CN109883689A - 一种轴类扭矩在线遥测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴类扭矩在线遥测系统，涉及扭矩测量技术领域，该系统包括感应供电装置、无线信号传输装置、单片机和信号采集装置；所述信号采集装置固定在目标轴上，用于采集所述目标轴的扭矩信号；所述无线信号传输装置通信连接所述信号采集装置，用于将所述信号采集装置采集的扭矩信号传输给后端进行处理；所述单片机与所述信号采集装置和无线信号传输装置通信连接，用于控制所述信号采集装置的信号采集以及所述无线信号传输装置的信号传输；解决了现有技术中轴类扭矩测量设备无法实现长期在线实时测量和信号无线传输的问题，实现了轧机扭矩参数的长期实时在线监测。

Description

一种轴类扭矩在线遥测系统

技术领域

本发明涉及扭矩测量技术领域，尤其涉及一种轴类扭矩在线遥测系统。

背景技术

轧机主传动扭矩是轧机在轧制过程中重要的力能参数之一，它不仅反映了主传动系统所承受的载荷大小，也反映了扭矩的动态过程。因此，在线实时监测扭矩信号能够优化轧制规程、发挥轧机效能、准确判定故障和避免生产事故，使轧机安全、高效和可靠的工作。

目前类似于轧机主传动的高速转动的轴类扭矩测试方法主要是通过在轴上粘贴应变片然后通过滑环或者电刷传递到外部装置进行分析处理，应变片和轴上设备的供电主要是电池和电刷供电的方式，存在无法实现长期准确有效的在线实时测量的问题。

发明内容

本申请实施例通过提供一种轴类扭矩在线遥测系统，解决了现有技术中轴类扭矩测量设备无法实现长期准确有效的在线实时测量和信号无线传输的问题。

本申请通过本申请的一实施例提供如下技术方案：

一种轴类扭矩在线遥测系统，包括感应供电装置、无线信号传输装置、单片机、信号采集装置；所述信号采集装置固定在目标轴上，用于采集所述目标轴的扭矩信号；所述无线信号传输装置通信连接所述信号采集装置，用于将所述信号采集装置采集的扭矩信号传输给后端进行处理；所述单片机与所述信号采集装置和无线信号传输装置通信连接，用于控制所述信号采集装置的信号采集以及所述无线信号传输装置的信号传输；

所述感应供电装置包括：

能量接收电路，用于固定在所述目标轴上，为信号采集装置供电；

能量发射电路，用于以空气作为磁介质通过电磁耦合的方式为所述能量接收电路供电。

可选的，所述能量接收电路与所述能量发射电路之间通过电磁耦合机构进行电磁耦合，所述电磁耦合机构包括：与所述能量发射电路连接的导电金属外环和与所述能量接收电路连接的内环线圈，所述内环线圈固定在所述目标轴上，随所述目标轴转动的同时，通过切割所述导电金属外环产生的磁场获得电能。

可选的，所述的无线信号传输装置包括：

WIFI发射模块，用于接收所述信号采集装置采集的扭矩信号；

WIFI接收模块，用于与所述WIFI发射模块通信，将所述WIFI发射模块接收的扭矩信号传输给后端进行处理。

可选的，所述WIFI发射模块固定在所述目标轴上，且所述能量接收电路与所述WIFI发射模块电连接，为所述WIFI发射模块供电；所述能量发射电路与所述WIFI接收模块电连接，为所述WIFI接收模块供电。

