高温高旋环境下动态参数无线测量技术研究
发布时间：2021-12-02 01:51
传统的接触式测量难以满足高温高旋等恶劣工况的使用要求,因此需要采用小型近距离遥测系统进行间接测量。为满足我国航空及工业发动机在高温高旋环境下对温度、应力应变等关键参数的实时测量需求,旨在研究一种可在高旋高振动及超高温环境下可靠工作的多通道、大容量传感采集存储及无线充电与数据传输系统,解决高温高旋环境下传感采集存储系统的信号传输与供电、采集存储测量系统可靠封装与连接等问题。本课题针对向旋转部件遥测系统供电以及遥测数据传输两个难点,展开了无线感应供电技术与无线红外数据传输技术的研究,并且针对大容量传感采集存储系统所受到的力热环境及信号传输与供电问题,提出了阵列式轮盘对称结构、轴对称光传输及无线供电一体化微型结构。在无线感应供电技术研究中,利用Maxwell和Simplorer仿真软件对Qi标准电磁感应式无线充电系统进行了联合仿真研究,实现了前期的原型设计验证,且进行了基于P9242-R（发射器）和P9221-R（接收器）的无线感应供电系统设计。在红外无线数据传输技术研究中,基于FPGA和红外发射器TFDU6102,实现了4PPM编码下4Mbps数据传输。在对微型化多通道数据采集系统的研究中...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
航空发动机涡轮叶片
?000rpm且寿命短。电刷式集流器在进行数据传输时，有较好的工作性能，也能适用于较高转速下的信号传输，而限制电刷式集流器在高速旋转部件中使用的不足之处在于：在高温高旋环境下使用电刷集流器时，定子和转子之间的高速摩擦会产生发热和噪声，导致信号漂移，同时高振动降低了电刷和滑环之间接触的可靠性，这同样会造成测量误差。感应式数据传输的原理是通过电磁耦合的方式来实现数据信号得传输，该方式的物理设计常常是分别在旋转部件的转轴与传输系统的基座上并排地布置两个线圈，并且让两个线圈的轴线在同一直线上，如图1-2所示。当交变电流信号通过基座上的线圈时，电磁感应将在旋转部件一侧的线圈中产生交变的感应电动式，以此实现信号的传输。由于线圈及磁芯均为环形结构，在旋转情况下通过次边的磁力线不会发生改变，因此保证了信号传递不会受到转速的影响[13,14]。然而因为这种数据传输采用是电磁耦合方式，信号的载波频率受到磁芯截止频率的限制，而目前最高磁芯截止频率也非常低，从而使数据传输速率受到极大的限制，因而感应式数据传输难以满足高速数据采集系统的要求。图1-2旋转部件电磁耦合数据传输的原理示意图Figure1-2Schematicdiagramofelectromagneticcouplingdatatransmissionofrotatingparts在近期的旋转部件参数测量系统中，采用的数据传输主要有两种，分别是无线电数
中北大学学位论文6据传输方式与光电数据传输方式。其中，无线电数据传输技术是以无线电波作载波的数据通信技术，典型无线电传输系统的结构图如图1-3所示[15]。在风力发电机应用中，采集涡轮转子上的数据也采用了无线电技术。目前，国内无线电数据传输的应用，大多数的硬件架构均为采用微控制器加上射频收发模块来实现[16,17]。采用无线电数据传输方式进行数据的传输时，若要向远距离传输则在向外发射电磁波时需要较大的功率输出，因而此种数据传输方式的不足在于：功耗大，容易与外界其他电路进行相互干扰。此外，射频收发模块这部分的电路较为复杂，不仅需要安装专门的天线，而且存在采购相关芯片模块的成本较高的问题。综上所述，在一些高速传输场合，尤其是在安装空间狭孝传输距离较近且存在着强电磁干扰的条件下，采用无线电数据传输方式就会受到很多的限制。图1-3典型无线传输系统结构图Figure1-3Typicalwirelesstransmissionsystemstructure光波与无线电波本质上都是电磁波，但光波处于电磁波谱的光区段，分红外光、可见光和紫外光。但光波的频率远高于极高频无线电波，可利用的带宽大约是无线电的105倍[18]。在进行光电数据传输时，背景光容易干扰到可见光的传输，因此采用光电耦合数据传输方式进行无线数据传输的时候，主要采用的是红外光和紫外光作为载波来进行数据的传输。又由于紫外线穿透性非常强，会对人体会造成辐射危害，所以紫外线无线数据传输主要应用于自由空间的数据通信，尤其是在军事领域上。上述实时数据传输的不足之处如表1-2所示。而国内外对红外光的研究都较早，技术成熟且应用广泛，市面上也有较多的红外传输器件可供选择和设计参考。所以，综上所述，本文采用红外无线数据传输技术来进行数据的传输。
