一种无线无源转速参数测试方法研究*

魏晓飞,洪应平,2,张会新,2,任乾钰,熊继军,2*

(1.电子测试技术重点实验室,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051)

转速是能源设备与动力机械性能测试的一个重要的性能参数,是识别运行状态,进行故障诊断和建立有效维护策略以减少工业过程停机时间的重要参数[1]。转速参数的测试在航空发动机等高温领域存在着迫切的需求,研究适用于高温等恶劣环境下的转速参数测试方法成为发展趋势。主流的转速传感器有磁电式[2-3]、电容式[4]、光电式[5-6]以及霍尔式[7],被广泛应用于风力发电机、飞行器以及汽车等领域[8-9]。其中磁电式转速传感器采用电磁感应原理,将旋转物体的转速转换为电动势输出,但是受制于线圈的工作温度,限制了磁电式转速传感器在高温环境下的应用。无线无源传感器因其无需引线,不需电池供电[10],体积小的优点而得到国内外的高度重视,无线无源压力、温度、加速度传感器[11-12]在国内引起了研究热潮。

针对传统转速参数测试方法难以应用于高温环境的问题,本文进行了无线无源转速参数测试方法的研究,以环氧树脂作为基底,采用特殊制造工艺集成有电感线圈的结构制作读取天线以及LC谐振敏感器件,通过理论分析以及实验测试,验证了常温环境下无线无源转速参数测试方法的可行性,为高温环境下转速参数的获取提供了思路。

1 无线无源转速参数测试机理分析

根据楞次定律和毕奥-萨伐尔定律,空间载流电感线圈之间通过彼此的磁场相互联系的现象称之为电磁耦合[13]。根据该现象,一端固定电感线圈如果注入正弦交变激励,将在空间任一点产生磁感应,如果此时将一个带有另一电感线圈的LC谐振器靠近此电感线圈,将发生互感耦合,即在LC谐振器的内部也将感应到同频同相的正弦交变激励。

图1 测试原理示意图

(1)

集总参数电路的方程为:

(2)

由(2)可得,天线电感线圈二端口网络的输入阻抗Zi为:

(3)

可得输入阻抗的幅值参量:

(4)

根据电磁耦合规律可知,在旋转过程中,当LC谐振器与天线处于正对位置时,互感系数M达到最大值,即耦合因数k达到最大值,根据读取天线源端阻抗幅值的响应公式,天线端阻抗幅值达到最小值,所以读取天线端电压幅值达到最小值,即当LC谐振器与天线正对时,读取天线端幅值电压降至最低。相对于无耦合状态,当LC谐振器与读取天线正对耦合时,读取线圈端阻抗电压幅值曲线出现波谷。所以在物体旋转的过程中,将会出现周期性变化的电压信号,且幅值周期性减小,从而通过追踪多个波谷点的时间间隔来实现转速的测量。记相邻波谷的时间分别为t1、t2、(t1-t2)即为LC谐振器与读取天线相邻正对位置的时间间隔,则被测物体的旋转速度为:

(5)

即实现转速参数的测试,从而达到旋转物体的非接触转速测试。

图2 转速测试系统框图

2 无线无源转速测试单元设计

物理引线以及接触式测量等是转速参数测量的一个瓶颈,无线无源传感技术的发展为上述问题提供了解决方案。无线无源转速测试系统框图如图2所示,主要由LC谐振器、读取天线、转速平台、包络检波器、定向耦合器、信号发生器、示波器、电机、开发板、数据采集系统以及计算机组成,其中电机固定安装在转速平台的底座上,LC谐振器固定安装在转速平台的转盘上。而定向耦合器连接信号发生器、天线以及包络检波器,包络检波器连接示波器实时显示读取天线端电压幅值变化,连接数据采集单元采集电压幅值。

无线无源转速测试系统中转速平台选用硬度较高的5 mm厚的亚克力板制作,为了降低旋转过程中径向耦合距离对测试结果产生影响[14],将天线与LC谐振器分别固定安装在距离5 mm且相互平行的亚克力板与转盘上。因步进电机方便控制,操作简单,体积小等优点,所以旋转物体选用步进电机。由于传统的扫频测量方法,扫频周期高,读取天线端发出的扫频信号与LC谐振敏感器件的信号之间的响应时间过长,难以对旋转物体的转速进行实时、准确的变换与测试,所以采用单音频率驱动源为天线驱动信号。

