文摘

转速测量在严酷的环境下也是一个很重要的话题。然而,高旋转结果快速频率变化的信号传感器和物理性质的变化在极端热环境造成重大困难读信号。为了解决这个问题,我们采用无线被动测量方法设计一个特殊的特征信号电路模块,实现高温转速的精确测量。传感器和读出系统包括一个变量频率源,读出天线和射频解调电路。,解调探测器的信号转换电路设计和用于单边带的包络检波模块解调方法。此外,高温环境传感器信号转换电路测试平台。从测试,观察传感器输出信号解调的最高温度为700°C下误差小于0.12%。新的传感器和测量方法不需要物理引导,实现无线非接触精确测量转速的高温。

1。介绍

转速传感器广泛应用于航空航天、工业控制、交通等领域,和在高温环境工作的速度参数是关键评估航空发动机的工作条件,空间火箭引擎,超高速涡轮泵(1- - - - - -5]。然而,无法获取实时和原位信息等工作状态参数作为重要的转速旋转组件在高温下显著影响转速的性能改进设备在严酷的环境下。因此,有几项研究相关的速度传感器。

Giebeler等人提出了一种磁旋转传感器基于巨磁电阻(GMR)效应,在可靠的温度超过170°C (6]。然而,磁性材料消磁高温;因此,GMR传感器不适合高温应用。黄等人提出,将两层滞后开关计数脉冲,和角速度可以使测量不确定性较低(7]。李等人设计了一个预先确定的材料卡在转动轴上的静电传感器测量转速(8]。龙等人提出了一个tribocharge聚四氟乙烯薄膜传感器。这部电影是由分段电极,传感器可以记录大约2000 rpm (9]。虽然传感器在高速测量高动态响应能力,在低速区由于不稳定的电荷,反应是不满意,所以它不是广泛使用。林和丁提出了一个方法,测量转速的发动机振动信号的谐波频率分量(最低10]。虽然这种测量方法简单、准确,其高温应用受到限制。

因为非接触检测转子的旋转是可行的,成像方法可用于测量转速。Kędzierski提出了转速测量校准基于高速成像(11]。方法计算的不确定性与涡轮引擎和测试。王等人。12)提出,可以测量转速由低成本的数字成像设备。自相关算法可以计算出转速没有标记的图像基于转子;虽然测量方法具有非接触测量、高精度等,其稳定性在严酷的环境下也是有限的。此外,Gintner提出了一个转速传感器用软磁芯和谐振电路操作200°C和措施范围的传感器覆盖从静止状态到高速度(13]。李等人提出了基于低温微量陶瓷传感器高瓦斯)[14]。虽然两个传感器可以在高温环境下,其动态响应是不满意,不能用于精确测量转速。对于传感器读出系统,矢量网络分析仪(VNAs)被广泛使用15,16]。2009年,nop等人提出了一个基于无线无源传感器读出系统LC谐振电路(17]。与读出天线系统包括一个线圈,一个LC谐振器作为传感器,模拟前端和数字信号处理单元。模拟前端生成一个变频信号使数字信号处理装置来检测读出线圈的等效阻抗。然而,扫描时间限制高速传感和VNA的大小,阻碍它的适用性。此外,无线被动者也广泛用于测量。提出了几个被动RFID传感器温度。王等人提出的温度感觉基于超高频RFID标签可达到120°C。超高频射频识别是被动的,灵敏度高。尽管如此,目前泄漏在指数增长的pn结在高温和芯片无法函数(18]。天线的角度对影响天线增益和不确定性19]。

准确地测量转速在高温环境中而确保传感器的响应速度和稳定性,我们建议无线无源传感器方形线圈和并联电容器制造使用厚膜集成技术和相应的数据读出系统。读出系统由一个射频(RF)信号发生器,读出天线和定向耦合器。因此,装配式转速传感器适用于高温应用,和读出系统实现的要求应对快速变化的信号在高转速传感应用中,如转速检测。

2。传感器原理

2.1。电路设备模型

如图1射频信号生成子系统与变频产生刺激。转子旋转,侧向位移传感器线圈和读出天线之间的周期性变化。因此,可以测量转速检测的耦合系数。射频信号子系统和定向耦合器是50Ω系统。设备迫切取决于输入频率和耦合系数。读出天线的迫切 在哪里的串联电阻读出天线, 是角频率,之间的互感读出天线和传感器感应。为50Ω源,反射系数是

如果 ,的反射系数可以写成一个吗

定向耦合器是3端子耦合器和相对地相连。射频信号发生器与传输端口,并读出天线连接到输入端口。反射系数和显示在图2。

图2展示了反射系数的局部最小值峰值频率略大于共振频率。定向耦合器耦合的输出终端 在哪里是定向耦合器的耦合系数从输入端口的耦合端口。

2.2。传感器旋转模型

读出天线耦合系数的措施量化的力量之间的电感耦合传感器和读出天线。耦合系数描述了传感器和天线之间的侧向位移。用高温胶,传感器安装在马达。因此,转子之间的侧向位移传感器和天线有一个周期变化频率相同的阶段。方形线圈相比更有用和高效的圆线圈(20.]。因此,我们使用方形线圈外部 mm读出天线和传感器线圈。图3显示了一个耦合系数的情节与之间的侧向位移传感器和天线。

