一種封閉旋轉軸內自供電無線溫度場測量裝置的製作方法
2023-12-11 14:05:12
專利名稱：一種封閉旋轉軸內自供電無線溫度場測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於溫度無線監測領域，具體涉及封閉旋轉軸內自供電無線溫度場測量裝置。
背景技術：
軸是機械中的重要部件，其功用是支承轉動零件及傳遞運動和動力；將軸和軸上零件進行周向固定並傳遞轉矩的零件是鍵；軸承用於支承軸及軸上零件，保持軸的旋轉精度和減少軸與支承間的摩擦和磨損，這些零件都屬於軸系零件。這些零件在旋轉的過程中周期性的摩擦發熱，溫度不斷升高，對軸的工作環境造成很大影響，特別是對長期高速重載運轉的高精度軸系零件而言，這種摩擦產生的熱量是影響軸性能(剛度、精度、使用壽命) 的最主要因素之一。典型的例子如工具機主軸，發電機主軸等。所以對這些軸系零件進行實時溫度場的監測是十分有必要的，通過監測可以判斷軸系零件的工作狀況，進行故障的預防。由於軸系零件需長時間高速旋轉，所以在其上安裝測量裝置並實現長期可靠測量具有較大難度。目前對於旋轉軸溫度檢測的方法有1、通過安裝在旋轉部件上的溫度傳感器進行溫度的實時採集，然後通過無線射頻模塊把溫度數據用無線通訊的方式傳輸出來。 2、通過非接觸式紅外測溫探頭對旋轉部件進行非接觸式的溫度實時採集，採集得到的溫度直接通過數據線傳輸。方法1中，由於無線射頻通訊需要較大能量，導致供電模塊體積較大，不易安裝，而且在高速旋轉狀態下，對主軸的平衡有一定的影響，而且在無線通訊中天線的安裝對通訊質量的影響是非常巨大的，所以在軸系零件上如何安裝天線也成為了影響無線射頻通訊在軸系零件溫度監測中大範圍應用的問題之一。方法2中，採用的紅外溫度探頭測量方法，是比較常用的非接觸式的測量方法，但是無法測得封閉軸系零件的內部溫度場分布，而且任何物體都會發出不同波長不同輻射能量的紅外線，他們之間會相互影響， 所以封閉軸系零件內部的複雜環境會對測量精度產生影響。綜上所述，設計一種合適的裝置實現對於高速旋轉封閉軸內溫度場的長期、精確測量是非常必要的。
發明內容
本發明提供了一種封閉旋轉軸內自供電無線溫度場測量裝置，無需電池等電源供電，實現了高速旋轉封閉軸內溫度場的長期有效測量。一種封閉旋轉軸內自供電無線溫度場測量裝置，包括自供能部件、用於發射固定波長的紅外線信號的紅外發射器、紅外接收裝置和計算輸出裝置，所述紅外接收裝置上安裝有用於測量基準溫度的基準溫度傳感器；所述自供能部件與紅外發射器電連接，用於驅動所述紅外發射器發射紅外線信號；所述紅外接收裝置用於接收所述紅外線信號並對其光強進行檢測；所述計算輸出裝置與所述紅外接收裝置相連，用於接收所述光強信息和基準溫度信息並計算封閉旋轉軸的徑向平面內的溫度場信息後輸出；
其中，所述自供能部件由熱端、冷端以及設在所述熱端和冷端之間的閉合迴路構成，所述熱端緊貼在所述封閉旋轉軸內旋轉軸表面上，所述冷端暴露在空氣中並接有散熱器，所述閉合迴路由η個半導體對串聯組成，所述半導體對由緊密接合的N型半導體和P型半導體構成；所述紅外接收裝置安裝在軸套內壁上。優選的技術方案中，所述的紅外接收裝置為若干個，並沿所述紅外發射器周圍的軸套內壁分布一周，這樣在旋轉軸不停旋轉的任何時刻都可以接收到相應信號並精確獲得封閉旋轉軸的徑向平面內的溫度場信息。上述裝置中，所述散熱器用於散熱，使得所述冷端溫度不受所述熱端的高溫的影響，保持與空氣溫度一致。上述裝置中，所述閉合迴路中，每個半導體對中的N型半導體與相鄰半導體對中的P型半導體相連，每一個半導體對中的P型半導體與另一相鄰半導體對中的N型半導體相連。上述裝置原理如下當封閉旋轉軸旋轉時，熱端溫度上升，由於在軸套的密閉環境中空氣的導熱率比較低，熱端的溫度大於冷端的溫度，在熱端和冷端存在溫度差。