2.1 无线无源敏感器件及读取天线设计

无线无源转速参数测试的实现基于LC谐振器与读取天线之间的互感耦合,所以读取天线与LC谐振器的设计至关重要。为了获得较大的Q值和较远的耦合读取距离,采用方形平面螺旋电感线圈结构[15-16]。无线无源敏感器件以及读取天线的制备首先在环氧树脂基底上使用特殊集成工艺制作出平面螺旋电感线圈,具体参数如表1所示。上下表面电感线圈的连接通过过孔实现。在其基础上制作无线无源敏感器件以及读取天线,焊接射频头,用于发射互感耦合电磁信号的电感线圈作为读取天线;焊接电容,从而获得LC谐振器。其中,LC谐振器由一个电感线圈L和一个固定容值的电容C组成了一个串联的LC谐振回路。

图3 转速测试系统实物图

参数值长度4 cm宽度4 cm电感线圈的匝数n15匝电感线圈的内径di11.6 mm电感线圈的外径d036.4 mm电感线圈的线宽400 μm电感线圈的线间距400 μm

根据公式可以求得电感线圈电感值[17]:

(6)

2.2 无线无源转速信号拾取电路设计

读取天线端与LC谐振敏感器件互感耦合时相对于无耦合状态,读取天线端电压信号幅值将会减小。为了直观方便地检测读取天线端电压信号幅值的变化规律,制作无线无源转速信号拾取单元即包络检波器。本单元可以实现信号幅度包络特征提取即将电压信号的幅值的绝对值提取出来,既可以在示波器上直观显示出来也可以通过采集系统采集获得,进而通过测量相邻电压最低值间的时间间隔,实现常温环境下转速的测试。

2.3 转速测试实验系统构建

搭建的无线无源转速测试系统如图3所示。采用FPGA程序控制电机驱动器激励电机实现不同速度旋转,转速平台的转盘通过联轴器与电机转轴相连进而随电机旋转。定向耦合器三端分别连接信号发生器、读取天线以及包络检波器,定向耦合器为-10 dB耦合度。安装在转盘上的LC谐振器在电机旋转过程中,每到达与读取天线正对位置时,读取天线与LC谐振器发生互感耦合,耦合系数k达到最大值,读取天线端电压幅值出现最低值。转速参数即包络检波器的输出信号的提取通过示波器直观显示并通过采样率为25 ksample/s的数据采集模块实现电压幅值信号的采集,之后通过MATLAB仿真读取天线端电压信号幅值随时间的变化曲线。

3 测试结果分析

为了验证基于图1所示集总电路模型的无线无源转速参数测试方案的可行性,采用MATLAB仿真分析,已知L1=L2=6.6 μH,C1=10-7F,采用Agilent_34401A万用表测得:R1=R2=1.032 Ω,利用MATLAB计算并绘制天线端阻抗Zi的幅值随耦合因数k变化的曲线如图4所示。

图4 天线端阻抗幅值与耦合因数的关系曲线

从天线端阻抗幅值与耦合系数k的关系曲线图可以看出,当0≤k≤0.7时,天线端阻抗Zi的幅值随耦合因数k的增大而减小,而当0.7≤k≤1时,天线端阻抗Zi的幅值随耦合因数k的增大而增大。当LC谐振器与天线耦合时,耦合因数k在0≤k≤0.7的范围内,且当LC谐振器与天线处于正对位置时,k值达到旋转过程中最大值,所以Zi的幅值达到最小值,读取天线端电压幅值达到旋转过程中最低值,故该转速参数的测试方案具有可行性。

根据采样定理,当采样率大于信号中最高频率的2倍时,采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的数据。本系统采样率为25 ksample/s,当电机转速为10 r/s时,频率为2 000 Hz,完全满足采样定理,所以该系统适用于该转速系统的数据采集。数据采集系统连接包络检波器采集读取天线端电压幅值,之后将获得的数据采用MATLAB仿真得到天线端电压幅值随时间变化曲线。

控制电机使转盘以非常慢的速度旋转,验证只有当天线与LC谐振器处于正对位置时,读取天线端电压信号幅值达到最低值。系统中采用的开发板的晶振为50 MHz,当200 Hz脉冲激励驱动电机即电机转速为1 r/s,示波器与仿真读取天线端电压幅值随时间的变化曲线分别如图5和图6所示。当电压幅值达到最低值时,LC谐振器与天线处于正对位置,因此理论与实际相吻合。逐步改变电机旋转速度,对LC谐振器与天线进行耦合测试,验证该测量方法的可靠性。