从仿真、传感器在132 MHz参数是最小的, dB。因此,在速度参数测试,频率的最小值被选中作为激励源的频率值。读出天线参数可以写成 在哪里对数函数和吗读出天线的反射系数。测量的输出电压可以转化成参数,代表了耦合系数。由于天线的相对位置传感器获得几个系数、反射系数可以用来检测的相对位置和转速。表1介绍了模拟参数对侧向位移。从数据中,我们可以推导出横向位移。

转子的旋转周期使传感器接近和远离读出定期天线。在小角度范围内,因为传感器近似直线移动,由侧向位移 在哪里横向位移和吗转子半径。如果角度大于19毫米,传感器和读出天线大约分开。在[19),Zierhofer和Hochmair调查了侧向位移的耦合系数。我们计算从图4。的侧向位移是0毫米传感器和天线之间定义了0度。图4显示的算法决定了以恒定的转速转速。而转子旋转,输出相同频率的周期性变化。

在旋转,如果LC谐振器和天线是对面,天线的阻抗幅值达到最小值,和阅读天线终端的电压幅值达到最小值。因此,在物体的旋转,将会有周期性的变化的电压信号,并定期振幅降低,所以通过跟踪多个槽点的时间间隔来实现速度的测量。相邻波谷的时间记录和 ,分别LC谐振器之间的时间间隔,相邻的位置读取天线,和转速测量的对象是什么

2.3。单调整读出系统

一些研究提出了检测传感器几个系数使用阻抗的实部和扫描频率(13- - - - - -15]。然而,传感器几个系数可以使用单点检测反射系数。这种方法可以防止扫描频率信号的生成。因此,整个系统具有较高的响应时间,并且没有扫描发生器降低了系统的体积和成本。图5显示了拟议的结构。它有一个锁相环,生成一个射频电压信号, 。一个德州仪器锁相环atinum射频合成器LMX2571, delta-sigma部分 。锁相环是用于生成的电压信号。LMX2571的输出频率可以通过导电带数字接口设置。这个驱动器读出天线射频电压信号。而天线装置的阻抗变化的耦合条件下,反射的回声改变。因此,可以提取回波信号与定向耦合器ZEDC-10-2B Mini-Circuits。ZEDC10-2B是宽带,1至1000 MHz, 3端子定向耦合器。定向耦合器的夫妇耦合端口的反射回波。因此,定向耦合器的耦合输出端口反射系数成正比。一个模拟装置包络检波器检测耦合端口的信封,信封和输出振幅成正比。系统输出是 在哪里系统输出和吗是包络检波器的转换增益。在ADL5511,正常转换增益是1.46 V / V。随后,信封可以测量输出的模拟数字转换器(ADC)或示波器。

一个原型的前端电路使用商用模拟集成电路印刷电路板(ICs)。原型是描绘在图6。

2.4。传感器几何和制造

从[19),传感器的工作频率密切相关的几何尺寸传感器。从仿真,线圈的数量将显著影响线圈的电感传感器的质量因素。从计算和比较,我们确定以下结构参数。合理的传感器提出了表的大小2。

在标准厚膜集成技术,传感器是烧结使用95%氧化铝衬底和银膏。第一层的顶部和底部的第三层是屏幕印在银花纹在最初的一步。所有层的磁带是堆叠和层压。此后,堆栈是放在一个盒子炉和应用高温传感器。伪造的图像传感器如图7。

3所示。实验和讨论

探讨读出系统,转速试验台。数据8和9试验台的完整视图。传感器是粘在转板,使用轴承。此后,盘子放入马弗炉,和马达用于旋转传感器以恒定速度。

读出天线加上旋转传感器在5毫米的距离。天线连接到读出系统而读出系统的输出连接到一个普源精电DS6064示波器。

最初,确定了传感器的谐振频率在室温环境从ANSYS电子仿真结果。此后,马弗炉的温度上升曲线设置基于图的温度曲线10。每个设定温度点保持10分钟测量传感器输出工作。一个司机将驱动步进电机旋转速度60 r / min的整个过程。我们测量的输出从室温到700°C;输出显示在图11。如果温度范围从20°C到500°C,输出曲线的尺度是500 mV / div。在温度高达500°C,输出曲线的尺度是200 mV / div。随着温度的升高,峰值输出减少,由于快速增长的质量因素 。结果如图所示12。

4所示。结论

本研究提出了一种传感器读出系统转速测量和使用一个新方法来实现转速的测量高温。通过引入正弦激励读出天线,其反射信号的振幅测量获得的等效阻抗。应对疲软的信号在高温下,我们设计一个放大电路来解决敏感的检测问题。此外,我们开发了一种旋转speed-temperature综合测试平台和测试传感器使用马弗炉。给定转速信号的测试,可以测量在700°C下的误差小于0.12%。这描述了传感器在高温环境下的有效性。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的中国博士后科学基金会(2019号m661071),中国航空发展集团(没有Industry-University-Research合作项目。HFZL2020CXY019),中国国家自然科学基金青年基金项目(51705475号和51705478号)。