徑向耦合距離對測試結(jié)果產(chǎn)生影響[14],將天線與LC諧振器分別固定安裝在距離5 mm且相互平行的亞克力板與轉(zhuǎn)盤上。因步進電機方便控制,操作簡單,體積小等優(yōu)點,所以旋轉(zhuǎn)物體選用步進電機。由于傳統(tǒng)的掃頻測量方法,掃頻周期高,讀取天線端發(fā)出的掃頻信號與LC諧振敏感器件的信號之間的響應(yīng)時間過長,難以對旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速進行實時、準(zhǔn)確的變換與測試,所以采用單音頻率驅(qū)動源為天線驅(qū)動信號。

2.1 無線無源敏感器件及讀取天線設(shè)計

無線無源轉(zhuǎn)速參數(shù)測試的實現(xiàn)基于LC諧振器與讀取天線之間的互感耦合,所以讀取天線與LC諧振器的設(shè)計至關(guān)重要。為了獲得較大的Q值和較遠的耦合讀取距離,采用方形平面螺旋電感線圈結(jié)構(gòu)[15-16]。無線無源敏感器件以及讀取天線的制備首先在環(huán)氧樹脂基底上使用特殊集成工藝制作出平面螺旋電感線圈,具體參數(shù)如表1所示。上下表面電感線圈的連接通過過孔實現(xiàn)。在其基礎(chǔ)上制作無線無源敏感器件以及讀取天線,焊接射頻頭,用于發(fā)射互感耦合電磁信號的電感線圈作為讀取天線;焊接電容,從而獲得LC諧振器。其中,LC諧振器由一個電感線圈L和一個固定容值的電容C組成了一個串聯(lián)的LC諧振回路。

圖3 轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)實物圖

參數(shù)值長度4 cm寬度4 cm電感線圈的匝數(shù)n15匝電感線圈的內(nèi)徑di11.6 mm電感線圈的外徑d036.4 mm電感線圈的線寬400 μm電感線圈的線間距400 μm

根據(jù)公式可以求得電感線圈電感值[17]:

(6)

2.2 無線無源轉(zhuǎn)速信號拾取電路設(shè)計

讀取天線端與LC諧振敏感器件互感耦合時相對于無耦合狀態(tài),讀取天線端電壓信號幅值將會減小。為了直觀方便地檢測讀取天線端電壓信號幅值的變化規(guī)律,制作無線無源轉(zhuǎn)速信號拾取單元即包絡(luò)檢波器。本單元可以實現(xiàn)信號幅度包絡(luò)特征提取即將電壓信號的幅值的絕對值提取出來,既可以在示波器上直觀顯示出來也可以通過采集系統(tǒng)采集獲得,進而通過測量相鄰電壓最低值間的時間間隔,實現(xiàn)常溫環(huán)境下轉(zhuǎn)速的測試。

2.3 轉(zhuǎn)速測試實驗系統(tǒng)構(gòu)建

搭建的無線無源轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng)如圖3所示。采用FPGA程序控制電機驅(qū)動器激勵電機實現(xiàn)不同速度旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速平臺的轉(zhuǎn)盤通過聯(lián)軸器與電機轉(zhuǎn)軸相連進而隨電機旋轉(zhuǎn)。定向耦合器三端分別連接信號發(fā)生器、讀取天線以及包絡(luò)檢波器,定向耦合器為-10 dB耦合度。安裝在轉(zhuǎn)盤上的LC諧振器在電機旋轉(zhuǎn)過程中,每到達與讀取天線正對位置時,讀取天線與LC諧振器發(fā)生互感耦合,耦合系數(shù)k達到最大值,讀取天線端電壓幅值出現(xiàn)最低值。轉(zhuǎn)速參數(shù)即包絡(luò)檢波器的輸出信號的提取通過示波器直觀顯示并通過采樣率為25 ksample/s的數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)電壓幅值信號的采集,之后通過MATLAB仿真讀取天線端電壓信號幅值隨時間的變化曲線。