当采用2 kHz脉冲激励时即电机的旋转速度为10 r/s,分别采集一个周期与两个周期时间间隔内读取天线端电压幅值,其随时间的变化曲线分别如图7、图8所示。

图5 200 Hz脉冲激励示波器读取天线端电压幅值

图6 200 Hz脉冲激励读取天线端电压幅值 随时间的变化曲线

图7 2 000 Hz脉冲激励一个周期内读取天线端 电压幅值随时间变化曲线

图8 2 000 Hz脉冲激励两个周期内读取天线端 电压幅值随时间变化曲线

图7为一个周期内即0.1 s时间内,读取天线端电压幅值随时间的变化曲线,可以看出有且仅有一个波谷,而且物体在旋转过程中,只有当读取天线每旋转到与天线正对位置时,读取天线端电压信号幅值才会出现最低值;从图8可以看出,两个周期内出现了两个波谷,采集两个波谷之间的时间间隔即可求出电机转速,可以求得两个波谷之间的时间间隔约为0.1 s,与电机转速设定值相吻合。

为了验证无线无源转速测试方法的可靠性,采集较长时间内读取天线端电压幅值。分别采用 1 kHz 以及2 kHz脉冲激励即电机的旋转速度分别为5 r/s、10 r/s,MATLAB仿真读取天线端电压幅值随时间的变化曲线分别如图9和图10。两图中电压最低点分布均匀,通过测量最低点之间的时间间隔即可推算出电机的转速。

图9 1 000 Hz脉冲激励读取天线端电压幅值 随时间变化曲线

图10 2 000 Hz脉冲激励读取天线端电压幅值 随时间变化曲线

图11 转速系统设定值与实测值

设置电机转速分别从1 r/s到10 r/s进行测试,对比电机设定值与实测值,确定其一致性。当电机转速为1 r/s、2 r/s、5 r/s、6 r/s、8 r/s、10 r/s时,实测值与设定值如图11所示,分析后发现本文所研究的无线无源转速参数测试方法所测得转速值与设定值一致,所以此方法可实现常温环境下转速参数的测量。

通过分析读取天线端电压信号幅值与时间的关系曲线可知,系统有噪声存在,这是由于所采用的电机内部的线圈对试验结果产生了影响,可以通过电路滤波与数字滤波设计消除其影响,但是杂波的存在并不影响LC谐振器与天线的耦合效果。从关系曲线图还发现波谷的数值有较小范围内的上下浮动,这是由于与电机相连的转盘,在旋转过程中有小范围内的上下振动,从而LC谐振器与读取天线之间的耦合距离发生了改变,继而影响耦合系数k,由天线端阻抗幅值与耦合系数的仿真图6已知,耦合系数的改变对读取天线端的阻抗幅值产生影响,所以输出电压幅值出现较小的变化。实验发现该转速测量方法具有可行性以及可靠性,可实现旋转物体转速测试,转速实测值的获取通过后期软件算法的设计而实现。本文所研究无线无源转速测试方法实现了常温环境下转速参数的测试,采用氧化铝陶瓷作为基底集成有电感线圈的结构制备无线无源转速敏感单元以及读取天线,使其可以应用于高温环境下转速参数的测试。

4 结论

本文提出了一种基于互感耦合原理的无线无源转速参数的测试方法,制作无线无源转速敏感器件以及读取天线,搭建转速测试系统,采用MATLAB仿真分析转速测试值与设定值。实验表明,当LC谐振转速敏感器件与天线处于正对位置时,读取天线端阻抗幅值最小,电压信号幅值也得到最低值,所以旋转过程中产生周期性变化的波谷,通过采集相邻波谷之间的时间间隔可以获取转速参数。实验所获取的测试值与理论值相一致,所以本文所提出的无线无源转速参数测试方法可以可靠地实现转速参数的测量。

本测量方法相对于传统的转速参数的测试方法具有体积小,无需供电,无需引线,敏感器件易于与被测体集成且可批量化制造的优点,为解决高温等恶劣环境下的转速参数测试难题提供思路。接下来着重进行电路滤波设计、转速参数软件算法以及改变LC谐振器与天线的材料采用本文所研究的无线无源转速测试方法研究高温等恶劣环境下转速参数的测试。