可选的，所述单片机包括第一单片机和第二单片机；

所述第一单片机一端电连接所述信号采集装置，另一端电连接所述WIFI发射模块，用于控制所述信号采集装置的信号采集、处理以及对所述信号的传输；

所述第二单片机一端电连接所述WIFI接收模块，另一端电连接后端数据处理设备，用于控制所述信号的传输。

可选的，在所述WIFI接收模块与所述第二单片机之间串联固态继电器，用于将所述感应供电装置产生的电源电压信号与所述扭矩电压信号隔离。

可选的，所述WIFI发射模块和WIFI接收模块与所述单片机通过串口连接以透明传输模式或者命令模式实现信号传递。

可选的，所述的信号采集装置包括：

全桥应变片，固定连接在所述目标轴上，用于采集目标轴的扭矩电压信号；

A/D转换电路，用于对所述全桥应变片采集的目标轴的扭矩电压信号转换成数字信号。

可选的，所述的信号采集装置中，在所述全桥应变片与所述A/D转换电路之间还包括：

滤波电路，用于对所述目标轴的扭矩电压信号进行滤波；

放大电路，用于对所述目标轴的扭矩电压信号进行放大。

可选的，在所述无线信号传输装置之后还通信连接有：

D/A转换电路，用于将所述无线信号传输装置传输的数字信号转换成扭矩电压信号。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明的在线遥测系统，感应供电装置中的能量发射电路与固定在目标轴上的能量接收电路以空气作为磁介质通过电磁耦合的非接触的方式进行无线供电，由于是非接触式供电，即使能量发射电路与能量接收电路可在相对运动的同时进行电能传递，从而可在目标轴转动的同时，持续为信号采集装置供电，解决了现有技术中轴类扭矩测量设备无法实现长期准确有效的在线实时测量的问题，能够保证高速旋转的轴类扭矩监测质量，提供准确的扭矩参数，为研究轧机振动问题提供科学准确的力能参数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一种实施例的扭矩遥测系统连接关系图；

图2是本发明一种实施例的扭矩遥测系统零部件装配示意图；

图3是本发明另一种实施例的扭矩遥测系统连接关系图；

附图标记说明如下：

1、金属导电外环，2、内环线圈，3、全桥应变片，4、导线，5、固定块，6、法兰，7、主控单元盒，8、目标轴。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种轴类扭矩在线遥测系统，解决了现有技术中轴类扭矩测量设备无法实现长期在线实时测量和信号无线传输的问题，实现了轧机扭矩参数的长期实时在线监测，为解决轧机振动问题提供科学的力能参数，当扭矩信号发生突变时，能够及时提醒现场工人员及时做出调整，避免引起较大的生产事故，帮助现场操作工科学操作轧机，提高轧机的作业率、安全性和设备潜能。

本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

一种轴类扭矩在线遥测系统，包括感应供电装置、无线信号传输装置、单片机、信号采集装置；所述信号采集装置固定在目标轴上，用于采集所述目标轴的扭矩信号；所述无线信号传输装置通信连接所述信号采集装置，用于将所述信号采集装置采集的扭矩信号传输给后端进行处理；所述单片机与所述信号采集装置和无线信号传输装置通信连接，用于控制所述信号采集装置的信号采集以及所述无线信号传输装置的信号传输；

所述感应供电装置包括：

能量接收电路，用于固定在所述目标轴上，为信号采集装置供电；

能量发射电路，用于以空气作为磁介质通过电磁耦合的方式为所述能量接收电路供电。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

首先说明，本文中出现的术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

实施例一

如图1所示，本实施例中，一种轴类扭矩在线遥测系统，包括感应供电装置、无线信号传输装置、单片机、信号采集装置；所述信号采集装置固定在目标轴上，用于采集所述目标轴的扭矩信号；所述无线信号传输装置通信连接所述信号采集装置，用于将所述信号采集装置采集的扭矩信号传输给后端进行处理；所述单片机与所述信号采集装置和无线信号传输装置通信连接，用于控制所述信号采集装置的信号采集以及所述无线信号传输装置的信号传输；