根據熱電效應，此時閉合迴路中的各半導體對在熱端處就會產電動勢又稱熱電動勢，N型半導體為高電勢端，P型半導體為低電勢端。由於閉合迴路中各半導體對串聯連接，所以閉合迴路產生的電勢差足夠驅動紅外發射器對外發射紅外線信號，而且紅外發射器向外發射的紅外信號波長是固定的。根據該紅外發射器的電氣特性可知，光強和電動勢差成正比，由於溫度差增大， 電動勢差就加大，因此光強和溫度差成正比；紅外接收裝置接收所述紅外線信號並對其光強進行檢測；檢測到的光強信息和由基準溫度傳感器測得的基準溫度信息輸入到計算輸出裝置，計算得到封閉旋轉軸的徑向平面內的溫度場信息並即時輸出。計算方法如下設熱端和冷端的溫度分別為Th和Tc，則熱端和冷端的溫度差ΔΤ = TH_TC。由熱電效應公式可得在熱端處，每個半導體對中N型半導體和P型半導體電壓差為E' = α ΔΤ, 整個閉合迴路所產生的電壓為E = ηΕ' =ηα ΔΤ，其中α為塞貝克係數，η為閉合迴路內半導體對的數量。設由自供能部件和紅外發射器構成的系統內阻為R，則通過上述電壓給紅外發射器供電時，紅外發射器的電流為I = E/R。由紅外發射器的特性可以知道，紅外信號的光強I。= β ，其中β為紅外發射器的電氣性能參數表示發射光強和電流的比值。而在紅外接收裝置中可以測得紅外發射器所發出紅外線波長的光強I。的大小，這樣可以得到熱端和冷端的溫度差AT = Th-Tc=^0
ηβα
T -T設熱端和冷端的距離為L，可得熱流密度^ = Α」^^，其中k為材料熱導係數。進
一步，可以根據熱流密度計算封閉旋轉軸的徑向平面內的溫度場的分布情況。設安裝在紅外接收裝置上的基準溫度傳感器測得的基準溫度為TB，從熱端到基準溫度傳感器的距離為H，那麼，在與所述封閉旋轉軸的軸線垂直的平面上任一點的溫度Tx均可通過下式計算得到
權利要求
1.一種封閉旋轉軸內自供電無線溫度場測量裝置，其特徵在於，包括自供能部件、用於發射固定波長的紅外線信號的紅外發射器、紅外接收裝置和計算輸出裝置，所述紅外接收裝置上安裝有用於測量基準溫度的基準溫度傳感器；所述自供能部件與紅外發射器電連接，用於驅動所述紅外發射器發射紅外線信號；所述紅外接收裝置用於接收所述紅外線信號並對其光強進行檢測；所述計算輸出裝置與所述紅外接收裝置相連，用於接收所述光強信息和基準溫度信息並計算封閉旋轉軸的徑向平面內的溫度場信息後輸出；其中，所述自供能部件由熱端、冷端以及設在所述熱端和冷端之間的閉合迴路構成，所述熱端緊貼在所述封閉旋轉軸內的旋轉軸表面上，所述冷端暴露在空氣中並接有散熱器， 所述閉合迴路由η個半導體對串聯組成，所述半導體對由緊密接合的N型半導體和P型半導體構成；所述紅外接收裝置安裝在軸套內壁上。
2.如權利要求1所述的封閉旋轉軸內自供電無線溫度場測量裝置，其特徵在於，所述的紅外接收裝置為若干個，並沿所述紅外發射器周圍的軸套內壁分布一周。
全文摘要
本發明公開了一種封閉旋轉軸內自供電無線溫度場測量裝置，包括由緊貼在封閉旋轉軸內旋轉軸表面上的熱端、暴露在空氣中並接有散熱器的冷端、以及設在熱端和冷端之間且由n個半導體對串聯而成的閉合迴路構成的自供能部件、用於發射固定波長的紅外線信號的紅外發射器、安裝有基準溫度傳感器的紅外接收裝置和計算輸出裝置。本發明採用微結構設計，可以方便的安裝在封閉的軸系零件的內表面；並且，通過自供能的無線傳輸實現了高速封閉旋轉軸內部的徑向溫度場的測量，不需要電源供能，保證測量裝置能夠利用熱能在無人值守的環境下長期正常工作。
文檔編號G01K7/01GK102384793SQ20111035691
公開日2012年3月21日 申請日期2011年11月11日 優先權日2011年11月11日
發明者傅建中, 姚鑫驊, 李晟 申請人:浙江大學