3 測試結(jié)果分析

為了驗證基于圖1所示集總電路模型的無線無源轉(zhuǎn)速參數(shù)測試方案的可行性,采用MATLAB仿真分析,已知L1=L2=6.6 μH,C1=10-7F,采用Agilent_34401A萬用表測得:R1=R2=1.032 Ω,利用MATLAB計算并繪制天線端阻抗Zi的幅值隨耦合因數(shù)k變化的曲線如圖4所示。

圖4 天線端阻抗幅值與耦合因數(shù)的關(guān)系曲線

從天線端阻抗幅值與耦合系數(shù)k的關(guān)系曲線圖可以看出,當(dāng)0≤k≤0.7時,天線端阻抗Zi的幅值隨耦合因數(shù)k的增大而減小,而當(dāng)0.7≤k≤1時,天線端阻抗Zi的幅值隨耦合因數(shù)k的增大而增大。當(dāng)LC諧振器與天線耦合時,耦合因數(shù)k在0≤k≤0.7的范圍內(nèi),且當(dāng)LC諧振器與天線處于正對位置時,k值達到旋轉(zhuǎn)過程中最大值,所以Zi的幅值達到最小值,讀取天線端電壓幅值達到旋轉(zhuǎn)過程中最低值,故該轉(zhuǎn)速參數(shù)的測試方案具有可行性。

根據(jù)采樣定理,當(dāng)采樣率大于信號中最高頻率的2倍時,采樣之后的數(shù)字信號完整地保留了原始信號中的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采樣率為25 ksample/s,當(dāng)電機轉(zhuǎn)速為10 r/s時,頻率為2 000 Hz,完全滿足采樣定理,所以該系統(tǒng)適用于該轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接包絡(luò)檢波器采集讀取天線端電壓幅值,之后將獲得的數(shù)據(jù)采用MATLAB仿真得到天線端電壓幅值隨時間變化曲線。

控制電機使轉(zhuǎn)盤以非常慢的速度旋轉(zhuǎn),驗證只有當(dāng)天線與LC諧振器處于正對位置時,讀取天線端電壓信號幅值達到最低值。系統(tǒng)中采用的開發(fā)板的晶振為50 MHz,當(dāng)200 Hz脈沖激勵驅(qū)動電機即電機轉(zhuǎn)速為1 r/s,示波器與仿真讀取天線端電壓幅值隨時間的變化曲線分別如圖5和圖6所示。當(dāng)電壓幅值達到最低值時,LC諧振器與天線處于正對位置,因此理論與實際相吻合。逐步改變電機旋轉(zhuǎn)速度,對LC諧振器與天線進行耦合測試,驗證該測量方法的可靠性。

當(dāng)采用2 kHz脈沖激勵時即電機的旋轉(zhuǎn)速度為10 r/s,分別采集一個周期與兩個周期時間間隔內(nèi)讀取天線端電壓幅值,其隨時間的變化曲線分別如圖7、圖8所示。

圖5 200 Hz脈沖激勵示波器讀取天線端電壓幅值

圖6 200 Hz脈沖激勵讀取天線端電壓幅值 隨時間的變化曲線

圖7 2 000 Hz脈沖激勵一個周期內(nèi)讀取天線端 電壓幅值隨時間變化曲線

圖8 2 000 Hz脈沖激勵兩個周期內(nèi)讀取天線端 電壓幅值隨時間變化曲線

圖7為一個周期內(nèi)即0.1 s時間內(nèi),讀取天線端電壓幅值隨時間的變化曲線,可以看出有且僅有一個波谷,而且物體在旋轉(zhuǎn)過程中,只有當(dāng)讀取天線每旋轉(zhuǎn)到與天線正對位置時,讀取天線端電壓信號幅值才會出現(xiàn)最低值;從圖8可以看出,兩個周期內(nèi)出現(xiàn)了兩個波谷,采集兩個波谷之間的時間間隔即可求出電機轉(zhuǎn)速,可以求得兩個波谷之間的時間間隔約為0.1 s,與電機轉(zhuǎn)速設(shè)定值相吻合。

為了驗證無線無源轉(zhuǎn)速測試方法的可靠性,采集較長時間內(nèi)讀取天線端電壓幅值。分別采用 1 kHz 以及2 kHz脈沖激勵即電機的旋轉(zhuǎn)速度分別為5 r/s、10 r/s,MATLAB仿真讀取天線端電壓幅值隨時間的變化曲線分別如圖9和圖10。兩圖中電壓最低點分布均勻,通過測量最低點之間的時間間隔即可推算出電機的轉(zhuǎn)速。

