基于射频技术的柴油机曲轴扭矩实时检测

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1、基于射频技术的柴油机曲轴扭矩实时检测.郭自军，徐轶群E-mail:Guozijun315@sina.com集美大学轮机工程学院摘要柴油机曲轴上传感器采集数据最棘手的问题是：旋转过程如何供给电能、如何检测数据及数据如何传输。本文以船用柴油机曲轴扭矩检测为对象，提出基于射频技术的无线电能供给和无线数据传输方案，研发了相关设备，实现船舶柴油机曲轴扭矩实时检测。关键字：无线供电；无线信号采集；谐振；磁耦合；射频；1.引言扭矩是反映船用柴油性能的最重要的机械量，也是柴油机控制系统中最重要的参数之一。目前对扭矩测量可分为

2、静态扭矩测量和动态扭矩测量。扭矩测量是利用传感器感受曲轴受力变形量，然后将信号传输到采集设备进行处理、分析、存储的过程。由于被测物理参数处于旋转的轴上，因此传感器就需要安装于旋转轴上，这样导致传感器信号难以从旋转轴上传输到固定接收设备。同时，在数据采集过程中，为传感器等部件提供电源时存在同样的困难。尤其在船舶柴油机曲轴等旋转部件中，由于安装空间有限等原因，使得信号传输和提供电源这两个方面的困难显得尤为突出。传统的扭矩检测系统中，信号传输与电源大多采用拉线式、水银式、电刷式、旋转变压器及光电池式，不过它们本身具

3、有一些缺点或者制造工艺方面的原因，在现实应用当中都不能很好的应用。所以，船用柴油机曲轴扭矩检测设备的研制中需要着重解决这两个关键技术问题。本文提出一种旋转谐振式无线电能传输的方式，不仅提高了能量的传输距离，而且提高了能量的传输效率。同时，在传感器上集成了超高频发射芯片，以射频的方式将扭矩信号发送出去。2.扭矩信号采集装置架构本文设计的扭矩检测系统整体框架如图2-1所示。该系统主要由谐振无线谐振供电模块、应变片扭力检测模块、信号无线收发模块和计算机等组成，本文主要介绍硬件设计部分。图2-1系统总体框架在本系统中

4、，在曲轴表面粘贴四片性能完全相同的应变片，四片应变片在曲轴圆周上按照均匀相隔90°粘贴，其灵敏轴相互垂直并与转轴轴向成45°角。曲轴由于受扭矩的作用产生应力和应变，贴在轴上的应变片传感器将获得应变信号转变成电压信号输入到放大器进行放大，再经过低通滤波后输入单片机进行A/D转换，将转换后的数字信号通过无线发射模块进行传输。无线收发模块将接收到转矩信号上传给接收单片机，最终输入上位机PC。3.谐振电源原理及实现射频（RF，radiofrequency）电能传输用于近距离电能的无线传输中，利用发射和接收两个感应天线

5、（线圈）以RF形式传输电能，与RF数据传输原理相同，但不需要编码，并且要求传输功率较大。图3-1为一个基本的RF连接的电路模型。在近距离电能传输场合，要求收发双方的距离，λ为电磁波波长。电磁场随距离而迅速衰减，谐振耦合电能无线传输则利用两个发生谐振耦合的电路来捕捉随距离衰减的电磁场，即当发射回路和接收回路发生谐振时，使大部分能量由发射回路传递到接收回路。图3-1磁耦合谐振式无线供电技术原理谐振耦合电能无线传输除发射回路和接收回路外，还包括高频信号发射源和接收功率的负载。为简化分析，图1-1省略高频逆变的发射源

6、部分，直接将收发电路作为研究对象，VS为高频信号发射源，、分别是两谐振电感线圈在高频下的寄生电阻，、为串联谐振电容；为负载电阻；L1、L2分别为收发线圈的电感量，M为线圈之间的互感，D为传输距离。若传输系统角频率为ω，则两线圈的阻抗分别为根据基尔霍夫电压定律可知L1，L2等效回路电流：从以上两式可知，耦合后线圈L1，L2两回路阻抗发生变化，L1耦合到L2的阻抗Z21及L2耦合到L1阻抗的Z12分别为因Z1、Z2均包含电阻和电抗，则反射阻抗中、中分别包含电阻和电抗。反射电阻在回路中会消耗能量，而反射电抗则会影响

7、线圈本身的谐振频率，特别是当两线圈距离靠近时，互感M比较大，反射阻抗加大，影响更明显。为减少反射电抗对谐振频率的影响，可设法令线圈、处于自谐振状态，这样两反射电抗均为0，此时两回路的反射阻抗分别为，则谐振耦合后L1、L2两线圈为纯电阻回路，其发射线圈等效阻抗和接收线圈回路等效阻抗分别为当发射源VS的频率与收发电路的LC固有谐振频率一致时，发射回路和接收回路阻抗最低，流过收发线圈的电流最大，此时，在一定传输范围内，发射回路大部分能量都被接收回路吸收；相反，若两者频率不一致即失谐状态：发射源大部分能量都消耗在发射

8、回路本身而不会被接收回路吸收，效率极低。因此，保持发射源频率和LC固有频率一致，不发生失谐是实现谐振耦合电能无线传输的关键部分。谐振电源发射部分需要采用高频信号，该信号将采用开关管高频逆变电路来实现。开关电路主要是为了产生高频电压方波信号驱动控制高频逆变器开关管，以用来驱动发射电路谐振，高频逆变部分采用高频E类双管LLC谐振逆变器，该逆变器的特点是直接用谐振电感代替高频变压器传递能量，减少了变压器损