CN117664070A - 基于rfid无源标签检测的转子实时动态监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于RFID无源标签检测的转子实时动态监测系统，涉及RFID非接触无源感知领域，包括：转子、应变检测标签、角度检测标签、标签支架、阅读器天线、标签阅读器和高速计算机。本发明的优势在于无源非接触动态检测，所需传感器体积小，对转子系统动态性能影响小，方法鲁棒性强，成本低，检测速度快，不需要额外的复杂传感器，检测方法具有一定的通用性；构建了基于RFID无源标签检测的转子实时动态监测系统，融合多标签阵列的相位信息和RSSI信息，可实现转子实时动态应变、动态扭矩、动态扭转角度、动态扭转刚度的多物理量检测，综合检测性能强。

Description

基于RFID无源标签检测的转子实时动态监测系统

技术领域

本发明涉及RFID无源非接触感知领域，具体为一种基于RFID无源标签检测的转子实时动态监测系统。

背景技术

目前，针对转子系统的监测技术已有很多种，主要用于监测转子的扭矩、扭转角度及扭转刚度，其中对转子扭矩的监测手段主要通过与转子同轴连接的扭矩传感器来监测，需要预先加装扭矩传感器，对于实际工况中的转子系统来说，传感器安装空间有限、安装复杂；对于转子扭转角度的监测手段主要为静态测量方法，在转子一端装有固定测量摆臂，摆臂沿径向伸出，随转子的扭转而同步摆动，通过在摆臂的末端加装砝码施加扭矩，检测摆臂的运动距离进而转换为扭转角度，实现扭转角度的检测；转子的扭转刚度通过扭矩和扭转角度的比值计算而来。目前的转子扭转角度、扭转刚度、应变测量手段为静态测量方式，尚未见到转子动态扭转角度、动态扭转刚度、动态应变测量方法。

同时，RFID无源感知技术作为一种无源感知技术，在非接触各类物理量感知方面发展迅速，具有标签体积小、结构简单、布置方便、成本低、感知精度较高等优点，在复杂环境及狭小空间中振动多测点布置、不规则表面布置、立体化感知中有独特优势。因此，结合RFID技术实现转子实时动态监测具有很强的技术前景，为转子状态监测提供一个新的思路与方法。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

为此，本发明的实施例提出一种基于RFID无源标签检测的转子实时动态监测系统，包括：转子、应变检测标签、角度检测标签、标签支架、阅读器天线、标签阅读器和高速计算机；

所述应变检测标签设置在转子周面上，用于监测转子的动态应变及扭矩；

所述角度检测标签设置在转子周面上，用于监测该区域中转子的扭转角度；

所述标签支架设置在转子周面上且固定角度检测标签，保障角度检测标签沿轴线稳定布置在转子长度方向上；

所述阅读器天线阵列布置在转子四周，用于实现对转子转动过程实现全覆盖监测；

所述标签阅读器一端与阅读器天线连接，另一端与高速计算机连接，用于发送信号；

所述高速计算机用于控制标签阅读器启动、发射信号及处理各标签解码后的反向散射信息，进而根据标签的相位和信号接收强度(RSSI)信息计算出所测的转子动态应变、扭矩、扭转角度及扭转刚度。

