CN116388878A - 一种用于发动机旋转部件信息传输的无线信号收发装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于发动机旋转部件信息传输的无线信号收发装置，属于发动机监测领域，无线信号收发装置包括遥测发射端和遥测接收端，遥测发射端用于接收汇总传感器采集的信息，对传感器采集到的信息进行串化处理，将串化处理后的信息转化为激光信号并发射；遥测接收端用于接收第一光发射模块发射的激光信号，对接收到的激光信号进行光电转化、信号放大和电平匹配处理之后进行转化，得到激光信号，对激光信号进行解调得到信息数据，将信息数据进行串化处理，汇总指定量的信息数据，并通过网络接口发送至上位机。本发明可实现复杂恶劣环境发动机运动部件表面温度参数的无线读取，可以为旋转部件温度测量提供一种可靠的信号提取手段。
Description
本申请是名为《一种用于发动机旋转部件信息传输的无线信号收发装置》的专利申请的分案申请，原申请的申请日为2019年08月01日，申请号为201910707980.1。
技术领域
本发明涉及发动机关键参数测量与状态监测技术领域，特别是涉及一种用于发动机旋转部件信息传输的无线信号收发装置。
背景技术
在航空发动机转子部件结构优化设计、性能提升和安全寿命管理中，需要测量温度、压力、疲劳应变等诸多参数。传统的接触式测量难以满足在这样高温、高旋转及强振动等恶劣工况条件下使用，因此在这些情况下一般都采用小型近距离遥测系统进行间接测量。遥测是指将一定距离外的被对象的测参量值，传送到一定距离的遥测终端站，从而实现一定距离测量的技术。目前，使用最为广泛光电传输方式是红外无线数据传输，红外无线数据传输具有体积小、功率低等特点，但由于它对心困难，使用寿命有限，不易在发动机核心部件中使用。同时在供电方面，传统的电池供电电能有限，不能够持续对部件供电，并且体积大，提高了系统的设计难度。而导电滑环向旋转体上的遥测设备供电虽然结构简单，但在高速旋转的部件中使用滑环时，摩擦会产生大量的热量和较大的噪声，使导电滑环寿命大大缩短。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种用于发动机旋转部件信息传输的无线信号收发装置。
为解决上述技术问题，本发明采用技术方案为：
一种用于发动机旋转部件温度测量的无线遥测系统，包括：遥测发射端和遥测接收端；所述遥测发射端设置在发动机旋转部件的轴端；
所述遥测发射端包括：
第一以太网数据交换模块，输入端与设置在发动机旋转部件上的传感器连接，用于接收汇总传感器采集的信息；
第一FPGA模块，与所述第一以太网数据交换模块连接，用于对传感器采集到的信息进行串化处理；
第一光发射模块，与所述第一FPGA模块连接，用于将所述第一FPGA模块串化处理后的信息转化为激光信号，并发射；
所述遥测接收端包括：
第一光接收模块，设置在正对所述第一光发射模块的固定位置，用于接收第一光发射模块发射的激光信号，并对接收到的激光信号进行光电转化、信号放大和电平匹配处理，得到优化处理后信号；
第二光发射模块，用于将优化处理后信号进行转化后通过光纤发送；
第二光接收模块，用于接收通过光纤传输的激光信号，并对激光信号进行解调得到信息数据；
第二FPGA模块，与所述第二光接收模块连接，用于将对解调得到的信息数据进行串化处理；
第二以太网数据交换模块，与所述第二FPGA模块连接，用于汇总指定量的信息数据，并通过网络接口发送至上位机。
可选地，所述无线信号收发装置还包括：
充电发射模块，设置在所述遥测接收端上；所述充电发射模块包括依次连接的直流整流电路、单相全桥逆变电路和第一线圈；
充电接收模块，设置在所述第一光发射模块上；所述充电接收模块包括依次连接的第二线圈、全桥整流电路、开关稳压电路及可分离变压器；
所述第一线圈和所述第二线圈耦合设置形成所述可分离变压器的原边线圈和副边线圈。
可选地，所述无线信号收发装置还包括：第一PCB板和第二PCB板；所述第一PCB板通过三自由度可调支架固定；所述第二PCB板通过圆筒形工装安装于航空发动机转子旋转轴轴端；
所述遥测发射端设置在所述第一PCB板上；所述第一光接收模块设置在所述第二PCB板上；
所述第一PCB板上设置有作为第二线圈的螺旋线；所述第二PCB板上设置有作为第一线圈的螺旋线；