【参考文献】：
期刊论文
[1]旋转环境下基于FPGA的多通道数据采集系统设计[J]. 易志强,韩宾,鲜龙,李维. 电子技术应用. 2019(09)
[2]航空发动机涡轮叶片温度测量综述[J]. 王超,苟学科,段英,胡俊,张泽展,杨洋,姜晶,蒋洪川,丁杰雄,程玉华,李力,张江梅,陈洪敏,熊兵,刘先富,石小江. 红外与毫米波学报. 2018(04)
[3]IDT P9221-R 15W无线电源接收解决方案[J]. 世界电子元器件. 2017(02)
[4]低功耗设备的无线感应供电技术研究[J]. 张倩. 电子制作. 2016(24)
[5]无线光通信中几种调制方式的性能比较[J]. 柳美平. 科技资讯. 2015(35)
[6]感应电能传输系统输出电压调压电路研究[J]. 孙跃,陈宇,唐春森,王智慧,戴欣. 电工技术学报. 2015(S1)
[7]现代航空发动机温度测试技术发展综述[J]. 姚艳玲,代军,黄春峰. 航空制造技术. 2015(12)
[8]电磁感应无线充电的联合仿真研究[J]. 陈新,张桂香. 电子测量与仪器学报. 2014(04)
[9]感应式磁传感器的补偿电路[J]. 朱旭,张世中,胡哲. 物探与化探. 2012(06)
[10]磁耦合共振无线能量传输系统建模与分析[J]. 沈娜,李长生,张合. 仪器仪表学报. 2012(12)
博士论文
[1]非接触感应耦合电能传输与控制技术及其应用研究[D]. 杨民生.湖南大学 2012
[2]旋转部件无线遥测系统的若干关键技术研究[D]. 严后选.南京航空航天大学 2006
硕士论文
[1]基于非接触式电能与数据传输的转子温度检测[D]. 李希文.浙江大学 2018
[2]磁耦合谐振式无线电能传输系统的耦合特性研究[D]. 卢韦.辽宁工程技术大学 2017
[3]感应耦合电能与信号同步传输系统研究[D]. 高欢.西安电子科技大学 2017
[4]基于激光的旋转件参数高速传输方法研究[D]. 赖小皇.南京航空航天大学 2016
[5]高温环境下旋转结构非接触电能传输关键技术研究[D]. 陈小东.西安电子科技大学 2014
[6]基于PCM技术的旋转件非接触实时多通道测控系统研究[D]. 张红.南京航空航天大学 2012
[7]松耦合技术在旋转导向钻井中的研究与应用[D]. 李永振.西安石油大学 2011
[8]红外遥控编码芯片的设计[D]. 贾怀彬.沈阳工业大学 2011
[9]基于FPGA和光电耦合的旋转机械非接触双向信号传输系统[D]. 隆志远.南京航空航天大学 2010
[10]旋转机械非接触光电耦合信号传输研究[D]. 高磊.南京航空航天大学 2009
本文编号：3527487
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
航空发动机涡轮叶片
?000rpm且寿命短。电刷式集流器在进行数据传输时，有较好的工作性能，也能适用于较高转速下的信号传输，而限制电刷式集流器在高速旋转部件中使用的不足之处在于：在高温高旋环境下使用电刷集流器时，定子和转子之间的高速摩擦会产生发热和噪声，导致信号漂移，同时高振动降低了电刷和滑环之间接触的可靠性，这同样会造成测量误差。感应式数据传输的原理是通过电磁耦合的方式来实现数据信号得传输，该方式的物理设计常常是分别在旋转部件的转轴与传输系统的基座上并排地布置两个线圈，并且让两个线圈的轴线在同一直线上，如图1-2所示。当交变电流信号通过基座上的线圈时，电磁感应将在旋转部件一侧的线圈中产生交变的感应电动式，以此实现信号的传输。由于线圈及磁芯均为环形结构，在旋转情况下通过次边的磁力线不会发生改变，因此保证了信号传递不会受到转速的影响[13,14]。然而因为这种数据传输采用是电磁耦合方式，信号的载波频率受到磁芯截止频率的限制，而目前最高磁芯截止频率也非常低，从而使数据传输速率受到极大的限制，因而感应式数据传输难以满足高速数据采集系统的要求。图1-2旋转部件电磁耦合数据传输的原理示意图Figure1-2Schematicdiagramofelectromagneticcouplingdatatransmissionofrotatingparts在近期的旋转部件参数测量系统中，采用的数据传输主要有两种，分别是无线电数
