基于電磁感應(yīng)原理的自供電轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：隨著工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平不斷提高，對傳感器的需求日益增長，導(dǎo)致工業(yè)設(shè)備的電路系統(tǒng)愈加復(fù)雜，供電負(fù)擔(dān)也不斷增加。針對該問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于電磁感應(yīng)原理的自供電轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了轉(zhuǎn)速傳感器、儲(chǔ)能模塊和無線傳輸模塊，能夠在測量轉(zhuǎn)速信號(hào)的同時(shí)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行存儲(chǔ)與利用，通過這種設(shè)計(jì)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)將轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云端，提高了旋轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性和安全性。

關(guān)鍵詞：電磁感應(yīng)；轉(zhuǎn)速監(jiān)測；無線傳輸；自供電

中圖分類號(hào)：TP 212 " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，傳感器作為設(shè)備控制與監(jiān)測的核心前端組件，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。轉(zhuǎn)速傳感器，作為精確測量旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、汽車制造和航空航天等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速傳感器，例如磁電式、霍爾式和磁阻式等[1]，在采集轉(zhuǎn)速信息時(shí)依賴外部電源供電，并且轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的傳輸須通過數(shù)據(jù)線完成。目前，無線傳輸技術(shù)的快速發(fā)展為優(yōu)化轉(zhuǎn)速傳感器工作模式帶來了新的契機(jī)[2]。本文提出了一種融合電磁感應(yīng)原理和無線傳輸技術(shù)的轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)不僅能夠測量設(shè)備的轉(zhuǎn)速，還融入了能量回收功能，能夠進(jìn)行自供電傳感，為轉(zhuǎn)速監(jiān)測提供長期穩(wěn)定的解決方案。該系統(tǒng)能夠降低成本，減少維護(hù)需求，適用于各種復(fù)雜環(huán)境和場景，具有環(huán)保和工作穩(wěn)定的優(yōu)勢。

1 監(jiān)測系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)主要具備轉(zhuǎn)速信號(hào)采集、信號(hào)處理、能量收集和無線傳輸功能，具體設(shè)計(jì)要求如下。1）采集轉(zhuǎn)速信號(hào)。本文基于電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，利用轉(zhuǎn)子和定子的相對運(yùn)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。2）信號(hào)的無線傳輸。采用ZigBee模塊進(jìn)行信號(hào)無線傳輸，將測得的轉(zhuǎn)速信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)。3）信號(hào)的分析與處理。在計(jì)算機(jī)上編寫程序，接收轉(zhuǎn)速信號(hào)，并對其進(jìn)行頻域分析，得到實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，以監(jiān)測轉(zhuǎn)速并進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。4）收集能量。本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速傳感器還具有能量收集功能，可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并加以儲(chǔ)存和利用，實(shí)現(xiàn)自供電傳感。整個(gè)系統(tǒng)的工作框架如圖1所示。

2 監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成。1）轉(zhuǎn)速傳感器。該傳感器利用電磁感應(yīng)原理，將輪胎的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用于收集機(jī)械能和生成轉(zhuǎn)速信號(hào)。2）儲(chǔ)能與控制模塊。該模塊內(nèi)置繼電器，能夠根據(jù)不同工況控制傳感器與電池之間電路的連通與斷開。3）無線傳輸模塊。該模塊將傳感器生成的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，通過無線方式發(fā)送給計(jì)算機(jī)端，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析、處理與實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.1 轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速傳感器主要由2個(gè)外殼、1個(gè)轉(zhuǎn)子、2組磁鐵和2組線圈構(gòu)成，其裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2（a）為裝置的總體結(jié)構(gòu)，其中2個(gè)結(jié)構(gòu)相同的外殼將轉(zhuǎn)子罩在其中。圖2（b）為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其內(nèi)圈上有2個(gè)與軸連接的鍵槽，前、后兩側(cè)均勻分布了凹槽，用于安裝磁鐵。圖2（c）為外殼結(jié)構(gòu)，其內(nèi)壁上同樣均勻分布了凹槽，用于安裝銅線圈，這些凹槽與轉(zhuǎn)子上的磁鐵位置一一對應(yīng)。此外，外殼外壁有4個(gè)凸臺(tái)，左右2個(gè)外殼通過螺栓緊密固定。

