專利名稱：一種封閉旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)自供電無線溫度場測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于溫度無線監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及封閉旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)自供電無線溫度場測量裝置。
背景技術(shù)：
軸是機械中的重要部件，其功用是支承轉(zhuǎn)動零件及傳遞運動和動力；將軸和軸上零件進行周向固定并傳遞轉(zhuǎn)矩的零件是鍵；軸承用于支承軸及軸上零件，保持軸的旋轉(zhuǎn)精度和減少軸與支承間的摩擦和磨損，這些零件都屬于軸系零件。這些零件在旋轉(zhuǎn)的過程中周期性的摩擦發(fā)熱，溫度不斷升高，對軸的工作環(huán)境造成很大影響，特別是對長期高速重載運轉(zhuǎn)的高精度軸系零件而言，這種摩擦產(chǎn)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。典型的例子如機床主軸，發(fā)電機主軸等。所以對這些軸系零件進行實時溫度場的監(jiān)測是十分有必要的，通過監(jiān)測可以判斷軸系零件的工作狀況，進行故障的預(yù)防。由于軸系零件需長時間高速旋轉(zhuǎn)，所以在其上安裝測量裝置并實現(xiàn)長期可靠測量具有較大難度。目前對于旋轉(zhuǎn)軸溫度檢測的方法有1、通過安裝在旋轉(zhuǎn)部件上的溫度傳感器進行溫度的實時采集，然后通過無線射頻模塊把溫度數(shù)據(jù)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(zhuǎn)部件進行非接觸式的溫度實時采集，采集得到的溫度直接通過數(shù)據(jù)線傳輸。方法1中，由于無線射頻通訊需要較大能量，導(dǎo)致供電模塊體積較大，不易安裝，而且在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)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(zhì)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(jiān)測中大范圍應(yīng)用的問題之一。方法2中，采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(nèi)部溫度場分布，而且任何物體都會發(fā)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(nèi)部的復(fù)雜環(huán)境會對測量精度產(chǎn)生影響。綜上所述，設(shè)計一種合適的裝置實現(xiàn)對于高速旋轉(zhuǎn)封閉軸內(nèi)溫度場的長期、精確測量是非常必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種封閉旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)自供電無線溫度場測量裝置，無需電池等電源供電，實現(xiàn)了高速旋轉(zhuǎn)封閉軸內(nèi)溫度場的長期有效測量。一種封閉旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)自供電無線溫度場測量裝置，包括自供能部件、用于發(fā)射固定波長的紅外線信號的紅外發(fā)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于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(fā)射器電連接，用于驅(qū)動所述紅外發(fā)射器發(fā)射紅外線信號；所述紅外接收裝置用于接收所述紅外線信號并對其光強進行檢測；所述計算輸出裝置與所述紅外接收裝置相連，用于接收所述光強信息和基準溫度信息并計算封閉旋轉(zhuǎn)軸的徑向平面內(nèi)的溫度場信息后輸出；
其中，所述自供能部件由熱端、冷端以及設(shè)在所述熱端和冷端之間的閉合回路構(gòu)成，所述熱端緊貼在所述封閉旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)旋轉(zhuǎn)軸表面上，所述冷端暴露在空氣中并接有散熱器，所述閉合回路由η個半導(dǎo)體對串聯(lián)組成，所述半導(dǎo)體對由緊密接合的N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體構(gòu)成；所述紅外接收裝置安裝在軸套內(nèi)壁上。優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述的紅外接收裝置為若干個，并沿所述紅外發(fā)射器周圍的軸套內(nèi)壁分布一周，這樣在旋轉(zhuǎn)軸不停旋轉(zhuǎn)的任何時刻都可以接收到相應(yīng)信號并精確獲得封閉旋轉(zhuǎn)軸的徑向平面內(nèi)的溫度場信息。上述裝置中，所述散熱器用于散熱，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，所述閉合回路中，每個半導(dǎo)體對中的N型半導(dǎo)體與相鄰半導(dǎo)體對中的P型半導(dǎo)體相連，每一個半導(dǎo)體對中的P型半導(dǎo)體與另一相鄰半導(dǎo)體對中的N型半導(dǎo)體相連。上述裝置原理如下當封閉旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，熱端溫度上升，由于在軸套的密閉環(huán)境中空氣的導(dǎo)熱率比較低，熱端的溫度大于冷端的溫度，在熱端和冷端存在溫度差。