中北大学学位论文6据传输方式与光电数据传输方式。其中，无线电数据传输技术是以无线电波作载波的数据通信技术，典型无线电传输系统的结构图如图1-3所示[15]。在风力发电机应用中，采集涡轮转子上的数据也采用了无线电技术。目前，国内无线电数据传输的应用，大多数的硬件架构均为采用微控制器加上射频收发模块来实现[16,17]。采用无线电数据传输方式进行数据的传输时，若要向远距离传输则在向外发射电磁波时需要较大的功率输出，因而此种数据传输方式的不足在于：功耗大，容易与外界其他电路进行相互干扰。此外，射频收发模块这部分的电路较为复杂，不仅需要安装专门的天线，而且存在采购相关芯片模块的成本较高的问题。综上所述，在一些高速传输场合，尤其是在安装空间狭孝传输距离较近且存在着强电磁干扰的条件下，采用无线电数据传输方式就会受到很多的限制。图1-3典型无线传输系统结构图Figure1-3Typicalwirelesstransmissionsystemstructure光波与无线电波本质上都是电磁波，但光波处于电磁波谱的光区段，分红外光、可见光和紫外光。但光波的频率远高于极高频无线电波，可利用的带宽大约是无线电的105倍[18]。在进行光电数据传输时，背景光容易干扰到可见光的传输，因此采用光电耦合数据传输方式进行无线数据传输的时候，主要采用的是红外光和紫外光作为载波来进行数据的传输。又由于紫外线穿透性非常强，会对人体会造成辐射危害，所以紫外线无线数据传输主要应用于自由空间的数据通信，尤其是在军事领域上。上述实时数据传输的不足之处如表1-2所示。而国内外对红外光的研究都较早，技术成熟且应用广泛，市面上也有较多的红外传输器件可供选择和设计参考。所以，综上所述，本文采用红外无线数据传输技术来进行数据的传输。
【参考文献】：
期刊论文
[1]旋转环境下基于FPGA的多通道数据采集系统设计[J]. 易志强,韩宾,鲜龙,李维. 电子技术应用. 2019(09)
[2]航空发动机涡轮叶片温度测量综述[J]. 王超,苟学科,段英,胡俊,张泽展,杨洋,姜晶,蒋洪川,丁杰雄,程玉华,李力,张江梅,陈洪敏,熊兵,刘先富,石小江. 红外与毫米波学报. 2018(04)
[3]IDT P9221-R 15W无线电源接收解决方案[J]. 世界电子元器件. 2017(02)
[4]低功耗设备的无线感应供电技术研究[J]. 张倩. 电子制作. 2016(24)
[5]无线光通信中几种调制方式的性能比较[J]. 柳美平. 科技资讯. 2015(35)
[6]感应电能传输系统输出电压调压电路研究[J]. 孙跃,陈宇,唐春森,王智慧,戴欣. 电工技术学报. 2015(S1)
[7]现代航空发动机温度测试技术发展综述[J]. 姚艳玲,代军,黄春峰. 航空制造技术. 2015(12)
[8]电磁感应无线充电的联合仿真研究[J]. 陈新,张桂香. 电子测量与仪器学报. 2014(04)
[9]感应式磁传感器的补偿电路[J]. 朱旭,张世中,胡哲. 物探与化探. 2012(06)
[10]磁耦合共振无线能量传输系统建模与分析[J]. 沈娜,李长生,张合. 仪器仪表学报. 2012(12)
博士论文
[1]非接触感应耦合电能传输与控制技术及其应用研究[D]. 杨民生.湖南大学 2012
[2]旋转部件无线遥测系统的若干关键技术研究[D]. 严后选.南京航空航天大学 2006
硕士论文
[1]基于非接触式电能与数据传输的转子温度检测[D]. 李希文.浙江大学 2018
[2]磁耦合谐振式无线电能传输系统的耦合特性研究[D]. 卢韦.辽宁工程技术大学 2017
[3]感应耦合电能与信号同步传输系统研究[D]. 高欢.西安电子科技大学 2017
[4]基于激光的旋转件参数高速传输方法研究[D]. 赖小皇.南京航空航天大学 2016
[5]高温环境下旋转结构非接触电能传输关键技术研究[D]. 陈小东.西安电子科技大学 2014
[6]基于PCM技术的旋转件非接触实时多通道测控系统研究[D]. 张红.南京航空航天大学 2012
[7]松耦合技术在旋转导向钻井中的研究与应用[D]. 李永振.西安石油大学 2011
[8]红外遥控编码芯片的设计[D]. 贾怀彬.沈阳工业大学 2011
[9]基于FPGA和光电耦合的旋转机械非接触双向信号传输系统[D]. 隆志远.南京航空航天大学 2010
[10]旋转机械非接触光电耦合信号传输研究[D]. 高磊.南京航空航天大学 2009
本文编号：3527487
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