當(dāng)傳感器工作時(shí)，軸通過鍵帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)子兩側(cè)槽內(nèi)的磁鐵隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。磁鐵的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致其與線圈的相對面積發(fā)生變化，進(jìn)而引起線圈內(nèi)磁通量的改變。利用COMSOL軟件對磁鐵和線圈進(jìn)行仿真，通過磁感線的數(shù)量來表征磁感應(yīng)強(qiáng)度，可以清晰地觀察到不同時(shí)刻下線圈內(nèi)的磁場分布情況，如圖3所示。當(dāng)磁鐵從正對線圈位置旋轉(zhuǎn)至遠(yuǎn)離線圈時(shí)，線圈內(nèi)磁通量減少，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流[3]。當(dāng)線圈位于2塊磁鐵中間位置時(shí)，磁通量最小，隨著下一塊磁鐵的靠近，磁通量再次增加，從而產(chǎn)生一個(gè)與先前電流方向相反的感應(yīng)電流。

磁鐵和線圈的數(shù)量不僅影響了發(fā)電量，還與傳感精度相關(guān)。以磁鐵從正對一個(gè)線圈旋轉(zhuǎn)到正對下一個(gè)線圈為1個(gè)信號(hào)周期，磁鐵每轉(zhuǎn)過1個(gè)線圈，就會(huì)產(chǎn)生1個(gè)完整的正弦波信號(hào)。該信號(hào)的頻率越高，表明磁通量的變化率越高，所產(chǎn)生的電量也就越多。因此選取適宜數(shù)量的磁鐵和線圈能夠使傳感器具精度提高，同時(shí)還有助于產(chǎn)生盡可能多的電量。為了使磁通量變化更明顯，設(shè)定轉(zhuǎn)子外徑為100 mm，磁鐵選用直徑為15 mm、厚度為3 mm的釹鐵硼磁鐵，線圈選用直徑為15 mm、線徑為3 mm的銅線圈。磁鐵和線圈分別均勻分布在轉(zhuǎn)子和外殼上，不同數(shù)量的布置方式如圖4所示。圖4（a）為4塊磁鐵的布置方式，雖然能產(chǎn)生均勻的正弦波，但是信號(hào)分辨率較低，并且從能量回收的角度考慮，該布置方式對轉(zhuǎn)子的空間利用率較低，因此發(fā)電量較少。

圖4（b）為6塊磁鐵的布置情況，此時(shí)信號(hào)的分辨率和結(jié)構(gòu)整體發(fā)電量比圖4（a）有所提高，但仍未達(dá)到轉(zhuǎn)子空間利用率的最大化。圖4（c）為8塊磁鐵的布置方式，此時(shí)相鄰2塊磁鐵間的間隙恰好能容下1塊磁鐵，因此線圈在運(yùn)動(dòng)過程中能夠與磁鐵錯(cuò)開位置，使線圈里的磁通量變化幅度達(dá)到最大，所產(chǎn)生的信號(hào)的電壓幅值最高，抗干擾能力較好。同時(shí)由于增加了磁鐵數(shù)量，因此轉(zhuǎn)子整體磁通量增加，發(fā)電量明顯增加。圖4（d）為12塊磁鐵的布置方式，此時(shí)雖然轉(zhuǎn)子整體的磁通量最大，但是磁鐵排布過于緊密，導(dǎo)致線圈同時(shí)對應(yīng)2塊磁鐵，線圈里的磁通量變化幅度是4種布置方式中最小的，因此產(chǎn)生的電壓幅值最低。從傳感的角度考慮，低電壓幅值易受干擾，因此在轉(zhuǎn)子每側(cè)設(shè)置8對磁鐵線圈更能夠兼容傳感器的傳感精度和能量俘獲效率。

當(dāng)選用8對磁鐵和線圈的布置方案時(shí)，相鄰2個(gè)線圈間的角度為22.5°，即轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過22.5°，信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)波峰，這將直接決定傳感器的傳感精度。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過1圈，就會(huì)產(chǎn)生8個(gè)波峰。該信號(hào)被單片機(jī)采集，并被處理為方波信號(hào)，由無線傳輸模塊發(fā)送至計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)對一定時(shí)間內(nèi)的波峰進(jìn)行計(jì)數(shù)，并除以相對應(yīng)的時(shí)間，即可得到該時(shí)間段內(nèi)信號(hào)的頻率，再根據(jù)磁鐵數(shù)量推導(dǎo)出此時(shí)的轉(zhuǎn)速。信號(hào)頻率和轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

2.2 無線傳輸模塊設(shè)計(jì)