进一步地，所述应变检测标签有两个,两个应变检测标签互成90°设置且均与转子轴线成45°，应变检测标签微带天线。

进一步地，所述角度检测标签通过标签支架固定在转子表面，在转子周面沿轴线方向设置两个角度检测标签，两个角度检测标签以一定间隔布置。

进一步地，所述标签支架靠近转子一端设置为圆弧状。

进一步地，所述阅读器天线分别布置在转子系统的竖直上方、水平左方、竖直下方、水平右方，阅读器天线正对标签的方向，阅读器天线距离转子设置为0.5m。

进一步地，所述标签阅读器一端通过馈线与阅读器天线连接，另一端与高速计算机连接。

进一步地，一种基于RFID无源标签检测的转子实时动态监测系统的监测方法，包括如下步骤：

1)利用应变检测标签对转子的扭矩进行检测，建立起应变与RSSI值的关系，通过RSSI值对应变进行标定；

2)利用布置在转子上互成90°且均与转子轴线成45°的两个应变检测标签，对检测的结果差分处理以提高应变检测的灵敏度，获取转子的实时应变信息；

3)通过应变与扭矩的计算公式得到转子的扭矩，关系如下：

其中，M是转子的扭矩，G是转子材料的切变模量，D是转子的直径，ε₄₅和ε₁₃₅分别表示与轴线方向呈45°和135°的应变量，

由上述公式可计算出转子的动态扭矩，利用高速计算机提高转子系统的动态应变与动态扭矩的计算能力实现实时计算；

4)利用角度检测标签对转子的扭转角度进行检测，对两个角度检测标签同方向的初始相位信息进行标定，确定初始相位状态；

5)将角度检测标签沿轴线方向布置，对转子扭转前后的两个角度检测标签的相位信息进行检测；

6)对两个角度检测标签的相位信息进行平滑滤波与差值处理，根据角度检测标签相对位置对标签相位差的影响规律建立角度检测标签相位差与扭转角度的对应关系，利用相位差求得转子扭转角度，利用高速计算机提高转子系统的动态扭转角度的计算能力实现实时计算；

7)根据3)得到的转子动态扭矩和6)得到的转子扭转角度，代入以下公式计算转子计算动态扭转刚度：

其中，φ是转子的扭转角度，M是转子计算动态扭转刚度，l是固定端到加载平面的距离，GI_p称为扭转刚度，

由上述公式可计算转子的动态扭转刚度，利用高速计算机提高转子系统的动态扭矩刚度的计算能力实现实时计算。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的优势在于无源非接触动态检测，所需传感器体积小，对转子系统动态性能影响小，方法鲁棒性强，成本低，检测速度快，不需要额外的复杂传感器，检测方法具有一定的通用性。

2.所用的转子扭矩检测方式采用两个互成90°且均与转子轴线成45°布置的装有微带天线的应变检测标签，同时相较于目前已有的声表面波标签扭矩检测方式不需要额外的PCB板及引线，抗金属性能强、可适应不同曲面粘贴，布置简单方便，检测成本低、经济实用。

3.所采用的转子扭转角度检测方式采用两个同轴线的角度检测标签检测，利用标签阅读器中采集到的两个标签的相位差进行角度检测，利用无源非接触方式省去检测角度的复杂装置，简单便捷。

4.对反映转子动态扭矩的标签信息和反映转子动态扭转角度的标签信息进行解耦处理，消除了旋转过程对动态扭矩监测的影响，有效提高了标签监测动态扭矩的精度，保障转子实时高精度监测。

5.构建了基于RFID无源标签检测的转子实时动态监测系统，融合多标签阵列的相位信息和RSSI信息，可实现转子实时动态应变、动态扭矩、动态扭转角度、动态扭转刚度的多物理量检测，综合检测性能强。

附图说明

图1是本发明的转子动态实时监测系统组成正视图；

图2是本发明的转子动态实时监测系统组成俯视图；

图3是本发明的转子动态实时监测系统组成侧视图；

图4是本发明的转子动态实时监测系统组成示意图；

图5是本发明的转子动态实时监测方法流程图。

附图标记：1.转子，2.应变检测标签，3.角度检测标签，4.标签支架，5.阅读器天线，6.标签阅读器，7.高速计算机。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1-图5所示，本发明的实施例提出一种基于RFID无源标签检测的转子实时动态监测系统，包括：转子1、应变检测标签2、角度检测标签3、标签支架4、阅读器天线5、标签阅读器6和高速计算机7；

所述应变检测标签2设置在转子1周面上，用于监测转子1的动态应变及扭矩；

所述角度检测标签3设置在转子1周面上，用于监测该区域中转子1的扭转角度；

所述标签支架4设置在转子1周面上且固定角度检测标签3，保障角度检测标签3沿轴线稳定布置在转子1长度方向上；

所述阅读器天线5阵列布置在转子1四周，用于实现对转子1转动过程实现全覆盖监测；

所述标签阅读器6一端与阅读器天线5连接，另一端与高速计算机7连接，用于发送信号；

所述高速计算机7用于控制标签阅读器6启动、发射信号及处理各标签解码后的反向散射信息，进而根据标签的相位和信号接收强度(RSSI)信息计算出所测的转子1动态应变、扭矩、扭转角度及扭转刚度。

优选的，所述应变检测标签2有两个,两个应变检测标签2互成90°设置且均与转子1轴线成45°，应变检测标签2微带天线，微带天线的长轴方向沿转子最大应变方向，采集两个方向的应变量。

