专利名称：高速转轴传感数据的无线光传输、拾取方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明属于数据的光传输、拾取技术与装置范围，尤其涉及高速转轴传感数 据的无线光传输、拾取方法与装置。
背景技术：
对于高速旋转的转轴，在其工作过程中，转轴往往承受着较高的转矩、温度、 惯性力以及振动， 一旦这些参数超出许可的范围而没有及时发现，将引起巨大的 安全事故，出于安全的考虑需要对其转矩、应力、温度、等参数进行实时的监控。 一般来说，先由安装在轴上的传感器实时的采集相应的转轴工作参数，然后将数 据传送到相应的处理器进行数据分析处理并显示。由于传感器安装在高速旋转的 转轴上，最佳的数据传输方式是通过无线的方式来进行数据通信，而且轴上的装 置也只能通过电池组或无线能源来供电，这就对轴上的单元提出了很高的低功耗 要求。
在现有技术中，往往通过采用无线电或无线光的方法来实现轴上传感数据的 传输。对于无线电的方式，需要在轴上安置天线来发射，这增加了系统结构的复 杂性，而且容易受到干扰信号的影响。另外，由于无线电的波长比较长，传递信 息的速度也较慢，发射器需要持续的工作，才能保证实时采集的参数被及时的发 送，这在一定程度上使得无线电的方式耗电比较多。
相比较而言，无线光的方式就克服了以上的缺点，由于光的波长比无线电的 要短得多，传递数据的速度就要快很多，在一个有限的角度范围就可以完成数据
的传送。在已有的专利U.S.5,019，814中，就采用了红外光通信的方式，它在轴 上沿转轴一周安置了 8对发光二极管来完成8字节数据的传送，在一对二极管中， 其中一个负责传送一个字节的数据，另一个负责数据同步。在固定端的接收装置， 安置了与二极管相对应的光电三极管来接受二极管发射的信号。但是，这种装置 体积大、结构也比较复杂，而且由于二极管发射的光有一定的角度范围，所以相 邻的光电三极管在接受与之对应的二极管的发射的数据时，容易相互干扰，特别
是在转轴半径不大，传送距离较远时，相互干扰比较突出。
发明内容
本发明的目的正是为了解决目前高速转轴上传感数据的无线传输问题，提供 了一种结构上更简单，通信更可靠，且超低能耗的高速转轴传感数据的无线光传 输、拾取方法与装置，其特征在于，所述高速转轴传感数据的无线光传输、拾取 装置由固定模块和轴上随转轴旋转的转轴模块两部分组成，固定模块安装在与转 轴相对的一个固定装置上，固定模块和转轴模块之间通过光信号发射、接受进行 无线连接。
所述固定模块的触发激光器3和光信号接收器4，并列安装在与转轴相对的 固定装置上，光信号接收MCU 13分别连接光信号接收器4、接口 8和A电源10， 接口8连接计算机9;其光信号接收器4是一个光电三极管，用来把接收到的光 信号转化为电信号。
所述转轴模块通过套环2固定在转轴1上，触发信号接收器5、光信号发射 器6和传感器7并排固定在套环2上，光信号发射MCU 12分别连接触发信号接 收器5、光信号发射器6、 A/D转换14和B电源11，传感器7与A/D转换14连 接。'
所述触发激光器3和触发信号接收器5，或光信号接收器4与光信号发射器 6之间的相对距离为50mm-200mm的通讯距离。 所述接口8采用RS-232接口。
所迷高速转轴传感数据的无线光传输、拾取方法是在套环2上的传感器7所 采集的数据首先经过A/D转换14，将模拟信号转换成数字信号，经过光信号发射 MCU 12缓冲并驱动光信号发射器6向固定模块发射光信号；当光信号接收器4 接收到光信号发射器6发射光信号后，作为光信号接收器4的光电三极管将发射 光信号转化为电信号，这些电信号数据由光信号接收MCU 13缓冲，并转换为标 准串口信号上传至负责监控的计算机9。
所述触发信号接收器5在转轴转动系统开始工作时，等待由触发激光器3持 续发射的激光信号触发，当转轴转动系统转动到触发信号接收器5的接受窗口对
着触发激光器3的激光信号发射区域的位置时，接受触发激光器3所发射的激光 信号作为触发信号，触发信号接收器5接收到触发激光信号后，会发一个脉冲给
光信号发射MCU12，这时光信号发射MCU12就会把缓冲的数据通过光信号发射器 6发射出去，同时光信号发射器6开始发射由传感器所测转轴参数转化得到的光 信号，光信号接收器4要确保安装在正确的位置，以保证触发信号接收器5收到 触发激光器3的触发激光信号时，光信号接收器4恰好能收到光信号发射器6 所发射的光信号。 一次信号发射完成后，光信号发射器6就停止工作，直到下一 次触发信号接收器5被触发。