根據(jù)熱電效應(yīng)，此時閉合回路中的各半導(dǎo)體對在熱端處就會產(chǎn)電動勢又稱熱電動勢，N型半導(dǎo)體為高電勢端，P型半導(dǎo)體為低電勢端。由于閉合回路中各半導(dǎo)體對串聯(lián)連接，所以閉合回路產(chǎn)生的電勢差足夠驅(qū)動紅外發(fā)射器對外發(fā)射紅外線信號，而且紅外發(fā)射器向外發(fā)射的紅外信號波長是固定的。根據(jù)該紅外發(fā)射器的電氣特性可知，光強和電動勢差成正比，由于溫度差增大， 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并對其光強進行檢測；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(zhuǎn)軸的徑向平面內(nèi)的溫度場信息并即時輸出。計算方法如下設(shè)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(yīng)公式可得在熱端處，每個半導(dǎo)體對中N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體電壓差為E' = α ΔΤ, 整個閉合回路所產(chǎn)生的電壓為E = ηΕ' =ηα ΔΤ，其中α為塞貝克系數(shù)，η為閉合回路內(nèi)半導(dǎo)體對的數(shù)量。設(shè)由自供能部件和紅外發(fā)射器構(gòu)成的系統(tǒng)內(nèi)阻為R，則通過上述電壓給紅外發(fā)射器供電時，紅外發(fā)射器的電流為I = E/R。由紅外發(fā)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(fā)射器的電氣性能參數(shù)表示發(fā)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(fā)射器所發(fā)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A(yù)T = Th-Tc=^0
ηβα
T -T設(shè)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(dǎo)系數(shù)。進
一步，可以根據(jù)熱流密度計算封閉旋轉(zhuǎn)軸的徑向平面內(nèi)的溫度場的分布情況。設(shè)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，那么，在與所述封閉旋轉(zhuǎn)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(quán)利要求
1.一種封閉旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)自供電無線溫度場測量裝置，其特征在于，包括自供能部件、用于發(fā)射固定波長的紅外線信號的紅外發(fā)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于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(fā)射器電連接，用于驅(qū)動所述紅外發(fā)射器發(fā)射紅外線信號；所述紅外接收裝置用于接收所述紅外線信號并對其光強進行檢測；所述計算輸出裝置與所述紅外接收裝置相連，用于接收所述光強信息和基準溫度信息并計算封閉旋轉(zhuǎn)軸的徑向平面內(nèi)的溫度場信息后輸出；其中，所述自供能部件由熱端、冷端以及設(shè)在所述熱端和冷端之間的閉合回路構(gòu)成，所述熱端緊貼在所述封閉旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸表面上，所述冷端暴露在空氣中并接有散熱器， 所述閉合回路由η個半導(dǎo)體對串聯(lián)組成，所述半導(dǎo)體對由緊密接合的N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體構(gòu)成；所述紅外接收裝置安裝在軸套內(nèi)壁上。
2.如權(quán)利要求1所述的封閉旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)自供電無線溫度場測量裝置，其特征在于，所述的紅外接收裝置為若干個，并沿所述紅外發(fā)射器周圍的軸套內(nèi)壁分布一周。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種封閉旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)自供電無線溫度場測量裝置，包括由緊貼在封閉旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)旋轉(zhuǎn)軸表面上的熱端、暴露在空氣中并接有散熱器的冷端、以及設(shè)在熱端和冷端之間且由n個半導(dǎo)體對串聯(lián)而成的閉合回路構(gòu)成的自供能部件、用于發(fā)射固定波長的紅外線信號的紅外發(fā)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(fā)明采用微結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以方便的安裝在封閉的軸系零件的內(nèi)表面；并且，通過自供能的無線傳輸實現(xiàn)了高速封閉旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)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(huán)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(yōu)先權(quán)日2011年11月11日
發(fā)明者傅建中, 姚鑫驊, 李晟 申請人:浙江大學(xué)