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CN110552956B - 全自供电滚动轴承内部传感数据采集无线传输装置 - Google Patents

全自供电滚动轴承内部传感数据采集无线传输装置 Download PDF

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Abstract

一种全自供电滚动轴承内部传感数据采集及无线传输装置，所述的轴承包括轴承内圈、轴承滚动体、滚动体的保持架、轴承外圈，其特点在于还包括传感器及其调理电路、传感数据采集电路和传感数据无线输出电路构成的传感数据采集/输出器，由采能线圈、电能发生器和电源管理电路构成的自供电电源和无线信号中继器。本发明能实现轴承内部传感数据的自供电采集和无线传输，整个装置不需要由外部电源或者电池供电，只要轴承处于工作状态，就能够自主采集轴承内部的状态数据，当轴承外的查询器无线查询时，就可以无线传出传感数据。

Description

全自供电滚动轴承内部传感数据采集无线传输装置
技术领域
本发明涉及滚动轴承，特别是一种全自供电的滚动轴承内部传感数据采集无线传输装置。
背景技术
轴承是机械系统的核心运动部件，实现轴承的状态监测对于机械制造系统的产品质量、机械运动系统的运行安全具有重要价值。由于轴承是运动部件，对其进行状态监测的技术难点在于直接获取运动体的状态信息。由于轴承结构的限制，一般不能采用非接触方式监测轴承内部的状态，只能在轴承中的运动部件之间，甚至是在运动部件上安装传感器以获得状态信息，这样必须要解决传感器及其数据采集电路的电源供给和数据输出链路问题，因为电缆连接电源，或者电池供电，以及数据有线传输，都不适用于轴承工况。
发明内容
本发明的技术思路是：采集轴承转动的能量为传感数据采集和传感数据的无线输出提供电源；传感数据的输出采用无线查询方式，查询电磁波为传感输出提供载体，传感数据通过控制阻抗调制实现对查询电磁波的调制，并通过这种方法极大地简化数据无线传输的电路，电源功率消耗极低；轴承上布置有无线信号中继器而不是无线信号查询器，因为无线信号中继器结构简单，电源功率消耗远低于无线信号查询器，可以接收并转发较远距离布置的无线信号查询器的无线查询信号并传递到轴承内圈，同时将接收到的来自轴承内圈的传感数据放大后中继传输到轴承外的查询器。
本发明的目的在于提供一种全自供电滚动轴承内部传感数据采集及无线传输装置。该装置能实现轴承内部传感数据的自供电采集和无线传输，整个装置不需要由外部电源或者电池供电，只要轴承处于工作状态，就能够自主采集轴承内部的状态数据，当轴承外的查询器无线查询时，就可以无线传出传感数据。
本发明的技术解决方案如下：
一种全自供电滚动轴承内部传感数据采集及无线传输装置，所述的轴承包括轴承内圈、轴承滚动体、滚动体的保持架、轴承外圈，其特点在于还包括传感器及其调理电路、传感数据采集电路和传感数据输出电路构成的传感数据采集/输出器，由采能线圈、电能发生器和电源管理电路构成的自供电电源和无线信号中继器；
所述的传感数据采集/输出器固定在轴承内圈的不接触轴承滚动体的位置，所述的无线信号中继器安装在轴承外圈的不接触轴承滚动体的位置；
在所述的滚动体的保持架对着轴承内圈和外圈的两个面上分别布置有两个永磁体阵列，分别作为内圈电能发生器和外圈电能发生器：
对着轴承内圈的面上布置的永磁体阵列的一个磁极对着所述的安装在轴承内圈外侧的采能线圈，所述的内圈采能线圈的输出端与内圈电源管理电路的输入端相连，该内圈电源管理电路的输出端与所述的传感数据采集/输出器的电源端相连，为所述的传感数据采集/输出器供电，所述的内圈自供电电源的能量采集自轴承内圈相对于滚动体保持架的转动；