优选的，所述角度检测标签3通过标签支架4固定在转子1表面，在转子1周面沿轴线方向设置两个角度检测标签3，两个角度检测标签3以一定间隔布置。角度检测标签3沿转子1轴线方向布置在待测区域的标签支架4上，通过转子1的扭转带动标签支架4的旋转，对标签支架4上布置的两个角度检测标签3的相位信息差进行检测，两个角度检测标签3的相对旋转在相位信息中体现为相位的相对变化，建立转子1扭转角度与相位信息的关系，进而通过识别到的相位信息差得到转子1的扭转角度。

两个角度检测标签3沿转子1轴线方向同一轴线部署来反映两位置处的相位信号，运行相应的算法可分别实现转子1应变、扭矩及扭转角度的计算，进而得到转子1的动态扭转刚度。

在一种实施例中，所述应变检测标签2和角度检测标签3是抗金属超高频的RFID标签，采用柔性抗金属基底，布置方式采用胶粘，便于安装和拆卸，为进一步防止RFID标签在转子1运行时脱落，在安装时可在RFID标签上表面粘贴一层胶带。RFID标签的尺寸可根据不同的转子1、布置方式进行调整，在保证读取性能的前提下实现便携式监测。

优选的，所述标签支架4靠近转子1一端设置为圆弧状，在一种实施例中，所述标签支架4可采用便于加工的轻质铝合金材料，在保证贴合转子1表面的前提下，通过胶粘或磁吸等方式牢固贴合在转子1表面，随转子1扭转而转动。

所述标签支架4的设计是为了保障扭转角度检测标签3与转子1扭转相一致，需要保证标签支架4的下表面与转子系统严格贴合，采用粘贴、磁吸或者螺栓固定的方式保障转子1的扭转变化能刚性传递到标签支架4上，标签支架4建议选择刚度大、质量轻的铝合金材料。为保障标签支架4的严格沿轴线布置，采用水平尺对标签支架4顶部平面进行安装校准，保障两者相对位置有足够的精度。

优选的，所述阅读器天线5分别布置在转子1系统的竖直上方、水平左方、竖直下方、水平右方，阅读器天线5正对标签的方向，阅读器天线5距离转子1设置为0.5m。其中两个阅读器天线5正对角度检测标签3，即沿转子1轴线方向；两个阅读器天线5正对应变检测标签2，即沿转子1径向方向。这样设置的目的是为了保障RFID标签的读取效率及动态检测精度，在转子1旋转的过程中实现RFID标签检测全覆盖。

优选的，所述标签阅读器6一端通过馈线与阅读器天线5连接，另一端与高速计算机7连接，在一种实施例中，所述标签阅读器6可部署在离转子1系统3-5m位置，不需严格靠近转子1系统，省去靠近转子1布置的麻烦，便于适应各种实际场景，与阅读器天线5连接的馈线可选择粗一些的来屏蔽周边电磁波的干扰。

所述高速计算机7用于采集和处理多标签的相位、RSSI信息，将应变检测标签2互成90°粘贴，采集到的RSSI信息建立与应变的关系，通过应变与转子1扭矩的计算公式得到转子1的动态扭矩；同时建立角度检测标签3相位信息与扭转角度的关系，实现转子1动态扭转角度监测，最后得到动态扭转刚度。

一种基于RFID无源标签检测的转子实时动态监测系统的监测方法，包括如下步骤：

1)利用应变检测标签2对转子1的扭矩进行检测，根据应变检测标签2微带天线的性质，即标签沿长轴方向的应变与应变检测标签2的RSSI值成线性关系，建立起应变与RSSI值的关系，通过RSSI值对应变进行标定；

2)利用布置在转子1上互成90°且均与转子1轴线成45°的两个应变检测标签2，对检测的结果差分处理以提高应变检测的灵敏度，获取转子1的实时应变信息；

3)通过应变与扭矩的计算公式得到转子1的扭矩，关系如下：

其中，M是转子1的扭矩，G是转子1材料的切变模量，D是转子1的直径，ε₄₅和ε₁₃₅分别表示与轴线方向呈45°和135°的应变量，

由上述公式可计算出转子1的动态扭矩，利用高速计算机7提高转子1系统的动态应变与动态扭矩的计算能力实现实时计算；

4)利用角度检测标签3对转子1的扭转角度进行检测，对两个角度检测标签3同方向的初始相位信息进行标定，确定初始相位状态；

5)将角度检测标签3沿轴线方向布置，对转子1扭转前后的两个角度检测标签3的相位信息进行检测；

6)对两个角度检测标签3的相位信息进行平滑滤波与差值处理，根据角度检测标签3相对位置对标签相位差的影响规律建立角度检测标签3相位差与扭转角度的对应关系，利用相位差求得转子1扭转角度，利用高速计算机7提高转子1系统的动态扭转角度的计算能力实现实时计算；