無線傳輸模塊的硬件設(shè)計(jì)基于ZigBee節(jié)點(diǎn)，其中信號(hào)發(fā)送端采用了ZigBee CC2530F256作為主控芯片，該芯片不僅兼容IEEE802.15.4協(xié)議，還內(nèi)置了一個(gè)高性能、高度集成的RF收發(fā)器以及一個(gè)8051微處理器。其配置包括8 kB的內(nèi)存和256 kB的閃存，此外，它還配備了多種輔助功能和外設(shè)，能夠滿足低功耗無線通信的一般需求。在信號(hào)接收端，數(shù)據(jù)通過USB線進(jìn)行傳輸，為此設(shè)計(jì)了USB轉(zhuǎn)串口電路，該電路能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)的USB接口轉(zhuǎn)換為串口，便于進(jìn)行串口調(diào)試。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為2個(gè)部分，即無線發(fā)送節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)與協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)。無線發(fā)送節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)信號(hào)的采集、處理與傳輸任務(wù)，而協(xié)調(diào)器則承擔(dān)無線數(shù)據(jù)的接收、顯示及存儲(chǔ)工作。

構(gòu)建無線傳感系統(tǒng)涉及組網(wǎng)過程。在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電并激活后，會(huì)開始掃描可用的信道，并選擇干擾最小的信道作為通信信道。確定通信信道后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)會(huì)初始化一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符（PANID），并以廣播的方式發(fā)送信標(biāo)幀。系統(tǒng)內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)在上電后會(huì)主動(dòng)搜尋周邊的網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀。一旦檢測到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信標(biāo)幀，終端節(jié)點(diǎn)便會(huì)向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)起入網(wǎng)請求。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在接收到入網(wǎng)請求后，會(huì)檢查當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的地址資源是否充足。如果資源充足，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)會(huì)為終端節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)16 bit的短地址，并發(fā)送連接成功的響應(yīng)幀給終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)在接收到連接成功的響應(yīng)幀后，即成功加入網(wǎng)絡(luò)。如果入網(wǎng)未成功，終端節(jié)點(diǎn)會(huì)重復(fù)上述流程，直到成功加入網(wǎng)絡(luò)為止。

當(dāng)無線發(fā)送節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器成功組網(wǎng)后，協(xié)調(diào)器便能夠接收無線發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并通過USB線將這些數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理或顯示。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)上，使用盡可能低的功耗工作是維持轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)作的重要手段。在該系統(tǒng)中，作為數(shù)據(jù)接收端的ZigBee協(xié)調(diào)器由于有穩(wěn)定的電源供電，暫不考慮低功耗設(shè)置。信號(hào)發(fā)射端依賴監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)的儲(chǔ)能模塊供電，因此其功耗管理非常重要，需要對ZigBee終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低功耗配置?？紤]終端節(jié)點(diǎn)采用自供電方式，合理管理電量成為設(shè)計(jì)中的核心要素。由于ZigBee終端節(jié)點(diǎn)在組網(wǎng)過程中會(huì)消耗大量電能，而組網(wǎng)是節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作狀態(tài)前的必要步驟，因此簡單地在非工作狀態(tài)下切斷終端電源會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)中斷開。為了既保持節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)的連接，又降低電量損耗，節(jié)點(diǎn)應(yīng)在非活躍狀態(tài)下進(jìn)入睡眠模式，使節(jié)點(diǎn)在避免組網(wǎng)時(shí)電量浪費(fèi)的同時(shí)，還能有效延長設(shè)備的待機(jī)時(shí)間[4]。ZigBee終端在主動(dòng)模式下運(yùn)行一段時(shí)間后，應(yīng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入低功耗睡眠模式，以降低功耗。當(dāng)電池電量充足時(shí)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)能通過激發(fā)器自主喚醒并恢復(fù)工作狀態(tài)。無線傳輸模塊具體工作流程如圖6所示。

2.3 儲(chǔ)能模塊設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能模塊需要具備存儲(chǔ)并分配轉(zhuǎn)速傳感器回收的電能的功能，既能夠儲(chǔ)存回收的電能，又能夠能為無線傳輸模塊供電，以便其將采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)送至計(jì)算機(jī)。同時(shí)，為了滿足傳感器不間斷工作的需求，本文在儲(chǔ)能電路中設(shè)計(jì)了2塊電池，實(shí)現(xiàn)交替工作。儲(chǔ)能模塊的工作原理如圖7所示。

在圖7中，儲(chǔ)能模塊由整流電路、穩(wěn)壓電路、2個(gè)由繼電器控制的開關(guān)K1、K2和2塊電池組成。由于電磁發(fā)電產(chǎn)生的是交流電，須通過整流電路轉(zhuǎn)換為直流電以供電池充電，因此整流電路被置于模塊前端。同時(shí)，電磁發(fā)電的電壓會(huì)隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的加快而升高，為了避免電壓過高損害損傷電池，應(yīng)設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路，將電壓穩(wěn)定在適合為電池充電的范圍內(nèi)，因此需要在整流電路后端布置穩(wěn)壓電路。繼電器能夠檢測2塊電池的電壓，并根據(jù)電壓的高、低控制開關(guān)閉合、斷開，實(shí)現(xiàn)2塊電池的交替工作[5]，具體工作流程如下。

