CN109724862A - 基于uwb的连杆应力测试系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于UWB的连杆应力测试系统及控制方法。测试系统包括传感装置；包括前置放大模块、高速采集存储模块、主控模块和UWB无线发射模块的UWB发射装置；UWB接收装置；数据采集控制上位机；UWB接收装置与数据采集控制上位机、UWB发射装置交互通信；主控模块的输出端与前置放大模块、高速采集存储模块、UWB无线发射模块的输入端连接，传感装置的输出端通过前置放大模块与高速采集存储模块、UWB无线发射模块的输入端连接，主控模块根据控制指令，控制该系统处于低功耗模式、UWB无线发射模式、采集存储模式，或同时开启UWB无线发射模式和采集存储模式。采用UWB无线传输，可根据需要切换不同工作模式，灵活性高。

Description

基于UWB的连杆应力测试系统及控制方法

技术领域

本发明涉及发动机零部件测试技术领域，且更具体地涉及一种基于UWB的连杆应力测试系统及控制方法。

背景技术

连杆是往复式发动机中传递动力的重要零件，它的作用是将活塞组和曲轴组连接起来，将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动，工作过程中始终处于复杂的交变应力状态下，它的性能直接影响到整机的安全。

对于连杆强度的验证，目前大多是在试验室中采用拉压试验机进行静应力测试，但这并不能完全反映连杆的受力状态，更精确的结果还需在发动机实际运动状态下开展连杆动应力的测试。但测试的难点在于连杆在工作过程中，始终处于高速运动之中，且发动机内部结构设计非常紧凑，内部环境也比较恶劣，诸如高温、油污、强振动和强电磁干扰等，给应变信号的引出和可靠传输带来极大的困难。

现有的测试连杆动应力的方法主要包括以下几种：

(1)机械式引出机构式测试方法，通常是在连杆上黏贴应变片，根据待测发动机的具体结构设计专用的线缆引出机构，如四连杆机构、副连杆机构等，通过机械机构将应变片的引线连接至机体外的采集设备进行数据采集。此方法原理虽简单，但在安装和使用过程中有诸多的不便，且在工作过程中，引线易折断，可靠性不高，寿命有限。

(2)存储式测试方法，通常是指将应变片、调理电路、采集和存储电路、控制单元及电源合成一体而构成的一个微小型化、可安装在发动机体内独立工作的测试系统。进行连杆动应力测试时，将该存储测试系统固定在连杆上，将应变片的信号引至存储测试系统进行采集和存储，当试验完成后再将装置从发动机上取下读取存在其中的应变试验数据。缺点是：无法实时看到连杆的应变信号，也无法确认系统是否处于正常工作状态，另外，无法控制测试系统的启停，工作时间也受电池电量制约。

(3)无线传输测试方法，是在存储式测试方法的基础上,用无线电发射模块来取代存储测试系统的存储单元,从而将采集的应变信号通过无线电的方式直接发送出来，并通过接收天线连接至接收机进行数据的采集和存储。但现有的无线传输测试方法仍存在以下问题：一、信号传输的抗干扰能力不足，二、传输的速率不够高，受限于传输的带宽，无法实时完整的进行信号的传输，三、测试系统本身的功耗较高。

因此，需要一种基于UWB的连杆应力测试系统及控制方法，以至少部分地解决现有技术中存在的问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了至少部分地解决上述问题，根据本发明的第一方面，提供了一种基于UWB的连杆应力测试系统，包括：

传感装置，所述传感装置至少包括应力传感器，所述应力传感器设置在所述连杆上；

UWB发射装置，所述UWB发射装置包括前置放大模块、高速采集存储模块、主控模块和UWB无线发射模块；

数据采集控制上位机；以及UWB接收装置，所述UWB接收装置分别与所述数据采集控制上位机、所述UWB发射装置交互通信，所述UWB接收装置配置为接收所述UWB无线发射模块发出的UWB信号并传递给所述数据采集控制上位机，和接收所述数据采集控制上位机发出的控制指令并传递给所述主控模块；

其中，所述主控模块的输出端分别与所述前置放大模块的输入端、所述高速采集存储模块的输入端以及所述UWB无线发射模块的输入端连接，所述传感装置的输出端与所述前置放大模块的输入端连接，所述前置放大模块的输出端分别与所述高速采集存储模块的输入端、所述UWB无线发射模块的输入端连接，以使所述主控模块根据所述控制指令，控制所述连杆应力测试系统处于以下模式之一：