对着轴承外圈的面上布置的永磁体阵列的一个磁极对着所述的安装在轴承外圈的内侧的采能线圈，所述的外圈采能线圈的输出端与所述的外圈电源管理电路的输入端相连,该外圈电源管理电路的输出端与所述的无线信号中继器的电源端相连，为所述的无线信号中继器供电，所述的外圈自供电电源的能量分别采集自轴承外圈相对于滚动体保持架的转动。
所述的传感器根据轴承监测需要选取，包括温度、载荷、转速、应力/应变、振动传感器。
所述的无线信号中继器包括外天线和内天线，其中内天线安装在外圈的内侧。
所述的传感数据/采集器还可以安装在保持架上，这样用作内圈电能发生器的永磁体阵列安装在轴承内圈外侧，内圈采能线圈以及内圈电源管理电路和传感数据/采集器一起安装在保持架上，为内圈电源管理电路的输出为传感数据/采集器供电，其余的传感数据采集，无线传输如前所述。
所述的传感数据/采集器还可以安装在外圈的内侧，这样只需要外圈的自供电电源，同时为传感数据/采集器和无线信号中继器供电，其余的传感数据采集，无线传输如前所述。
本发明装置的工作原理是：
在轴承的内圈安装传感数据采集/输出器，直接采集轴承工作状态数据，在被轴承外的查询器无线查询时传递到轴承外圈；在轴承的外圈安装有无线信号中继器，接收来自轴承之外的无线查询的信号并传递到轴承内圈，同时将接收到的来自轴承内圈的传感数据信号放大后中继传输到轴承外的查询器；在轴承保持架上安装有电能发生器，在轴承内圈和外圈同时安装有采能线圈，采集轴承运动能量并通过电源管理电路，形成两个电源，分别为内圈的传感数据采集/传输器，外圈的无线信号中继器提供电源。
传感数据采集/输出器也可以安装在滚动体保持架上，为其供电的采能线圈、电源管理电路也安装在保持架上，而相应的电能发生器永磁体阵列则安装在轴承内圈。
传感数据采集/输出器还可以和无线信号中继器一起安装在轴承外圈，共用一个自供电电源。
本发明的技术效果如下：
1、本发明装置实现轴承内部传感数据的自供电采集和无线传输，整个装置不需要由外部电源或者电池供电，只要轴承处于工作状态，就能够自主采集轴承内部的状态数据，当轴承外的查询器无线查询时，就可以无线传出传感数据。
2、本发明可以采集轴承内圈的温度、载荷、转速、应力/应变、振动等参数，经过其上的自供电的无线信号中继器无线查询获取这些参数数据。
3、本发明装置和外部其他装置没有任何物理连线，轴承内部的传感信号输出链路也无任何物理连线，也不需要连接电源或者电池，这样在轴承生产装配时，就可以把本发明装置一并装配，和轴承部件固定在一起，只要轴承工作，本装置就能发挥功能。
附图说明
图1是本发明全自供电滚动轴承内部传感数据采集及无线传输装置实施例1的原理结构示意图
图2是传感数据采集/输出器的构成框图
图3是阻抗调制电路
图4是无线信号中继器线路图
图5是本发明全自供电滚动轴承内部传感数据采集及无线传输装置实施例1剖面示意图，其中(a)为轴承的侧视剖面图，(b)为主视剖面图。
具体实施方式
实施例1
请参阅图1和图5，图1是本发明全自供电滚动轴承内部传感数据采集及无线传输装置实施例1的原理结构示意图，图5是本发明全自供电滚动轴承内部传感数据采集及无线传输装置实施例1在轴承上安装剖面示意图，由图可见，本发明全自供电滚动轴承内部传感数据采集及无线传输装置，所述的轴承包括轴承内圈1、轴承滚动体2、滚动体的保持架3、轴承外圈4，还包括传感器及其调理电路、传感数据采集电路和传感数据输出电路构成的传感数据采集/输出器9，由采能线圈5、电能发生器6和电源管理电路7构成的自供电电源和无线信号中继器8；
所述的传感数据采集/输出器9固定在轴承内圈1的不接触轴承滚动体2的位置，所述的无线信号中继器8安装在轴承外圈4的不接触轴承滚动体2的位置；
在所述的滚动体的保持架3对着轴承内圈1和外圈4的两个面上分别布置有两个永磁体阵列构成电能发生器：
