Введение к работе
Актуальность темы
В ряде практических приложений встречаются измерения на вращающихся валах и осях механизмов, необходимые для диагностики работы оборудования и управления технологическими процессами. Использование беспроводной связи с находящимся на крутящемся валу преобразователем измеряемой физической величины в электрическую позволяет значительно повысить надежность и достоверность проводимых измерений в сравнении с использованием связи на скользящих контактах.
Рынок пассивных резонансных датчиков (РД) на поверхностных акустических волнах (ПАВ), предназначенных для размещения на крутящихся валах и осях механизмов, возник недавно и активно развивается. Среди потребителей РД на ПАВ можно отметить лидирующие инновационные компании: NASA, Renault, Ford, McLarent Electronic system ltd.
Пассивные резонансные датчики
(рис.1) позволяют осуществлять непре
рывные во времени измерения пара
метров происходящих на крутящемся
валу физических процессов. Они
состоят из закрепленных на валу ре
зонансных чувствительных элементов
(РЧЭ) и кольцевых вращающихся
Рис.1. Резонансный датчик сочленений (КВС), соединяющих их с
опрашивающим устройством (ОУ). Резонансные датчики на ПАВ работают в диапазоне частот от нескольких десятков мегагерц до нескольких гигагерц. Из-за того, что диаметр КВС соизмерим с длиной электромагнитной волны, имеется зависимость электрических параметров КВС от угла поворота вала. Её наличие приводит к зависимости частоты резонансного датчика от угла поворота вала. Обычно за частоту резонансного датчика в измерительных системах принимают частоту наибольшей передачи мощности из ОУ в РЧЭ.
Разработчики систем измерений крутящего момента (Transense technolo
gies Pic, Sensor technology Ltd и др.) занимаются решением проблемы выбора
кольцевых вращающихся сочленений (КВС), обеспечивающих слабую зависи
мость частоты РД от угла поворота вала. Решение этой проблемы позволяет бо
лее чем на порядок уменьшить погрешность измерений частоты РЧЭ, проводи- /
мых с использованием РД, улучшая свойства измерительной системы. /
Для уменьшения влияния зависимости параметров кольцевого вращающегося сочленения от угла поворота вала на измеряемые с помощью резонансных датчиков величины также используют:
поправочные зависимости от угла поворота вала,
разностные схемы измерений по показаниям двух и более РЧЭ,
методы аналого-цифровой обработки полученной информации. Использование перечисленных методов снижения влияния угла поворота
вала на измеряемые величины ведёт к существенному удорожанию конечного устройства, а также к увеличению его энергопотребления, габаритов и массы.
Таким образом, одна из основных решаемых задач разработки РД сводится к необходимости выбора и определения конструкций КВС, при которых минимизируется зависимость частоты РД от угла поворота вала.
Состояние вопроса
Для обеспечения связи ОУ с расположенными на крутящемся валу РЧЭ используются односекционные и многосекционные кольцевые вращающиеся сочленения с магнитной связью. Выбор кольцевых вращающихся сочленений с магнитной связью обусловлен их малыми габаритами и экспериментально полученной слабой зависимостью их алекгрических параметров от изменения расстояния между кольцами КВС по отношению к другим КВС.
Приводимые в литературе результаты рассмотрения КВС с магнитной связью получены эмпирически. Их использование мало помогает в выборе параметров системы, обеспечивающих слабую зависимость частоты резонансного датчика от угла поворота вала, что указывает на отсутствие теоретических основ, помогающих решению проблемы ослабления зависимости частоты РД от угла поворота вала.
Цель работы
Выработка рекомендаций по минимизации влияния угла поворота вала на частоту резонансного датчика через исследование влияния параметров и структуры колец вращающихся сочленений и способов подключений к ним опрашивающего устройства и РЧЭ на зависимость частоты РД от угла поворота вала.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи;
выполнен аналитический обзор публикаций по кольцевым вращающимся сочленениям, используемым для передачи электрических сигналов;
на основе теории связанных линий передачи разработана математическая модель КВС, используемая в исследованиях зависимостей электрических параметров КВС от угла поворота вала;
разработаны алгоритм и программа для моделирования зависимости частоты резонансного датчика от угаа поворота вала;
промоделированы различные подключения КВС с магнитной связью, работающего в составе РД, при разных значениях его параметров;
проведено сравнение симметричного подключения ОУ и РЧЭ к КВС с несимметричным подключением ОУ и симметричным подключением РЧЭ;
осуществлено сравнение результатов расчетов РД с результатами эксперимента.