所述单相全桥逆变电路的输出端与所述第一PCB板上的螺旋线的两个端点相接；所述全桥整流电路的输入端与所述第二PCB板上的螺旋线的两个端点相接。
可选地，所述第一PCB板和所述第二PCB板均为圆形。
可选地，所述第一光发射模块设置在所述第一PCB板的圆心；所述第一光接收模块设置在所述第二PCB板的圆心；所述第一光发射模块位于发动机转轴轴心位置，所述第一光接收模块正对所述第一光发射模块。
可选地，所述第一PCB板和所述第二PCB板的直径均为100mm，板厚均为2mm，螺旋线的线宽均为1mm，线间距均为0.5mm，厚度均为210um，原副边螺旋线线圈的间隙为1mm。
可选地，所述第一光发射模块包括驱动电路和激光器；
所述驱动电路为专用激光驱动芯片，芯片内部集成自动功率控制电路，用于自动控制调制电流以使激光器的输出功率恒定；
所述激光器为半导体激光器。
可选地，所述第一光接收模块包括光电探测器、信号放大电路和电平匹配电路。
可选地，所述第二光发射模块的型号为NM344。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种轴对称激光传输及无线供电一体化微型结构设计，解决高温、高旋、高振动环境下数据可靠获取与传输问题；采用轴对称光传输及无线供电一体化微型结构设计，无需调谐，内部静子与转子为感应式供电，数据传输采用光电技术，确保信号不受现场电磁干扰、不失真地进行传输。发射端的供电采用感应供电，这种供电装置体积较小，质量轻，能够传输的功率较大，适合在高速旋转的设施上使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图说明
图1为本发明提供的用于发动机旋转部件信息传输的无线信号收发装置的结构示意图；
图2为本发明提供的用于发动机旋转部件信息传输的无线信号收发装置的各部分组成的结构示意图；
图3为本发明提供的用于发动机旋转部件信息传输的无线信号收发装置的感应供电的结构示意图。
符号说明：
遥测发射端-1，遥测接收端-2，信号转接模块-3，地面数据接收模块-4，发动机旋转部件的转轴-5，第一光发射模块-6，充电接收模块-7，第一光接收模块-8，第二光发射模块-9，光纤-10，第二光接收模块-11，第二FPGA模块-12，第二以太网数据交换模块-13，激光-14。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
无线激光通信是以激光为传输载体，以大气为传输媒介的非接触光电数据传输方式，具有适应转速范围宽、抗干扰能力强、传输速率高等优点，具有比红外无线数据通讯更快的数据传输速率的特点，该技术可以实现航空发动机转子参数的非接触数据传输。
如图1所示，本发明实施例提供了一种用于发动机旋转部件信息传输的无线信号收发装置，包括：遥测发射端1和遥测接收端2。
所述遥测发射端1设置于发动机旋转部件的转轴5端部。遥测发射端1用于接收设置在发动机旋转部件上的传感器发送的信号并通过光媒介进行发送。
具体地，如图1和图2所示，所述遥测发射端1包括第一以太网数据交换模块、第一FPGA模块和第一光发射模块6。第一以太网数据交换模块的输入端与设置在发动机旋转部件上的传感器连接，用于接收汇总传感器采集的信息并发送至第一FPGA模块，第一FPGA模块用于将传感器采集到的信息进行串化处理后发送给所述第一光发射模块6，所述第一光发射模块6用于将第一FPGA模块发送的信号转化为激光信号，并进行发射。
具体地，所述遥测接收端2包括信号转接模块3和地面数据接收模块4。信号转接模块3设置于正对第一光发射模块6的固定位置。信号转接模块3与遥测发射端1相对设置，便于其接收遥测发射端1发送的光信号，考虑到遥测接收端2从静子到上位机相距较远，为增强信号强度与结构安装的方便性，因此加入信号转接模块3。地面数据接收模块4设置在地面上。
如图1和图2所示，信号转接模块3包括第一光接收模块8及第二光发射模块9。第一光接收模块8用于接收第一光发射模块6发射的激光信号，并对接收到的激光信号进行光电转化和优化处理后发送至第二光发射模块9，优化处理的步骤至少包括对激光信号进行信号放大和电平匹配。第二光发射模块9用于将优化处理后信号进行转化后通过光纤10发送。在第一光接收模块8的光电探测器将接收到的激光信号放大以后，通过简单的电平匹配将信号增强，再通过第二光发射模块9将激光信号通过光纤10传输至地面数据接收模块4。地面数据接收模块4用于对信号转接模块3发送的信号进行解调后通过以太网口转发给上位机。信号转接模块3的第一光接收模块8采用与接收端相同的模块。