对着轴承内圈1的面上布置的永磁体阵列的一个磁极对着所述的安装在轴承内圈1的外侧的采能线圈5-2，所述的内圈采能线圈5-2的输出端与所述的内圈电源管理电路7的输入端相连，该内圈电源管理电路7的输出端与所述的传感数据采集/输出器9的电源端相连，为所述的传感数据采集/输出器9供电，所述的内圈自供电电源7的能量采集自轴承内圈1相对于滚动体保持架3的转动；
对着轴承外圈4的面上布置的永磁体阵列的一个磁极对着所述的安装在轴承外圈4的内侧的外圈采能线圈5-1，所述的外圈采能线圈5-1的输出端与所述的外圈电源管理电路7的输入端相连,该外圈电源管理电路7的输出端与所述的无线信号中继器8的电源端相连，为所述的无线信号中继器8供电，所述的外圈自供电电源7的能量分别采集自轴承外圈4相对于滚动体保持架3的转动。
所述的传感器根据轴承监测需要选取，包括温度、载荷、转速、应力/应变、振动传感器。
所述的传感数据采集/输出器9的构成如图2示。其中传感器根据轴承监测需要选取。多路模/数转换电路将传感器输出转换成数字信号，微处理器控制A/D转换并对转换后的数字信号进行编码产生传感数据编码信号，编码信号中还包含有传感器的标志码。编码信号输出端接阻抗调制电路的控制端，阻抗调制电路的输入端和安装在轴承内圈1的天线9-2连接，天线9-2和无线信号中继器的内天线8-2形成无线链路。
阻抗调制电路的一种典型电路如图3。
无线信号中继器的线路图如图4示，
所述的无线信号中继器8由两个环形器，两个射频放大器，内天线8-2和外天线8-1构成，内天线8-2和第二环形器8-4的一端相连，该第二环形器8-4的另外两端分别接第一射频放大器8-6的输入端和第二射频放大器8-5的输出端，所述的外天线8-1和第一环形器8-3的一端相连，该第一环形器8-3的另外两端分别接第一射频放大器8-6的输出端和第二射频放大器8-5的输入端。
无线信号中继器8的电路结构简单，功耗可以较低，由外圈自供电电源供电。
图5是本发明全自供电滚动轴承内部传感数据采集及无线传输装置实施例1安装剖面示意图，(a)是侧视剖面图，(a)是主视剖面图，所述的外圈电能发生器6-1、内圈电能发生器6-2、外圈采能线圈5-1、内圈采能线圈5-2、外天线8-1、内天线8-2、无线信号中继器8、传感数据采集/输出器9及其天线9-2的安装如图5示。安装在内圈1的天线9-2是传感数据采集/输出器9的组件之一。外圈电源管理电路7、内圈电源管理电路7分别和无线信号中继器8、传感数据采集/输出器9在一起。内圈采能线圈5-2和传感数据采集/输出器9安置在轴承内圈1的外侧滚动体2不接触的位置；外圈采能线圈5-1安置在轴承外圈4的内侧滚动体2不接触的位置。内圈电能发生器6-2安装在保持架3不接触滚动体2的位置，其中一个磁极正对所述的内圈采能线圈5-2；外圈电能发生器6-1安装在保持架3不接触滚动体2的位置，其中一个磁极正对所述的外圈采能线圈5-1。所述的无线信号中继器8安装在轴承外圈4，无线信号中继器8中的内天线8-2置于轴承外圈4的内侧，和传感数据采集/输出器9中的天线9-2形成无线链路，无线信号中继器8中的外天线8-1置于轴承外圈4的外表面，以和信号查询器的天线形成无线链路。传感数据采集/输出器9中的所有组件均安置在轴承内圈1的外侧。
实施例二
本实施例的电能发生器采用等间隔分布的、磁体之间不接触的永磁体阵列构成。
实施例三
本实施例的电能发生器采用海尔贝克永磁体阵列构成。
实施例四
本实施例的传感数据采集/输出器9安置在轴承外圈内侧，只有外圈电能发生器6-1和外圈采能线圈5-1，外圈采能线圈5-1的输出端接电源管理电路7的输入端，电源管理电路7的输出端同时接传感数据采集/输出器9和无线信号中继器8的电源端。
实验表明，本发明能实现轴承内部传感数据的自供电采集和无线传输，整个装置不需要由外部电源或者电池供电，只要轴承处于工作状态，就能够自主采集轴承内部的状态数据，当轴承外的查询器无线查询时，就可以无线传出传感数据。