本发明的有意效果是通过以上过程，本系统实现了由间断通信的方式来完成 传感数据的传输。这种通信方式，只在转轴旋转每一周的一个特定角度范围内， 通过串行的方式将数据转化为光信号传送到固定模块，在其他角度区域，光信号 发射器都不工作，这就极大地提高了转轴模块的能量利用，减少了能量消耗，可 以保证转轴模块长时间的工作而不需要使转轴停止工作来更换电池；而且仅在一 定角度内通信的单个光信号发射器和接收器，结构上更简单，通信更可靠。
图1为对应于本发明第一实施例的结构示意图。 图2a，2b，2c和2d为本发明间断通信的过程示意图。 图3a和3b为本发明的固定模块和转轴模块的电路原理框图。 图4为本发明另一实施例的双核微控制器方案的原理图。 图5为本发明另一实施例的光信号发射器切向发射方案的原理示意图。 图6为本发明光信号发射器径向发射方案和切向发射放案的在光信号接收器 平面投影形状比较示意图。
图7为本发明另一实施例针对不同通信距离的工作模式设置示意图。
具体实施例方式
以下针对附图以及具体的实施例对本发明作进一步说明。 首先参见图1，对依据于本发明第一实施例的无线光传输、拾取装置进行说 明。如图1，系统由固定模块和轴上随转轴旋转的转轴模块两部分组成，其中的
固定模块安装在距转轴一定距离的某一固定装置上，它包括触发激光器3和光 信号接收器4，光信号接收器4是可以是一个光电三极管，用来把接收到的光信
号转化为电信号。固定模块的电路原理框图参见图3a，光信号接收器4将接收到 的光信号转化为电信号后，由光信号接收MCU 13进行数据的缓冲和处理，将其 转化为标准串口信号，通过RS-232接口 8上传到负责监控的计算机9。
转轴模块通过套环2固定在转轴1上，它包括触发信号接收器5、光信号 发射器6和传感器7。转轴模块的电路原理框图参见图3b，传感器7持续得采集 转轴参数的数据，这些数据经过A/D转换14转换后，由光信号发射MCU 12来缓 冲和处理。触发信号接收器5可以是一个光电三极管，当它接收到触发激光信号 后，会发一个脉冲给光信号发射MCU 12，这时光信号发射MCU 12就会把缓冲的 数据通过光信号发射器6发射出去，其中光信号发射器6可以是一个发光二极管 (LED)。
参见图2a，2b，2c和2d，描述了本发明间断通信的工作过程，在图2a，2b和 2c的阶段，触发激光器3持续不断的发射触发激光信号，传感器7同时也在持续 的采集数据，但光信号发射器6并不工作。当转轴转到恰当的位置，如图2d，触 发信号接收器5可以收到触发信号时，则光信号发射器6开始以光信号的方式发 射光信号到光信号发射MCU12，进行光信号数据的缓冲和转换。由于光信号传递 信息的速度快，所以整个通信过程非常的快，光信号发射器6在发射完数据后则 停止工作，直到转轴又旋转到使触发信号接收器5可以接收到触发信号的位置。 本无线光传输、拾取装置在实际工作中将重复以上间断通信的工作过程。
在依据于本发明的另一个实施例中，对于多路传感数据的情况，如图4，采 用双核微控制器的方案。由于多路传感数据容易导致微控制器控制采样和通信的 时间序列冲突，仅采用光信号发射MCU 12难以完成实时地控制数据缓冲、转换 与信号发射。如图4，采用双核微控制器MCU1和MCU 2来代替单个光信号发射 MCU 12可以很好的解决这一问题，其中MCU 1负责数据采集与缓冲的过程，然后 将数据通过串行的方式传送到MCU 2 ，由MCU 2控制数据转换和信号发射。
在依据于本发明的另一个实施例中，如图5，光信号发射器可根据实际采取
优化的发射光信号的角度或路径。在本发明的第一实施例中，发射器沿转轴的径 向发射光信号，这样光信号束在光信号接收器平面上的投影就是圆形或接近圆
形，如图6中的A区域所示。当如图5使光信号发射器15沿转轴的切向发射光 信号时，则在光信号接收器平面上的投影就是椭圆形，如图6中B区域所示。图 6中的阴影部分C区域就是沿转轴的切向发射比沿转轴径向发射在光信号接收器 平面上浪费的无效的光投影，因为这部分光不会被光信号接收器接收到。所以， 光信号接收器沿转轴的切向发射光信号的方案，光信号的能量更集中，效率更高， 而且，在转轴以同样的速度旋转一周的情况下，相对于沿转轴径向发射的方案， 沿转轴切向发射的方案可以以更小的发射角度来完成数据的通信，这就降低了光 信号发射器的能量消耗。