如图1和图2所示，所述地面数据接收模块4包括第二光接收模块11、第二FPGA模块12和第二以太网数据交换模块13。所述第二光接收模块11用于通过光纤10接收激光信号并对激光信号进行解调得到信息数据并发送给所述第二FPGA模块12。第二FPGA模块12用于将对解调得到的信息数据进行串化处理后发送给所述第二以太网数据交换模块13。第二以太网数据交换模块13用于汇总指定量的信息数据，并通过网络接口发送至上位机。
非接触感应供电的基本原理是通过磁场耦合感应相联系，实现了供电电源和用电设备之间非物理连接下的能量传输。本发明电能的供给采用无线感应供电的方式为旋转部件上的参数采集传输系统提供电源。
进一步地，所述遥测接收端2上还设置有充电发射模块。所述第一光发射模块6上还设置有充电接收模块7。如图3所示，充电发射模块包括依次连接的直流整流电路、单相全桥逆变电路和第一线圈。充电接收模块7包括依次连接的第二线圈、全桥整流电路、开关稳压电路及可分离变压器。所述第一线圈和第二线圈耦合设置形成可分离变压器的原边线圈和副边线圈。直流整流电路的输入端与市电或其它电源连接，输出端通过单项全桥逆变电路向可分离变压器的原边线圈供电，可分离变压器的副边线圈经开关稳压电路后，向遥测发射端1的负载供电。
可分离变压器是本发明的核心部件，需要满足以下要求。其一，要实现旋转式感应电能传输装置必须保证旋转状态和静止状态两种工况下可分离变压器的磁力线通路保持一致，因此圆形是最合理的变压器结构。其二，在航空发动机转子遥测系统中，光电数据传输电路轴心处安装有激光发射和接收器件，变压器中心必须留有足够大小的空间容纳激光器件，轴向尺寸必须小于激光器件传输距离。其三，航空发动机转子旋转速度达2万转/分以上，要求感应电能传输装置轴向尺寸越小越好，重量越轻越好，以免高速旋转时轴端抖动量过大影响激光传输，同时也不利于整体装置动平衡的调整。
针对以上要求，本发明提出的螺旋线PCB板构成可分离变压器。螺旋线的线宽、线间距、线的厚度、PCB板的直径根据具体应用的传输功率确定。因此，本实施例中，所述遥测发射端和信号转接模块分别设置在第一PCB板和第二PCB板上，所述第一PCB板和第二PCB板上分别设置有作为第二线圈和第一线圈的螺旋线。单相全桥逆变电路的输出端与第一PCB板上的螺旋线的两个端点相接，全桥整流电路的输入端与第二PCB板上的螺旋线的两个端点相接。所述第一PCB板通过三自由度可调支架固定，所述第二PCB板通过圆筒形工装安装于航空发动机转子旋转轴轴端。
具体地，本实施例中，第一PCB板和第二PCB板为圆形，所述第一PCB板和第二PCB板的直径均为100mm，板厚均为2mm，螺旋线的线宽均为1mm，线间距均为0.5mm，厚度均为210um。原副边螺旋线线圈的间隙为1mm。谐振频率106Khz左右时，原副边电流波形基本为正弦，最终可以获得4W左右的稳定输出。第一光发射模块和第一光接收模块分别设置在第一PCB板和第二PCB板的圆心，且所述第一光发射模块位于发动机转轴轴心位置，所述第一光接收模块正对所述第一光发射模块。
此外，本实施例中，所述第一光发射模块包括驱动电路和激光器，驱动电路选用专用激光驱动芯片，芯片内部需要集成了自动功率控制电路，用于自动控制调制电流以使激光器的输出功率恒定。激光器采用半导体激光器。作为一种具体的实施方式，激光器采用LD激光二极管ATO-01001，该激光器的峰值功率为10mw，典型波长为1310nm，带宽为622Mbps。所述第一光接收模块包括光电探测器、信号放大电路和电平匹配电路。作为一种具体的实施方式，光电探测器采用PIN探测器ATO-06005。
将发射光载波的激光器安装于旋转轴端面轴心处，接收数据的光电探测器处于其散射角以内，调整探测器与激光器之间的距离，使得探测器接收到的光功率大于其灵敏度，从而实现非接触的高速数据传输。无线激光通信接收模块的输出信号经过信号转接模块转化后可以直接驱动光纤通信发射模块。