圖9 1 000 Hz脈沖激勵讀取天線端電壓幅值 隨時間變化曲線

圖10 2 000 Hz脈沖激勵讀取天線端電壓幅值 隨時間變化曲線

圖11 轉(zhuǎn)速系統(tǒng)設(shè)定值與實測值

設(shè)置電機轉(zhuǎn)速分別從1 r/s到10 r/s進行測試,對比電機設(shè)定值與實測值,確定其一致性。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速為1 r/s、2 r/s、5 r/s、6 r/s、8 r/s、10 r/s時,實測值與設(shè)定值如圖11所示,分析后發(fā)現(xiàn)本文所研究的無線無源轉(zhuǎn)速參數(shù)測試方法所測得轉(zhuǎn)速值與設(shè)定值一致,所以此方法可實現(xiàn)常溫環(huán)境下轉(zhuǎn)速參數(shù)的測量。

通過分析讀取天線端電壓信號幅值與時間的關(guān)系曲線可知,系統(tǒng)有噪聲存在,這是由于所采用的電機內(nèi)部的線圈對試驗結(jié)果產(chǎn)生了影響,可以通過電路濾波與數(shù)字濾波設(shè)計消除其影響,但是雜波的存在并不影響LC諧振器與天線的耦合效果。從關(guān)系曲線圖還發(fā)現(xiàn)波谷的數(shù)值有較小范圍內(nèi)的上下浮動,這是由于與電機相連的轉(zhuǎn)盤,在旋轉(zhuǎn)過程中有小范圍內(nèi)的上下振動,從而LC諧振器與讀取天線之間的耦合距離發(fā)生了改變,繼而影響耦合系數(shù)k,由天線端阻抗幅值與耦合系數(shù)的仿真圖6已知,耦合系數(shù)的改變對讀取天線端的阻抗幅值產(chǎn)生影響,所以輸出電壓幅值出現(xiàn)較小的變化。實驗發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)速測量方法具有可行性以及可靠性,可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)速測試,轉(zhuǎn)速實測值的獲取通過后期軟件算法的設(shè)計而實現(xiàn)。本文所研究無線無源轉(zhuǎn)速測試方法實現(xiàn)了常溫環(huán)境下轉(zhuǎn)速參數(shù)的測試,采用氧化鋁陶瓷作為基底集成有電感線圈的結(jié)構(gòu)制備無線無源轉(zhuǎn)速敏感單元以及讀取天線,使其可以應(yīng)用于高溫環(huán)境下轉(zhuǎn)速參數(shù)的測試。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于互感耦合原理的無線無源轉(zhuǎn)速參數(shù)的測試方法,制作無線無源轉(zhuǎn)速敏感器件以及讀取天線,搭建轉(zhuǎn)速測試系統(tǒng),采用MATLAB仿真分析轉(zhuǎn)速測試值與設(shè)定值。實驗表明,當(dāng)LC諧振轉(zhuǎn)速敏感器件與天線處于正對位置時,讀取天線端阻抗幅值最小,電壓信號幅值也得到最低值,所以旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生周期性變化的波谷,通過采集相鄰波谷之間的時間間隔可以獲取轉(zhuǎn)速參數(shù)。實驗所獲取的測試值與理論值相一致,所以本文所提出的無線無源轉(zhuǎn)速參數(shù)測試方法可以可靠地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速參數(shù)的測量。

本測量方法相對于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速參數(shù)的測試方法具有體積小,無需供電,無需引線,敏感器件易于與被測體集成且可批量化制造的優(yōu)點,為解決高溫等惡劣環(huán)境下的轉(zhuǎn)速參數(shù)測試難題提供思路。接下來著重進行電路濾波設(shè)計、轉(zhuǎn)速參數(shù)軟件算法以及改變LC諧振器與天線的材料采用本文所研究的無線無源轉(zhuǎn)速測試方法研究高溫等惡劣環(huán)境下轉(zhuǎn)速參數(shù)的測試。