Научная новизна
-
Впервые проведен анализ односекционных и многосекционных кольцевых вращающихся сочленений с использованием их моделей на связанных линиях передачи.
-
Впервые промоделировано влияние параметров электрической и магнитной связи на измеряемую частоту резонансных датчиков, использующих односекционные и много секционные кольцевые вращающиеся сочленения с магнитной связью.
-
Впервые предложен способ сравнения кольцевых вращающихся сочленений, использующихся в беспроводных пассивных резонансных датчиках, по разнице между максимальным и минимальным значениями относительного отклонения частоты РД, умноженной на характеристическое сопротивление РЧЭ.
-
Впервые применены вместе модель КВС с магнитной связью на сосредоточенных элементах и модель на связанных линиях передачи для анализа сочленений и расчета зависимостей их электрических параметров от угла поворота.
-
Впервые показано, что симметричное подключение ОУ и РЧЭ к кольцам КВС позволяет значительно ослабить зависимость частоты РД от угла поворота вала по сравнению с другими способами их подключений.
Практическая ценность работы
-
Предложены способы подключения и настроек односекционных и многосекционных кольцевых вращающихся сочленений с магнитной связью, минимизирующие зависимость результатов измерений от угла поворота вала, для их использования в составе пассивных резонансных датчиков.
-
Определены требования к конструкции многосекционного и односекционного КВС с магнитной связью для обеспечения слабой зависимости частоты пассивного РД от угла поворота вала.
-
Изготовлен образец РД на ПАВ с односекционным КВС магнитного типа, уменьшающий зависимость частоты РД от угла поворота вала по сравнению с существующими аналогами в два и более раз.
4. Улучшена достоверность измерений, проводимых на крутящемся валу, с использованием беспроводных резонансных датчиков без привлечения дополнительного оборудования.
Достоверность результатов работы
Достоверность результатов обуслоюіена применением проверенных математических методов анализа элементов техники СВЧ, теории связанных линий передачи, подтверждена экспериментальными исследованиями и сравнениями с результатами других авторов.
Апробация результатов работы
Полученные в работе результаты были доложены и обсуждены на одиннадцати международных конференциях, прошедших в России и за рубежом:
8-12 Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (ТУ), 2002г. - 2006г.;
5 международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнологические материалы и компоненты» —2003, Крым, 2003 г.;
Конференция IEEE UFFC в Монреале, Канада, 2004г.;
11, 12, 14 Международные конференции по спиновой электронике и гировекторной электродинамике», Москва, 2003г., 2004г., 2005-2006п;
11 международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнологические материалы и компоненты» — 2006, Крым, 2006г.;
15 Международная конференция «Радиолокация и радиосвязь», Москва, 2007 г.
Публикации
Общее число опубликованных научных трудов - 17, все по теме диссертации. Одна из статей опубликована в журнале «Метрология» из списка ВАК.
Практическое применение
Результаты работы используются в НИР кафедры, в учебном процессе и в разработках заказчика.
Доложс-ния, выносимые на защиту
-
Определено, что значение частоты, на которой односекционное КВС представляет собой инвертор сопротивлений либо трансформатор, является центром области наименьшей зависимости частоты РД от угла поворота вала. В идеальном случае частота РД равняется частоте РЧЭ и не зависит от угла поворота.
-
Для параллельного подключения ОУ и РЧЭ к многосекционному КВС с последовательным включением конденсаторов между секциями его колец определено, что РД имеет наиболее слабую зависимость частоты РД от угла
поворота вала на частоте, расположенной между частотами резонансов чётной и нечётной мод КВС, на которой многосекционное КВС представляет инвертор сопротивлений.
-
Симметричное подключение ОУ и РЧЭ к кольцам КВС позволяет значительно ослабить зависимость частоты РД от угла поворота вала по сравнению с другими способами их подключений.
-
Для сравнения кольцевых вращающихся сочленений рационально использовать параметр, равный произведению разницы между максимальным и минимальным значениями относительного отклонения частоты РД и характеристического сопротивления РЧЭ.
-
Рекомендации по подключению и настройке односекционных и многосекционных кольцевых вращающихся сочленений с магнитной связью для их использования в беспроводных резонансных датчиках.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из 5 глав, аннотации, введения и заключения, списка литературы, включающего 199 наименований, и 9 приложений. Общий объем диссертационной работы вместе с приложениями — 209 страниц. Текст диссертационной работы изложен на 168 страницах, включая 77 рисунков и 2 таблицы. Приложения занимают 41 страницу.