所述感应供电装置包括：

能量接收电路，用于固定在所述目标轴上，为信号采集装置供电；

能量发射电路，用于以空气作为磁介质通过电磁耦合的方式为所述能量接收电路供电。

具体的，如图2所示，本实施例中的目标轴8为轧机主传动。

可选的，所述能量接收电路与所述能量发射电路之间通过电磁耦合机构进行电磁耦合，所述电磁耦合机构包括：与所述能量发射电路连接的导电金属外环和与所述能量接收电路连接的内环线圈，所述内环线圈固定在所述目标轴上，随所述目标轴转动的同时，通过切割所述导电金属外环产生的磁场获得电能。

具体而言，如图2为本发明系统的一种零部件装配示意图，其中包括电耦合机构的具体结构，其中，1和2代表电磁耦合机构的导电金属外环和内环线圈，其中导电金属外环1用铝制圆环制成，也可以是其它导电金属材料，相当于高频感应供电一次线圈，能够产生高频感应磁场，内环线圈2是用覆铜PCB电路板制成的圆盘型，用螺栓紧固在轴上，相当于多匝线圈的平面螺旋型电感，是可随轴一起旋转的二次线圈，其中，导电金属外环1与内环线圈2同轴，相对位置固定，并保持一定间隙，不影响轧机传动轴的正常工作，内环线圈2通过随轴转动与外环电磁耦合产生高频感应电压。

可选的，所述的无线信号传输装置包括：

WIFI发射模块，用于接收所述信号采集装置采集的扭矩信号；

WIFI接收模块，用于与所述WIFI发射模块通信，将所述WIFI发射模块接收的扭矩信号传输给后端进行处理。

具体而言，如图2所示，WIFI发射模块内置在内环线圈2中，WIFI接收模块固定在主控单元盒7内，使WIFI发射模块与WIFI接收模块近距离相互无线通信，WIFI发射模块和WIFI接收模块型号为瑞昱RTL8711芯片。

为了实现分开供电，所述WIFI发射模块固定在所述目标轴上，且所述能量接收电路与所述WIFI发射模块电连接，为所述WIFI发射模块供电；所述能量发射电路与所述WIFI接收模块电连接，为所述WIFI接收模块供电。

可选的，所述的信号采集装置包括：

全桥应变片，固定连接在所述目标轴上，用于采集目标轴的扭矩电压信号；

A/D转换电路，用于对所述全桥应变片采集的目标轴的扭矩电压信号转换成数字信号。

具体而言，如图2所示，4代表全桥应变片，通过专用焊机焊接到目标轴上，A/D转换电路与全桥应变片4电连接，然后通过扁平导线3与WIFI发射模块连接，以采集并发送信号。

更可选的，为了便于信号的稳定传输，所述的信号采集装置中，在所述全桥应变片与所述A/D转换电路之间还包括：

滤波电路，用于对所述目标轴的扭矩电压信号进行滤波；

放大电路，用于对所述目标轴的扭矩电压信号进行放大。

滤波电路和放大电路串联在A/D转换电路与全桥应变片4之间，且滤波电路、放大电路与A/D转换电路集成在一起，内置在内环线圈2中，对全桥应变片4采集的扭矩信号进行滤波和放大后，再进行信号转换传输。

此外，在图2中，5代表固定内环线圈2和中控单元盒7的特制铝块，6是安装固定用的法兰，能量发射电路和单片机也都安装在主控单元盒7内；能量发射电路外接电源，将工频电压通过适配器转换成的直流电压转换成高频交流电压，一方面供导电金属外环1产生磁场的电能，另一方面为单片机和WIFI接收模块供电。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

本发明的在线遥测系统，感应供电装置中的能量发射电路与固定在目标轴上的能量接收电路以空气作为磁介质通过电磁耦合的非接触的方式进行无线供电，由于是非接触式供电，即使能量发射电路与能量接收电路可在相对运动的同时进行电能传递，从而可在目标轴转动的同时，持续为信号采集装置供电，并利用无线信号传输装置通过无线传输的方式将信号传递给后端进行处理，而信号采集装置的信号采集以及所述无线信号传输装置的信号传输通过单片机来控制，这样供电稳定，信号传输稳定，解决了现有技术中轴类扭矩测量设备无法实现长期准确有效的在线实时测量和信号无线传输的问题，能够保证高速旋转的轴类扭矩监测质量，提供准确的扭矩参数，为研究轧机振动问题提供科学准确的力能参数，