(1)低功耗模式；

(2)UWB无线发射模式；

(3)采集存储模式；

(4)同时开启所述UWB无线发射模式和所述采集存储模式；

其中，所述低功耗模式配置为所述前置放大模块、所述高速采集存储模块和所述UWB无线发射模块均不工作；所述UWB无线发射模式配置为所述传感装置至少感测应力信号并且将所感测的信号传输至所述UWB无线发射模块进而转化成UWB信号传输至所述UWB接收装置；所述采集存储模式配置为所述传感装置至少感测应力信号并且将所感测的信号传输至所述高速采集存储模块进行存储。

优选地，所述传感装置还包括温度传感器，所述温度传感器设置在所述应力传感器附近，以感测所述应力传感器附近的温度，所述温度传感器的输出端与所述前置放大模块的输入端连接。

优选地，所述温度传感器为热电偶传感器，所述热电偶传感器将感测的温度经冷端补偿电路补偿后转化成电压信号输入至所述前置放大模块。

优选地，所述应力传感器为应变片，所述应变片接入惠斯通桥式电路，以将感测的应力转化成电压信号输入至所述前置放大模块。

优选地，所述高速采集存储模块包括高速存储单元，所述前置放大模块通过A/D转换电路与所述高速存储单元连接。

优选地，所述UWB无线发射模块包括脉冲调制电路和射频发射电路，所述前置放大模块依次与所述脉冲调制电路、所述射频发射电路连接，所述射频发射电路连接至所述UWB接收装置。

优选地，所述UWB接收装置包括UWB无线接收模块，所述UWB无线接收模块包括射频接收电路和脉冲检测电路，以接收并检测所述UWB信号。

优选地，所述UWB接收装置包括D/A转换电路和无线调制模块，以将所述控制指令转化成电压信号并进行调制后，传输至所述主控模块。

优选地，包括缸压传感器和曲轴转角传感器，所述缸压传感器与所述曲轴传感器的输出端与所述数据采集控制上位机的输入端连接。

根据本发明的基于UWB的连杆应力测试系统，所述主控模块的输出端分别与所述前置放大模块的输入端、所述高速采集存储模块的输入端以及所述UWB无线发射模块的输入端连接，所述传感装置的输出端与所述前置放大模块的输入端连接，所述前置放大模块的输出端分别与所述高速采集存储模块的输入端、所述UWB无线发射模块的输入端连接，以使所述主控模块根据所述控制指令，控制所述连杆应力测试系统处于低功耗模式、UWB无线发射模式、采集存储模式或同时开启所述UWB无线发射模式和所述采集存储模式。本发明采用UWB无线传输方式，保证了信号的抗干扰能力、传输效率、以及传输的完整性；并根据所述控制指令可使所述连杆应力测试系统处于不同的工作模式，既降低了功耗，也满足了测试过程中的不同需求，灵活性高，且保证了测试试验的成功率。

根据本发明的另一方面，提供一种前述的基于UWB的连杆应力测试系统的控制方法，该控制方法包括以下步骤：

所述数据采集控制上位机检测所述连杆的工况；

当所述数据采集控制上位机检测到所述连杆处于待测工况时，所述数据采集控制上位机向所述主控模块发送控制指令，以使所述主控模块控制所述连杆应力测试系统进入所述UWB无线发射模式和/或所述采集存储模式；

当所述数据采集控制上位机检测到所述连杆未处于所述待测工况时，所述数据采集控制上位机向所述主控模块发送控制指令，以使所述主控模块控制所述连杆应力测试系统处于所述低功耗模式。

根据本发明的基于UWB的连杆应力测试系统的控制方法，通过所述数据采集控制上位机检测所述连杆的工况，当所述连杆处于待测工况时，所述主控模块根据所述数据采集控制上位机发出的指令使所述连杆应力测试系统进入所述UWB无线发射模式和/或所述采集存储模式；当所述连杆未处于待测工况时，所述主控模块根据所述数据采集控制上位机发出的指令使所述连杆应力测试系统进入所述低功耗模式。本发明的控制方法，节约了测试系统的功耗，同时也满足了测试过程中的不同需求，灵活性高，保证了测试试验的成功率。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的装置及原理。在附图中，

图1为根据本发明的基于UWB的连杆应力测试系统的优选实施方式的结构框图；

图2为根据本发明的基于UWB的连杆应力测试系统的安装示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构，以便阐释本发明。显然，本发明的施行并不限定于该技术领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式，不应当解释为局限于这里提出的实施例。