7)根据3)得到的转子1动态扭矩和6)得到的转子1扭转角度，代入以下公式计算转子1计算动态扭转刚度：

其中，φ是转子1的扭转角度，M是转子1的扭矩，l是固定端到加载平面的距离，GI_p称为扭转刚度，

由上述公式可计算转子1的动态扭转刚度，利用高速计算机7提高转子1系统的动态扭矩刚度的计算能力实现实时计算，

本发明可实现转子1的应变、扭矩、扭转角度、扭转刚度的无源非接触实时动态监测。

尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于RFID无源标签检测的转子实时动态监测系统，其特征在于，包括：转子、应变检测标签、角度检测标签、标签支架、阅读器天线、标签阅读器和高速计算机；

所述应变检测标签设置在转子周面上，用于监测转子的动态应变及扭矩；

所述角度检测标签设置在转子周面上，用于监测该区域中转子的扭转角度；

所述标签支架设置在转子周面上且固定角度检测标签，保障角度检测标签沿轴线稳定布置在转子长度方向上；

所述阅读器天线阵列布置在转子四周，用于实现对转子转动过程实现全覆盖监测；

所述标签阅读器一端与阅读器天线连接，另一端与高速计算机连接，用于发送信号；

所述高速计算机用于控制标签阅读器启动、发射信号及处理各标签解码后的反向散射信息，进而根据标签的相位和信号接收强度信息计算出所测的转子动态应变、扭矩、扭转角度及扭转刚度。

2.根据权利要求1所述的基于RFID无源标签检测的转子实时动态监测系统，其特征在于，所述应变检测标签有两个,两个应变检测标签互成90°设置且均与转子轴线成45°，应变检测标签微带天线。

3.根据权利要求1所述的基于RFID无源标签检测的转子实时动态监测系统，其特征在于，所述角度检测标签通过标签支架固定在转子表面，在转子周面沿轴线方向设置两个角度检测标签，两个角度检测标签以一定间隔布置。

4.根据权利要求1所述的基于RFID无源标签检测的转子实时动态监测系统，其特征在于，所述标签支架靠近转子一端设置为圆弧状。

5.根据权利要求1所述的基于RFID无源标签检测的转子实时动态监测系统，其特征在于，所述阅读器天线分别布置在转子系统的竖直上方、水平左方、竖直下方、水平右方，阅读器天线正对标签的方向，阅读器天线距离转子设置为0.5m。

6.根据权利要求1所述的基于RFID无源标签检测的转子实时动态监测系统，其特征在于，所述标签阅读器一端通过馈线与阅读器天线连接，另一端与高速计算机连接。

7.根据权利要求1所述的基于RFID无源标签检测的转子实时动态监测系统的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)利用应变检测标签对转子的扭矩进行检测，建立起应变与RSSI值的关系，通过RSSI值对应变进行标定；

2)利用布置在转子上互成90°且均与转子轴线成45°的两个应变检测标签，对检测的结果差分处理以提高应变检测的灵敏度，获取转子的实时应变信息；

3)通过应变与扭矩的计算公式得到转子的扭矩，关系如下：

其中，M是转子的扭矩，G是转子材料的切变模量，D是转子的直径，ε₄₅和ε₁₃₅分别表示与轴线方向呈45°和135°的应变量；

由上述公式可计算出转子的动态扭矩，利用高速计算机提高转子系统的动态应变与动态扭矩的计算能力实现实时计算；

4)利用角度检测标签对转子的扭转角度进行检测，对两个角度检测标签同方向的初始相位信息进行标定，确定初始相位状态；

5)将角度检测标签沿轴线方向布置，对转子扭转前后的两个角度检测标签的相位信息进行检测；

6)对两个角度检测标签的相位信息进行平滑滤波与差值处理，根据角度检测标签相对位置对标签相位差的影响规律建立角度检测标签相位差与扭转角度的对应关系，利用相位差求得转子扭转角度，利用高速计算机提高转子系统的动态扭转角度的计算能力实现实时计算；

7)根据3)得到的转子动态扭矩和6)得到的转子扭转角度，代入以下公式计算转子计算动态扭转刚度：

其中，φ是转子的扭转角度，M是转子的扭矩，l是固定端到加载平面的距离，GI_p称为扭转刚度，

由上述公式可计算转子的动态扭转刚度，利用高速计算机提高转子系统的动态扭矩刚度的计算能力实现实时计算。