初始狀態(tài)下，2塊電池均為滿電狀態(tài)，由電池一為負(fù)載供電，電池二處于備用狀態(tài)。當(dāng)電池一的電壓降低至無法為負(fù)載提供足夠電力時(shí)，繼電器觸發(fā)開關(guān)動(dòng)作，使K2與電池二接通，由電池二為負(fù)載供電。同時(shí)，K1與電池一接通，使轉(zhuǎn)速傳感器回收的電能為電池一充電。當(dāng)電池二的電壓也降低至無法為負(fù)載供電時(shí)，繼電器再次觸發(fā)開關(guān)動(dòng)作，此時(shí)K2與電池一接通，由電池一為負(fù)載供電。而K1則與電池二接通，為電池二充電。這樣循環(huán)往復(fù)，2塊電池交替進(jìn)行充放電，保證了傳感器的不間斷工作。

3 監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)適用多種設(shè)備（例如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、工業(yè)機(jī)械、風(fēng)機(jī)、液壓泵以及機(jī)器人等），用于精確測量其轉(zhuǎn)速。在測量電機(jī)轉(zhuǎn)速的場景中，轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)與電機(jī)的裝配關(guān)系如圖8所示。具體來說，轉(zhuǎn)子通過鍵連接的方式安裝在轉(zhuǎn)軸上，并隨軸一同旋轉(zhuǎn)。外殼則固定在工作臺(tái)上，保證轉(zhuǎn)子與外殼內(nèi)壁間保持適當(dāng)?shù)拈g隙。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，轉(zhuǎn)速傳感器收集由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的能量，并將其儲(chǔ)存在儲(chǔ)能模塊中。儲(chǔ)能模塊隨后為無線發(fā)送模塊提供電力，保證無線發(fā)送模塊能夠?qū)崟r(shí)、穩(wěn)定地將轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)送至計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)接收到信號(hào)后，進(jìn)行處理與分析，得出電機(jī)的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)速。

本文設(shè)計(jì)的自供電轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)具有以下2個(gè)優(yōu)勢。

3.1 數(shù)據(jù)可視化與智能報(bào)警

該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲取轉(zhuǎn)速信息，通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳至AliCloud物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，利用AliCloud提供的數(shù)據(jù)可視化界面設(shè)計(jì)工具，系統(tǒng)對ZigBee協(xié)調(diào)器上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝處理，以直觀、易懂的方式展示在計(jì)算機(jī)屏幕上[6]。這樣，每個(gè)被測物體的轉(zhuǎn)速信息都能與對應(yīng)終端一一對應(yīng)，并實(shí)時(shí)呈現(xiàn)。當(dāng)轉(zhuǎn)速超出設(shè)備正常工作范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即觸發(fā)屏幕閃爍和警報(bào)聲，以便工作人員迅速發(fā)現(xiàn)并響應(yīng)，從而保障生產(chǎn)安全和人員健康。

3.2 多終端組網(wǎng)與自供電設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器具備與多個(gè)ZigBee終端組網(wǎng)的能力，這表明一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以同時(shí)監(jiān)測多個(gè)項(xiàng)目的轉(zhuǎn)速情況。每個(gè)項(xiàng)目的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)均由監(jiān)測系統(tǒng)獨(dú)立測量，并通過協(xié)調(diào)器統(tǒng)一發(fā)送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。此外，監(jiān)測系統(tǒng)還內(nèi)置了自供電設(shè)計(jì)，無需額外供電設(shè)備，減輕了供電壓力，簡化了排線布局，優(yōu)化了工作空間的整體布局。

4 結(jié)語

本文基于電磁感應(yīng)原理，提出了一種自供電實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速傳感器能夠在采集轉(zhuǎn)速信號(hào)的同時(shí)將轉(zhuǎn)軸的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能并進(jìn)行存儲(chǔ)，便于為系統(tǒng)供電。系統(tǒng)利用ZigBee信號(hào)收發(fā)模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)速信號(hào)無線傳遞，并對轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。該系統(tǒng)既能用于在廠房內(nèi)對旋轉(zhuǎn)器械進(jìn)行轉(zhuǎn)速監(jiān)測，又能用于汽車、飛機(jī)等移動(dòng)機(jī)械上，在一定程度上簡化了設(shè)備的線路布局。同時(shí)，該系統(tǒng)成本低，穩(wěn)定性好，還降低了傳感系統(tǒng)成本，減少了維護(hù)需求。

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