可以预料的，当扭矩信号发生突变时，能够及时提醒现场工人员及时做出调整，避免引起较大的生产事故，帮助现场操作工科学操作轧机，提高轧机的作业率、安全性和设备潜能，对硅钢无取向中低牌号生产轧机设备稳定运行有支撑作用。

本发明的感应供电装置中，能量接收电路与能量发射电路之间通过电磁耦合机构进行电磁耦合，电磁耦合机构包括与所述能量发射电路连接的导电金属外环和与所述能量接收电路连接的内环线圈，所述内环线圈固定在所述目标轴上，随所述目标轴转动的同时，充分利用轴类转动的特性，通过与目标轴固定连接的内环线圈切割所述导电金属外环的磁场获得电能，同时，固定在目标轴上的能量发射电路为相应的与目标轴固定的设备供电，能量接收电路通过外接电源，在提供导电金属外环产生磁场所需的电能外，还为不随目标轴转动的固定设备供电，这样通过互不接触的方式分别对设备进行供电，可满足轴类转动时对持续供电的需求，同时由于非接触不会因为摩擦力增大导致温度升高从而增大了接触电阻降低了电能传输效率。

本发明由于采用了非接触式的稳定供电方式，对监测时转动的设备和非转动的设备分别进行供电，因此采用扭矩采集设备固定连接在目标轴的方式进行扭矩监测，避免现有技术中通过滑环和电刷引出扭矩信号，由于存在直接接触，必然会产生摩损，长期测量影响精度的问题，因此可提高轴类扭矩长期监测的准确性。

实施例二

本实施例中，在实施例一的基础上，所述单片机包括第一单片机和第二单片机；

所述第一单片机一端电连接所述信号采集装置，另一端电连接所述WIFI发射模块，用于控制所述信号采集装置的信号采集、处理以及对所述信号的传输；

所述第二单片机一端电连接所述WIFI接收模块，另一端电连接后端数据处理设备，用于控制所述信号的传输。

具体而言，如图3所示，经A/D转换电路转换成数字信号送入第一单片机，第一单片机与WIFI发射模块用过串口连接实现信号传输，WIFI发射模块再将信号传输给WIFI接收模块，再通过第二单片机将信号传输给后端处理。

为了实现将扭矩值的变化波形显示在电脑显示屏，在所述无线信号传输装置之后还通信连接D/A转换电路，用于将所述无线信号传输装置传输的数字信号转换成扭矩电压信号，并发送给采集仪计算处理后，再发送给电脑进行显示。

可选的，在所述WIFI接收模块与所述第二单片机之间串联固态继电器，用于将所述感应供电装置产生的电源电压信号与所述扭矩电压信号隔离。

具体而言，固态继电器也内置在中控单元盒7中，由于感应供电装置中一部分工频电压同时为WIFI接收模块和第二单片机供电，其电压信号可能干扰扭矩信号，之间串联固态继电器可解决这一问题。

可选的，所述WIFI发射模块和WIFI接收模块与所述单片机通过串口连接以透明传输模式或者命令模式实现信号传递。

具体而言，WIFI接收模块和WIFI发射模块均集成了包括天线开关、电源管理转换器、ARM Cortex M3 MCU、802.11n无线网络控制器等于一体，它还提供了一些可配置的GPIO等外设，自身内置了存储控制器，包含ROM和SRAM，MCU可以通过IBus、DBus和AHB接口访问单片机，这些接口都可以访问ROM或RAM单元，支持两种工作模式：透传模式、命令模式，透传模式时，通过配置相应的参数，实现UART接口与网络之间数据透明传输；所述的单片机是STM32单片机，具有多个高速通信接口，具有先进的中断处理能力，能够满足系统对采集信号的传输和处理要求。