在依据于本发明的另一个实施例中，我们设计了光信号发射器的工作模式切 换。由于转轴模块对低能耗有很高的要求，最大限度地降低轴上各部分的能量消 耗是本发明的主要目的之一。在实际应用中，近距离通信和远距离通信，对光信 号发射器的光信号强度要求是不一样的，如图7，在低功耗模式下，可实现 50mm-500mm的通信要求，但是如果通信距离比较短时，所需光信号强度远比500mm 通信距离时所要求的低，如果仍工作在这种工作模式下，则造成了能量的浪费， 因此，本实施例通过给光信号发射器串联一电阻，来限制其电流，进而降低其光 信号强度，这就是如图7中的超低功耗模式，它适用于50ram-200rani的通讯距离。 两种工作模式通过一开关改变串联入电阻的大小来进行切换。
权利要求
1.一种高速转轴传感数据的无线光传输、拾取装置，其特征在于，所述高速转轴传感数据的无线光传输、拾取装置由固定模块和轴上随转轴旋转的转轴模块两部分组成，固定模块安装在与转轴相对的一个固定装置上，固定模块和转轴模块之间通过光信号发射、接受进行无线连接。
2. 根据权利要求1所述高速转轴传感数据的无线光传输、拾取装置，其特征 在于，所述固定模块的触发激光器(3)和光信号接收器(4)，并列安装在与转 轴相对的固定装置上，光信号接收MCU (13)分别连接光信号接收器(4)、接口(8) 和A电源(10)，接口 (8)连接计算机(9);其光信号接收器(4)是一个 光电三极管，用来把接收到的光信号转化为电信号。
3. 根据权利要求1所述高速转轴传感数据的无线光传输、拾取装置，其特征 在于，所述转轴模块通过套环(2)固定在转轴(1)上，触发信号接收器(5)、 光信号发射器(6)和传感器(7)并排固定在套环(2)上，光信号发射MCU (12) 分别连接触发信号接收器(5)、光信号发射器(6)、 A/D转换(14)和B电源(11 )， 传感器(7)与A/D转换(14)连接。
4. 根据权利要求1所述高速转轴传感数据的无线光传输、拾取装置，其特征 在于，所述触发激光器(3)和触发信号接收器(5)，或光信号接收器(4)与光 信号发射器(6)之间的相对距离为50mm-200腿的通讯距离。
5. 根据权利要求1所述高速转轴传感数据的无线光传输、拾取装置，其特征 在于，所述接口 (8)采用RS-232接口。
6. —种高速转轴传感数据的无线光传输、拾取方法，其特征在于，在套环(2) 上的传感器(7)所采集的数据首先经过A/D转换(14)将模拟信号转换成数字 信号，经过光信号发射MCU (12)缓冲并驱动光信号发射器(6)向固定模块发射 光信号;'当光信号接收器(4)接收到光信号发射器(6)发射光信号后，作为 光信号接收器(4)的光电三极管将发射光信号转化为电信号，这些电信号数据 由光信号接收MCU (13)缓冲，并转换为标准串口信号上传至负责监控的计算机(9) 。
7.根据权利要求6所述高速转轴传感数据的无线光传输、拾取方法，其特征 在于，所述触发信号接收器(5)在转轴转动系统开始工作时，等待由触发激光 器(3)持续发射的激光信号触发，当转轴转动系统转动到触发信号接收器(5) 的接受窗口对着触发激光器(3)的激光信号发射区域的位置时，接受触发激光 器(3)所发射的激光信号作为触发信号，触发信号接收器(5)接收到触发激光 信号后，会发一个脉冲给光信号发射MCU (12)，这时光信号发射MCU (12)就会 把缓冲的数据通过光信号发射器(6)发射出去，同时光信号发射器(6)开始发 射由传感器所测转轴参数转化得到的光信号，光信号接收器4要确保安装在正确 的位置，以保证触发信号接收器(5)收到触发激光器(3)的触发激光信号时， 光信号接收器(4)恰好能收到光信号发射器(6)所发射的光信号； 一次信号发 射完成后，光信号发射器6就停止工作，直到下一次触发信号接收器(5)被触 发。
全文摘要
本发明公开了属于数据的光传输、拾取技术与装置范围一种高速转轴传感数据的无线光传输、拾取方法与装置。该装置由固定模块和轴上随转轴旋转的转轴模块两部分组成，固定模块安装在与转轴相对的一个固定装置上，固定模块和转轴模块之间通过光信号发射、接受进行无线连接。其方法是在套环上的传感器采集的数据先经过A/D转换将模拟信号转换成数字信号，经过MCU缓冲并驱动光信号发射器发射光信号；光信号接收器接收到发射光信号后，光信号接收器将发射光信号转化为电信号，这些电信号数据由MCU缓冲，并转换为标准串口信号上传至负责监控的计算机。本发明能量消耗低，转轴模块工作时间长，更换电池次数少；结构简单，通信更可靠。
文档编号G08C23/04GK101373558SQ200810112280
公开日2009年2月25日 申请日期2008年5月22日 优先权日2008年5月22日
发明者张 凯, 巩马理, 张海涛, 强 柳, 王东生, 玛撒凯祖·阿卡特苏卡, 瑟克·卡特奥, 赵晓东, 平 闫, 磊 黄 申请人:清华大学;三菱重工业株式会社