水膜壓力無線傳感監(jiān)測中的多普勒效應(yīng)研究

張興慧， 王 楠,2*

(1.陜西理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000；2.陜西省工業(yè)自動化重點實驗室， 陜西 漢中 723000)

隨著綠色發(fā)展理念深入人心，以水為潤滑介質(zhì)的水潤滑軸承由于其綠色清潔、性能良好等諸多優(yōu)點逐漸受到人們的重視，成為研究熱點[1]。水膜壓力是水潤滑軸承的基本參數(shù)之一,通過對水膜壓力分布的深入研究可以獲得軸承的重要特性。

傳統(tǒng)水膜壓力監(jiān)測大都采用有線傳輸方式[2]，需要布置大量線纜和開關(guān)，存在操作復(fù)雜、模擬信號傳輸誤差較大等問題，而無線傳輸由于具有無需復(fù)雜布線、數(shù)字信號傳輸、操作簡單方便等優(yōu)點，在機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用優(yōu)勢日益凸顯。太原理工大學(xué)丁江江等[3]設(shè)計了一種基于ZigBee和GPRS融合的提升設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，進行全無線方式遠程狀態(tài)監(jiān)測，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測礦井提升設(shè)備的運行信息并高效存儲。袁佳等[4]為實現(xiàn)對水潤滑艉軸承水膜的壓力測試，選用Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)進行信號傳輸，網(wǎng)速快。鐘濤等[5]設(shè)計了一種多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，可將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)竭h程控制中心，該監(jiān)測系統(tǒng)測試準確，運行可靠。歐陽武等[6]在對偏載下水潤滑尾軸承分布式動力學(xué)特性的研究中，采用無線遙感技術(shù)來獲取水膜壓力分布，信號穩(wěn)定，精度高，連續(xù)運行時間長。綜上所述，為了解決有線傳輸帶來的諸多問題，基于無線傳輸特有的優(yōu)勢，采用無線通信技術(shù)對水膜壓力進行監(jiān)測是較好的解決方案。

經(jīng)過多年研究，王楠等[7]提出了一種水膜壓力無線傳感監(jiān)測方法，并申請了相關(guān)專利；但隨著研究的深入，逐漸發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)在無線通訊中會出現(xiàn)誤碼和丟包，影響測試過程。在排除了電磁干擾以及無線設(shè)備設(shè)計等因素之后，分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生原因如下：由于無線發(fā)射與接收設(shè)備的設(shè)計安裝問題，它們之間的相對位置會發(fā)生變化，導(dǎo)致信號無線發(fā)射頻率與接收頻率不一致，因此會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，影響無線通信質(zhì)量。但這其中的機理如何，影響因素是什么,并不十分清楚，需要做進一步研究。而由多普勒效應(yīng)引起的頻率偏差，即多普勒頻移是通信方面重要的研究課題。

多年來國內(nèi)外學(xué)者在多普勒頻移原理方面不斷地深入研究，YANG Jie等[8]提出了一種在水聲通信系統(tǒng)中新的多普勒頻移因子估計算法，該算法通過對連續(xù)波信號進行快速傅立葉變換，將模糊函數(shù)的搜索范圍限制在很小的范圍內(nèi)，只需少量的相關(guān)因子。LIN Min等[9]提出了一種改進的移動通信多普勒頻移參數(shù)估計算法，該算法對信噪比和多普勒頻移都能得到準確的估計。FAN Dian等[10]研究了高速鐵路無線通信系統(tǒng)中具有大量線性接收天線的多普勒頻移估計問題，提出了一種基于離散傅里葉變換的多普勒頻移估計算法。模擬結(jié)果表明，提出的估計算法能夠很好地實現(xiàn)波達方向估計。PAN Wei-qiang等[11]提出了一種用于水聲通信的數(shù)據(jù)輔助多普勒估計方法，應(yīng)用最小二乘原理建立目標函數(shù)，使合成信號與實際接收信號之間的誤差最小。但這些學(xué)者們只是進行仿真模擬，沒有進行試驗。Tanaka S等[12]從理論上改進了傳統(tǒng)的多普勒頻移方程，該理論預(yù)測只有聲源位置和目標位置的聲速影響多普勒頻移，研究評估了聲速空間變化引起的測量誤差，并在水箱上進行了實驗，測得的多普勒頻移數(shù)據(jù)在幾十赫茲范圍內(nèi)與理論預(yù)測一致?？偠灾?，現(xiàn)在對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)中多普勒頻移的研究以計算機仿真居多，進行試驗的較少，關(guān)于高速旋轉(zhuǎn)的機械設(shè)備中對多普勒效應(yīng)的研究則更少。

本文對水膜壓力無線傳感監(jiān)測中的多普勒效應(yīng)進行研究。針對已有的水潤滑軸承水膜壓力無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)，首先建立無線設(shè)備多普勒頻移理論模型，然后分析影響無線通信質(zhì)量的幾種因素，最后給出改善多普勒頻移的相關(guān)措施建議。

1 水膜壓力無線傳感監(jiān)測試驗臺

水膜壓力無線傳感監(jiān)測試驗臺示意圖如圖1所示。試驗臺主要包括變頻電機、聯(lián)軸器、電磁加載裝置、無線采集發(fā)射設(shè)備、無線傳感接收設(shè)備、水箱、水泵、動力柜等。

1.變頻電機；2.彈性膜片聯(lián)軸器；3.轉(zhuǎn)矩測試儀；4.軸；5.滾動軸承支撐；6.橡膠聯(lián)軸器；7.電磁鐵底座；8.軸承系統(tǒng)支撐；9.軸承外殼；10.橡膠軸瓦；11.端蓋；12.水膜壓力傳感器安裝孔；13.電磁加載裝置；14.無線采集發(fā)射設(shè)備；15.導(dǎo)電滑環(huán)；16.能量收集裝置；17.減速機；18.永磁發(fā)電機；19.底座；20.進水口；21.出水口；22.水箱；23.水泵；24.壓力表；25.流量傳感器；26.溫度計；27.動力柜圖1 水膜壓力無線傳感監(jiān)測試驗臺示意圖