图1示出了根据本发明的基于UWB的连杆应力测试系统的优选实施方式的结构框图。

UWB(Ultra Wide Band)是一种无载波通信技术，又名超宽带或脉冲无线电，利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。UWB技术的工作原理是发送和接收脉冲间隔严格受控的超短时脉冲，通过对连续的脉冲位置进行调制来携带信息，一般工作脉宽0.1-1.5ns，重复周期在25-1000ns左右。由于UWB与传统通信系统相比，工作原理迥异，因此UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、功耗低等传统通信系统无法比拟的优点。且经申请人反复对比与试验，得出下面表1所示的常见短距离通信技术其传输速率、功率的比对表，由表1可知：UWB在短距离通信上具有最高的速率以及最低的功耗，特别适合于连杆动应力测试中应变信号的传输。

表1

UWB

蓝牙

802.11a

HomeRF

NFC

ZigBee

速率(bps)

最高达1G

<1M

11～54M

1～2M

450K

100K

距离(m)

<10

<10

20～200

50

20

30～200

功率

1mW以下

1～100mW

>1W

<1W以下

1～3mW

1～3mW

下面，参考图1，详细说明根据本发明的基于UWB的连杆应力测试系统结构。

本发明的基于UWB的连杆应力测试系统包括传感装置10、UWB发射装置20、UWB接收装置30以及数据采集控制上位机40。

传感装置10至少包括应力传感器11，应力传感器11设置在连杆(例如发动机连杆)上，用于感测连杆在待测工况下所受到的应力。

UWB发射装置20包括高速采集存储模块28、主控模块22、UWB无线发射模块23和前置放大模块27。具体地，主控模块22的输出端分别与前置放大模块27的输入端、高速采集存储模块28的输入端以及UWB无线发射模块23的输入端连接，传感装置10的输出端与前置放大模块27的输入端连接，前置放大模块27的输出端分别与高速采集存储模块28的输入端、UWB无线发射模块23的输入端连接。

UWB接收装置30分别与数据采集控制上位机40和UWB发射装置20交互通信。具体地，UWB接收装置30配置为接收UWB发射装置20的UWB无线发射模块23发出的UWB信号并传递给数据采集控制上位机40，和接收数据采集控制上位机40发出的控制指令并传递给UWB发射装置20的主控模块22。

因此，主控模块22根据数据采集控制上位机40发出的控制指令，控制连杆应力测试系统处于低功耗模式、UWB无线发射模式、采集存储模式或同时开启UWB无线发射模式和采集存储模式。具体地，低功耗模式配置为前置放大模块27、高速采集存储模块28和UWB无线发射模块23均不工作；UWB无线发射模式配置为传感装置10至少感测应力信号并且将所感测的信号传输至UWB无线发射模块23进而转化成UWB信号传输至UWB接收装置30；采集存储模式配置为传感装置10至少感测应力信号并且将所感测的信号传输至高速采集存储模块28进行存储。

根据本发明的基于UWB的连杆应力测试系统，采用UWB无线传输方式，保证了信号的抗干扰能力、传输效率、以及传输的完整性；并根据数据采集控制上位机发出的控制指令可使UWB发射装置处于不同的工作模式，既降低了功耗，也满足了测试过程中的不同需求，灵活性高，且保证了测试试验的成功率。

优选地，应力传感器11可以是应变片。应变片附接(例如黏贴)在连杆上。应变片接入惠斯通桥式电路。具体地，将应变片与耐高温的高精度电阻组成惠斯通桥式电路。应变片接入惠斯通桥式电路，可以将感测的应力转化成电压信号输入至UWB发射装置20中的前置放大模块27。

为了提供应变温度补偿的依据，传感装置10还可以包括温度传感器12，温度传感器12设置在应力传感器11附近，以感测应力传感器11附近的温度。温度传感器12的输出端与前置放大模块27的输入端连接。

进一步地，温度传感器12可以是热电偶传感器，热电偶传感器将感测的温度经冷端补偿电路补偿后转化成电压信号输入至前置放大模块27。

进一步优选地，高速采集存储模块28包括高速存储单元21，前置放大模块27可以通过A/D转换电路26与高速存储单元21连接，用于将电压信号转换成数字信号存储至高速存储单元21。

进一步优选地，UWB无线发射模块23可以包括脉冲调制电路24和射频发射电路25，前置放大模块27依次与脉冲调制电路24、射频发射电路25连接，射频发射电路25与UWB接收装置30连接。由此，可将电压信号转换成UWB信号，进而由UWB接收装置30接收。