在透传模式下，WIFI接收模块和WIFI发射模块实现UART与网络之间的透明传输，实现通用串口设备与网络设备之间的数据传递，WIFI发射模块串口有数据接收则自动将接收的数据传递到WIFI接收模块，从而最大程度的降低通信过程的复杂度。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

本发明的无线信号传输装置包括所述WIFI发射模块和WIFI接收模块，与所述单片机通过串口连接以透明传输模式实现信号传递，解决了扭矩信号无线传输的问题并具有较强的抗干扰能力。

本发明在WIFI接收模块与第二单片机之间串联固态继电器，用于将所述感应供电装置产生的电源电压信号与所述采集目标轴的扭矩电压信号隔离，避免采集得到的扭矩信号受到电源输出电压干扰，提高扭矩信号采集的准确性。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种轴类扭矩在线遥测系统，其特征在于，包括感应供电装置、无线信号传输装置、单片机和信号采集装置，其中；

所述信号采集装置固定在目标轴上，用于采集所述目标轴的扭矩信号；

所述无线信号传输装置通信连接所述信号采集装置，用于将所述信号采集装置采集的扭矩信号传输给后端进行处理；

所述单片机与所述信号采集装置和无线信号传输装置通信连接，用于控制所述信号采集装置的信号采集以及所述无线信号传输装置的信号传输；

所述感应供电装置包括：

能量接收电路，用于固定在所述目标轴上，为信号采集装置供电；

能量发射电路，用于以空气作为磁介质通过电磁耦合的方式为所述能量接收电路供电。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量接收电路与所述能量发射电路之间通过电磁耦合机构进行电磁耦合，所述电磁耦合机构包括：与所述能量发射电路连接的导电金属外环和与所述能量接收电路连接的内环线圈，所述内环线圈固定在所述目标轴上，随所述目标轴转动的同时，通过切割所述导电金属外环产生的磁场获得电能。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的无线信号传输装置包括：

WIFI发射模块，用于接收所述信号采集装置采集的扭矩信号；

WIFI接收模块，用于与所述WIFI发射模块通信，将所述WIFI发射模块接收的扭矩信号传输给后端进行处理。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述WIFI发射模块固定在所述目标轴上，且所述能量接收电路与所述WIFI发射模块电连接，为所述WIFI发射模块供电；所述能量发射电路与所述WIFI接收模块电连接，为所述WIFI接收模块供电。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述单片机包括第一单片机和第二单片机；

所述第一单片机一端电连接所述信号采集装置，另一端电连接所述WIFI发射模块，用于控制所述信号采集装置的信号采集、处理以及对所述信号的传输；

所述第二单片机一端电连接所述WIFI接收模块，另一端电连接后端数据处理设备，用于控制所述信号的传输。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，在所述WIFI接收模块与所述第二单片机之间串联固态继电器，用于将所述感应供电装置产生的电源电压信号与所述扭矩电压信号隔离。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述WIFI发射模块和WIFI接收模块与所述单片机通过串口连接以透明传输模式或者命令模式实现信号传递。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的信号采集装置包括：

全桥应变片，固定连接在所述目标轴上，用于采集目标轴的扭矩电压信号；

A/D转换电路，用于对所述全桥应变片采集的目标轴的扭矩电压信号转换成数字信号。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述的信号采集装置中，在所述全桥应变片与所述A/D转换电路之间还包括：

滤波电路，用于对所述目标轴的扭矩电压信号进行滤波；

放大电路，用于对所述目标轴的扭矩电压信号进行放大。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，在所述无线信号传输装置之后还通信连接有：

D/A转换电路，用于将所述无线信号传输装置传输的数字信号转换成扭矩电压信号。