如圖1所示，無線采集發(fā)射設(shè)備安裝在電磁加載裝置與減速機之間的水平旋轉(zhuǎn)軸上，其行程為隨旋轉(zhuǎn)軸同步運動，無線傳感接收設(shè)備安裝在旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)外部，位置不固定，因此無線采集發(fā)射設(shè)備與無線傳感接收設(shè)備之間有相對位置偏移。因為無線設(shè)備之間的相對距離發(fā)生變化，所以會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，從而導(dǎo)致無線發(fā)射頻率與無線接收頻率不一致，影響無線通信的質(zhì)量。無線通信設(shè)備之間因相對位置變化，從而導(dǎo)致無線發(fā)射頻率與無線接收頻率不同的現(xiàn)象，收發(fā)頻率之差稱為多普勒頻移。

2 模型建立與影響因素分析

圖2 多普勒頻移理論模型

由圖1可知，無線采集發(fā)射設(shè)備安裝在電磁加載裝置與減速機之間的水平旋轉(zhuǎn)軸上，其行程為隨旋轉(zhuǎn)軸同步運動。建立多普勒頻移理論模型如圖2所示。

圖2中，無線采集發(fā)射設(shè)備在軸上的起始點為A點，隨軸旋轉(zhuǎn)后得一點為B點，以B點為原點建立直角坐標系，A、B為無線采集發(fā)射設(shè)備在不同時刻t1、t2的兩個位置；θ1、θ2為對應(yīng)兩個時刻的電磁波入射角；無線采集發(fā)射設(shè)備隨軸順時針旋轉(zhuǎn)，t1時刻在A點，t2時刻在B點，在時間間隔Δt(min)內(nèi)無線采集發(fā)射設(shè)備向無線傳感接收設(shè)備點C(x，y)發(fā)送數(shù)據(jù)，無線采集發(fā)射設(shè)備與無線傳感接收設(shè)備之間的水平距離為x+d(m)、垂直距離為y(m)。

時間間隔為

Δt=t2-t1，

(1)

運動間隔為

d=Dsinθ2=Dsin(πvΔt)，

(2)

式中D為無線采集發(fā)射設(shè)備直徑(m)，v為軸轉(zhuǎn)速(r/min)，順時針旋轉(zhuǎn)。

A點與C點之間的距離為

(3)

式中點C(x，y)為無線傳感接收設(shè)備的坐標，坐標值的單位為m。

B點與C點之間的距離為

(4)

電磁波路徑差為

ΔL=L1-L2，

(5)

由路徑差造成的接收信號相位變化值為

Δφ=2πΔL/λ，

(6)

式中λ為電磁波波長，計算公式為

λ=c/f，

(7)

其中c為電磁波速度，c=3×108m/s，f為電磁波頻率，f=2.4 GHz。

綜合式(1)和式(6)，求得多普勒頻移fd的計算公式為

(8)

由式(8)可知，多普勒頻移fd由無線采集發(fā)射設(shè)備直徑D、軸轉(zhuǎn)速v以及無線傳感接收設(shè)備的坐標點C所確定。D不變，C點坐標不變，fd主要與軸轉(zhuǎn)速v有關(guān)，轉(zhuǎn)速越大，頻移越大，對應(yīng)的無線設(shè)備收發(fā)頻率之差增大。軸轉(zhuǎn)速v的確定公式為

0≤sin(πvΔt)≤1，

(9)

對式(9)進行變換得到

(10)

(a) y=0時多普勒頻移的變化 (b) y=0.5 m時多普勒頻移的變化圖3 多普勒頻移、轉(zhuǎn)速與x之間的變化關(guān)系圖

圖4 多普勒頻移、轉(zhuǎn)速與y之間的變化關(guān)系圖 圖5 多普勒頻移與x-y之間的變化關(guān)系圖

3 改善多普勒效應(yīng)的措施

根據(jù)以上多普勒效應(yīng)產(chǎn)生機理及影響因素的研究分析可知，影響多普勒頻移的主要因素是軸轉(zhuǎn)速，所以在滿足測試要求的前提下，通過控制軸轉(zhuǎn)速可以降低多普勒效應(yīng)帶來的影響。另外，無線設(shè)備相對位置對多普勒頻移有很大影響，從仿真結(jié)果看，縮短無線采集發(fā)射設(shè)備與無線傳感接收設(shè)備之間的水平距離，增加無線采集發(fā)射設(shè)備與無線傳感接收設(shè)備之間的垂直距離，可以減小多普勒頻移。這分別與無線傳感接收設(shè)備點的位置和無線采集發(fā)射設(shè)備直徑有關(guān)，是可以人為控制的。無線設(shè)備設(shè)計、電磁加載裝置的干擾、軸系對中與平衡對多普勒頻移都有影響，在實際測試中盡量減小這些因素對通信質(zhì)量的影響。最后，應(yīng)該進一步研究多普勒頻移補償算法[13]和信號無線傳輸中的時間同步[14]問題。

4 結(jié)束語

本文通過建立無線設(shè)備多普勒頻移理論模型，分析了影響無線通信質(zhì)量的幾種因素，研究結(jié)果表明軸轉(zhuǎn)速和無線設(shè)備的相對位置對多普勒頻移有較大影響，同時要減小無線設(shè)備的安裝方式、電磁加載裝置、軸系對中與平衡在測試中對通信質(zhì)量的影響。