Claims (7)

1.一种全自供电滚动轴承内部传感数据采集及无线传输装置，所述的轴承包括轴承内圈(1)、轴承滚动体(2)、滚动体的保持架(3)和轴承外圈(4)，其特征在于该装置还包括由传感器及其调理电路、传感数据采集电路、传感数据输出电路构成的传感数据采集/输出器(9)，由采能线圈(5)、电能发生器(6)和电源管理电路(7)构成的自供电电源，无线信号中继器(8)；所述的传感数据采集/输出器(9)固定在轴承内圈(1)的不接触轴承滚动体(2)的位置，所述的无线信号中继器(8)安装在轴承外圈(4)的不接触轴承滚动体(2)的位置；
在所述的滚动体的保持架(3)上对着轴承内圈(1)和轴承外圈(4)的两个面上分别布置有两个永磁体阵列：
对着轴承内圈(1)的永磁体阵列构成内圈电能发生器(6-2)，该内圈电能发生器(6-2)的一个磁极对着所述的安装在轴承内圈(1)外侧的内圈采能线圈(5-2)，所述的内圈电能发生器(6-2)由于轴承内圈(1)运动在内圈采能线圈(5-2)产生电输出，该内圈采能线圈(5-2)的输出端与所述的内圈电源管理电路(7)的输入端相连，该内圈电源管理电路(7)的输出端与所述的传感数据采集/输出器(9)的电源端相连，为所述的传感数据采集/输出器(9)供电，所述的内圈自供电电源的能量采集自轴承内圈(1)相对于滚动体保持架(3)的转动；
对着轴承外圈(4)的永磁体阵列构成外圈电能发生器(6-1)，该外圈电能发生器(6-1)的一个磁极对着所述的安装在轴承外圈(4)内侧的外圈采能线圈(5-1)，所述的外圈电能发生器(6-1)随着轴承工作，在外圈采能线圈(5-1)产生电输出，所述的外圈采能线圈(5-1)的输出端与所述的外圈电源管理电路(7)的输入端相连，该外圈电源管理电路(7)的输出端与所述的无线信号中继器(8)的电源端相连，为所述的无线信号中继器(8)供电，所述的外圈的自供电电源的能量采集自轴承外圈(4)相对于滚动体保持架(3)的转动。
2.根据权利要求1所述的全自供电滚动轴承内部传感数据采集及无线传输装置，其特征在于所述的传感器根据不同种类轴承故障监测需要选取，包括温度、载荷、转速、应变、振动传感器。
3.根据权利要求1所述的全自供电滚动轴承内部传感数据采集及无线传输装置，其特征在于所述的无线信号中继器(8)包括外天线(8-1)和内天线(8-2)，外天线(8-1)安置在外圈(4)的外表面，内天线(8-2)安置在外圈(4)的内侧。
4.根据权利要求1所述的全自供电滚动轴承内部传感数据采集及无线传输装置，其特征在于所述的自供电电源只有一个，自供电电源的电能发生器(6)安置在保持架(3)，其中一个磁极对着外圈(4)内侧，采能线圈(5)安在外圈(4)内侧，采能线圈(5)的输出端接所述的电源管理电路(7)的输入端，该电源管理电路(7)的输出端接传感数据采集/输出器(9)和无线信号中继器(8)的电源端，传感数据采集/输出器(9)和无线信号中继器(8)都安装在轴承外圈(4)。
5.根据权利要求1所述的全自供电滚动轴承内部传感数据采集及无线传输装置，其特征在于所述的采能线圈(5)是磁电换能器。
6.根据权利要求1所述的全自供电滚动轴承内部传感数据采集及无线传输装置，其特征在于所述的传感数据采集/输出器(9)的传感信号输出无线链路由传感数据采集/输出器(9)中的天线(9-1)和无线信号中继器(8)的内天线(8-2)构成,天线(9-1)的输出端和传感数据采集/输出器(9)中的阻抗调制电路的输入端相连，传感数据采集/输出器(9)产生的传感编码信号连接到阻抗调制电路的控制端。
7.根据权利要求1所述的全自供电滚动轴承内部传感数据采集及无线传输装置，其特征在于所述的无线信号中继器(8)由两个环形器，两个射频放大器，内天线(8-2)和外天线(8-1)构成，内天线(8-2)和第二环形器(8-4)的一端相连，该第二环形器(8-4)的另外两端分别接第一射频放大器(8-6)的输入端和第二射频放大器(8-5)的输出端，所述的外天线(8-1)和第一环形器(8-3)的一端相连，该第一环形器(8-3)的另外两端分别接第一射频放大器(8-6)的输出端和第二射频放大器(8-5)的输入端。
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