优选地，UWB接收装置30可以包括D/A转换电路31和无线调制模块32，以将数据采集控制上位机40发出的控制指令(数字信号)转化成电压信号，并进行调制后，传输至主控模块22，进而使数据采集控制上位机40控制连杆应力测试系统进入不同的工作模式。

优选地，UWB接收装置30可以包括UWB无线接收模块33。具体地，UWB无线接收模块33包括射频接收电路34和脉冲检测电路35，以接收并检测由UWB无线发射模块23转换后的UWB信号。该UWB信号可经过滤波放大电路60后传输至数据采集控制上位机40进行存储、显示等。

优选地，参考图2，本发明的基于UWB的连杆应力测试系统可以包括缸压传感器70和曲轴转角传感器80。缸压传感器70与曲轴转角传感器80采集的数据由p-α示功图示出，其中，p为缸压传感器70采集的发动机缸内气体压力，α为曲轴转角传感器80采集的发动机曲轴转角。通过设置缸压传感器70和曲轴转角传感器80，可以实现在测试过程中基于曲轴转角域进行应力和温度信号的采集，同时同步记录了发动机缸内压力信号，便于进一步的数据分析和判断。其中，缸压传感器70与曲轴转角传感器80的输出端与数据采集控制上位机40的输入端连接。缸压传感器70与数据采集控制上位机40之间可以设置电荷放大器71。

下面参考图2，只对优选实施方式的基于UWB的连杆应力测试系统在发动机上的安装情况进行说明。

如图2所示，将应力传感器11(例如应变片)黏贴在连杆上。将温度传感器12(例如热电偶传感器)黏贴在应力传感器11附近。将缸压传感器70和UWB发射装置20设置在发动机缸体上。将曲轴转角传感器80设置在发动机曲轴上。应力传感器11和温度传感器12通过电线与UWB发射装置20连接。将电池90与UWB发射装置20连接，用于给UWB发射装置20供电。UWB接收装置30用接收天线91来接收UWB发射装置20发出的UWB信号。缸压传感器70和曲轴转角传感器80通过电线与数据采集控制上位机40连接。

本发明还提供一种根据本发明的基于UWB的连杆应力测试系统的控制方法，该控制方法包括：

数据采集控制上位机40检测连杆的工况；

当数据采集控制上位机40检测到连杆处于待测工况时，数据采集控制上位机40向主控模块22发送控制指令，以使主控模块22控制连杆应力测试系统进入UWB无线发射模式和/或采集存储模式；

当数据采集控制上位机40检测到连杆未处于所述待测工况时，数据采集控制上位机40向主控模块22发送控制指令，以使主控模块22控制连杆应力测试系统处于低功耗模式。

需要说明的是，在本实施方式中，待测工况是人为设定的发动机在特定的转速和特定的扭矩下，连杆所处的工况。具体地，发动机的转速可由曲轴转角传感器80测量和计算得出，发动机扭矩由发动机试验测试台架获得。

下面结合控制方法，对本发明的基于UWB的连杆应力测试系统的工作过程进行详细说明。

该系统上电后，默认进入低功耗模式，此时前置放大模块27高速采集存储模块28、UWB无线发射模块23和UWB接收装置30都停止工作，系统处于最低功耗的状态；当连杆运行至待测工况后，通常通过数据采集控制上位机40唤醒UWB发射装置20，并使其进入UWB无线发射模式，完成应变信号的高速传输。在连杆处于待测工况的过程中，如果使用者观察到在数据采集控制上位机40中显示的信号不完整，或者外部环境恶劣，接收天线91位置布置不当，可在开启UWB无线发射模式的基础上，同时开启采集存储模式，这样进一步保证了信号的传输过程，也能将存储在高速存储单元21中的数据和已经发送至数据采集控制上位机40中的数据进行对照，方便分析，提高测试试验的成功率。当然，在外部环境良好，或者并没有从数据采集控制上位机40中观察出信号的异常，也可以是测试完成之后，单独开启采集存储模式，采集一定工作循环的试验数据存储在高速存储单元21中，用于与刚完成的UWB无线传输模式下发送的数据对照，进一步提高试验的可靠性。最后，待整个测试完成后，再次通过数据采集控制上位机40使系统处于低功耗模式，等待下一次测试。

根据本发明的基于UWB的连杆应力测试系统的控制方法，数据采集控制上位机根据连杆的工况，发出不同的控制指令，进而控制UWB发射装置处于不同的工作模式，既节约了测试系统的功耗，同时也满足了测试过程中的不同需求，灵活性高，保证了测试试验的成功率。