第二光发射模块9具体可以为光纤通信发射模块，光纤通信发射模块采用NM344，该模块采用FC插拔型单模光纤接口，发射波长为1310nm，设计工作速率为622Mbps，接口电平为LVPECL。光纤选用与光纤通信发射模块配套的单模光纤。通过光纤将光纤通信发射模块和带光纤接口的计算机连接。最终可以获得在旋转工况下数据传输效率300Mbps，误码率小于10-14。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种用于发动机旋转部件信息传输的无线信号收发装置，其特征在于，所述无线信号收发装置包括：遥测发射端和遥测接收端；所述遥测发射端设置在发动机旋转部件的轴端；
所述遥测发射端包括：
第一以太网数据交换模块，输入端与设置在发动机旋转部件上的传感器连接，用于接收汇总传感器采集的信息；
第一FPGA模块，与所述第一以太网数据交换模块连接，用于对传感器采集到的信息进行串化处理；
第一光发射模块，与所述第一FPGA模块连接，用于将所述第一FPGA模块串化处理后的信息转化为激光信号，并发射；
所述遥测接收端包括：
第一光接收模块，设置在正对所述第一光发射模块的固定位置，用于接收第一光发射模块发射的激光信号，并对接收到的激光信号进行光电转化、信号放大和电平匹配处理，得到优化处理后信号；
第二光发射模块，用于将优化处理后信号进行转化后通过光纤发送；
第二光接收模块，设置在地面上，用于接收通过光纤传输的激光信号，并对激光信号进行解调得到信息数据；
第二FPGA模块，设置在地面上，与所述第二光接收模块连接，用于将对解调得到的信息数据进行串化处理；
第二以太网数据交换模块，设置在地面上，与所述第二FPGA模块连接，用于汇总指定量的信息数据，并通过网络接口发送至上位机。
2.根据权利要求1所述的用于发动机旋转部件信息传输的无线信号收发装置，其特征在于，所述无线信号收发装置还包括：
充电发射模块，设置在所述遥测接收端上；所述充电发射模块包括依次连接的直流整流电路、单相全桥逆变电路和第一线圈；
充电接收模块，设置在所述第一光发射模块上；所述充电接收模块包括依次连接的第二线圈、全桥整流电路、开关稳压电路及可分离变压器；
所述第一线圈和所述第二线圈耦合设置形成所述可分离变压器的原边线圈和副边线圈。
3.根据权利要求2所述的用于发动机旋转部件信息传输的无线信号收发装置，其特征在于，所述无线信号收发装置还包括：第一PCB板和第二PCB板；所述第一PCB板通过三自由度可调支架固定；所述第二PCB板通过圆筒形工装安装于航空发动机转子旋转轴轴端；
所述遥测发射端设置在所述第一PCB板上；所述第一光接收模块设置在所述第二PCB板上；
所述第一PCB板上设置有作为第二线圈的螺旋线；所述第二PCB板上设置有作为第一线圈的螺旋线；
所述单相全桥逆变电路的输出端与所述第一PCB板上的螺旋线的两个端点相接；所述全桥整流电路的输入端与所述第二PCB板上的螺旋线的两个端点相接。
4.根据权利要求3所述的用于发动机旋转部件信息传输的无线信号收发装置，其特征在于，所述第一PCB板和所述第二PCB板均为圆形。
5.根据权利要求4所述的用于发动机旋转部件信息传输的无线信号收发装置，其特征在于，所述第一光发射模块设置在所述第一PCB板的圆心；所述第一光接收模块设置在所述第二PCB板的圆心；所述第一光发射模块位于发动机转轴轴心位置，所述第一光接收模块正对所述第一光发射模块。
6.根据权利要求3所述的用于发动机旋转部件信息传输的无线信号收发装置，其特征在于，所述第一PCB板和所述第二PCB板的直径均为100mm，板厚均为2mm，螺旋线的线宽均为1mm，线间距均为0.5mm，厚度均为210um，原副边螺旋线线圈的间隙为1mm。
7.根据权利要求1所述的用于发动机旋转部件信息传输的无线信号收发装置，其特征在于，所述第一光发射模块包括驱动电路和激光器；
所述驱动电路为专用激光驱动芯片，芯片内部集成自动功率控制电路，用于自动控制调制电流以使激光器的输出功率恒定；
所述激光器为半导体激光器。
8.根据权利要求1所述的用于发动机旋转部件信息传输的无线信号收发装置，其特征在于，所述第一光接收模块包括光电探测器、信号放大电路和电平匹配电路。
9.根据权利要求1所述的用于发动机旋转部件信息传输的无线信号收发装置，其特征在于，所述第二光发射模块的型号为NM344。
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