除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“部件”等术语既可以表示单个的零件，也可以表示多个零件的组合。本文中出现的诸如“安装”、“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。

本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施方式，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。

Claims (10)

1.一种基于UWB的连杆应力测试系统，其特征在于，包括：

传感装置，所述传感装置至少包括应力传感器，所述应力传感器设置在所述连杆上；

UWB发射装置，所述UWB发射装置包括前置放大模块、高速采集存储模块、主控模块和UWB无线发射模块；

数据采集控制上位机；以及UWB接收装置，所述UWB接收装置分别与所述数据采集控制上位机、所述UWB发射装置交互通信，所述UWB接收装置配置为接收所述UWB无线发射模块发出的UWB信号并传递给所述数据采集控制上位机，和接收所述数据采集控制上位机发出的控制指令并传递给所述主控模块；

其中，所述主控模块的输出端分别与所述前置放大模块的输入端、所述高速采集存储模块的输入端以及所述UWB无线发射模块的输入端连接，所述传感装置的输出端与所述前置放大模块的输入端连接，所述前置放大模块的输出端分别与所述高速采集存储模块的输入端、所述UWB无线发射模块的输入端连接，以使所述主控模块根据所述控制指令，控制所述连杆应力测试系统处于以下模式之一：

(1)低功耗模式；

(2)UWB无线发射模式；

(3)采集存储模式；

(4)同时开启所述UWB无线发射模式和所述采集存储模式；

其中，所述低功耗模式配置为所述前置放大模块、所述高速采集存储模块和所述UWB无线发射模块均不工作；所述UWB无线发射模式配置为所述传感装置至少感测应力信号并且将所感测的信号传输至所述UWB无线发射模块进而转化成UWB信号传输至所述UWB接收装置；所述采集存储模式配置为所述传感装置至少感测应力信号并且将所感测的信号传输至所述高速采集存储模块进行存储。

2.根据权利要求1所述的连杆应力测试系统，其特征在于，所述传感装置还包括温度传感器，所述温度传感器设置在所述应力传感器附近，以感测所述应力传感器附近的温度，所述温度传感器的输出端与所述前置放大模块的输入端连接。

3.根据权利要求2所述的连杆应力测试系统，其特征在于，所述温度传感器为热电偶传感器，所述热电偶传感器将感测的温度经冷端补偿电路补偿后转化成电压信号输入至所述前置放大模块。

4.根据权利要求1所述的连杆应力测试系统，其特征在于，所述应力传感器为应变片，所述应变片接入惠斯通桥式电路，以将感测的应力转化成电压信号输入至所述前置放大模块。

5.根据权利要求4所述的连杆应力测试系统，其特征在于，所述高速采集存储模块包括高速存储单元，所述前置放大模块通过A/D转换电路与所述高速存储单元连接。

6.根据权利要求4所述的连杆应力测试系统，其特征在于，所述UWB无线发射模块包括脉冲调制电路和射频发射电路，所述前置放大模块依次与所述脉冲调制电路、所述射频发射电路连接，所述射频发射电路连接至所述UWB接收装置。

7.根据权利要求1所述的连杆应力测试系统，其特征在于，所述UWB接收装置包括UWB无线接收模块，所述UWB无线接收模块包括射频接收电路和脉冲检测电路，以接收并检测所述UWB信号。

8.根据权利要求1所述的连杆应力测试系统，其特征在于，所述UWB接收装置包括D/A转换电路和无线调制模块，以将所述控制指令转化成电压信号并进行调制后，传输至所述主控模块。

9.根据权利要求1所述的连杆应力测试系统，其特征在于，包括缸压传感器和曲轴转角传感器，所述缸压传感器与所述曲轴传感器的输出端与所述数据采集控制上位机的输入端连接。

10.一种根据权利要求1-9中任一项所述的连杆应力测试系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

所述数据采集控制上位机检测所述连杆的工况；

当所述数据采集控制上位机检测到所述连杆处于待测工况时，所述数据采集控制上位机向所述主控模块发送控制指令，以使所述主控模块控制所述连杆应力测试系统进入所述UWB无线发射模式和/或所述采集存储模式；

当所述数据采集控制上位机检测到所述连杆未处于所述待测工况时，所述数据采集控制上位机向所述主控模块发送控制指令，以使所述主控模块控制所述连杆应力测试系统处于所述低功耗模式。