用于旋转部件的非接触式供电测温装置的制作方法

本实用新型涉及供电测温领域，尤其涉及一种用于旋转部件的非接触式供电测温装置。

背景技术：

在许多领域中，尤其是纺织工业以及大型发电机应用中，旋转辊体温度是一个影响设备安全稳定运行的重要因素。

旋转测温由于测温对象处于旋转状态，对象的温度测量难度较高。目前，主流的旋转辊体温度测量方案主要有接触式测温、非接触式测温以及红外测温三种。例如，汽轮发电机转子温度测量常采用碳刷滑环接触式测温法和水银引出器测温法。因为每个测点需要两个滑环，各测点不能共用滑环，所以接触式测温只能适用于测点较少的情况。红外测温实质也是一种非接触式测温装置，实时性好、精确度高。但是，红外探头只能测出可见部位的温度情况，对于辊体内部，线圈、搭接面等其他不可见部分需要钻孔让红外线进入。因此，非接触式测温是最好的选择方式，但是非接触式测温主要的技术难点在于转子侧供电以及通讯问题。有研究利用一空心变压器给转子供电，用另一个变压器通过变频或变占空比方式进行通讯。精度不高，而且需要两个变压器完成，系统复杂。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种用于旋转部件的非接触式供电测温装置，本用于旋转部件的非接触式供电测温装置既能实现精确温度的测量又能对转子侧供电，且系统简单，精度高。

为实现上述技术目的，本实用新型采取的技术方案为：

一种用于旋转部件的非接触式供电测温装置，包括定子侧电路部分和转子侧电路部分；所述定子侧电路部分包括发射线圈、全桥逆变电路、第一DC-DC电路、信号调理电路、数据通讯电路、LCD液晶显示电路和第一处理器，所述第一DC-DC电路连接有开关电源，所述开关电源与全桥逆变电路连接，所述全桥逆变电路与发射线圈连接，所述发射线圈与所述信号调理电路连接，所述信号调理电路与第一处理器连接，所述第一处理器与所述全桥逆变电路连接，所述第一处理器分别与数据通讯电路和LCD液晶显示电路连接，所述数据通讯电路连接有上位机；所述转子侧电路部分包括接收线圈、第一全桥整流电路、第二DC-DC电路、通讯控制电路、温度采样电路和第二处理器，所述接收线圈与所述第一全桥整流电路连接，所述第一全桥整流电路与第二DC-DC电路连接，所述温度采样电路与所述第二处理器连接，所述第二处理器与所述通讯控制电路连接,所述通讯控制电路与接收线圈连接，所述发射线圈和接收线圈组成空心变压器。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述第一DC-DC电路和第二DC-DC电路均包括稳压芯片LM2576-ADJ、稳压芯片LM2576-5V和稳压芯片LM2576-3.3V。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述信号调理电路包括第二全桥整流电路、无源滤波电路、串联分压电路、差分放大电路、巴特沃斯二阶低通滤波器电路和比较器电路，所述第二全桥整流电路与发射线圈连接，所述第二全桥整流电路与无源滤波电路连接，所述无源滤波电路与串联分压电路连接，所述串联分压电路与差分放大电路连接，所述差分放大电路与巴特沃斯二阶低通滤波器电路连接，所述巴特沃斯二阶低通滤波器电路与比较器电路连接，所述比较器电路与第一处理器连接。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述第一处理器通过基于电容浮充的驱动电路与所述全桥逆变电路连接。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述接收线圈通过补偿电容C4和初始电容C5分别与通讯控制电路和第一全桥整流电路连接，所述接收线圈的一端与补偿电容C4的一端连接，所述补偿电容C4的另一端分别与第一全桥整流电路、通讯控制电路和初始电容C5的一端连接，所述初始电容C5的另一端分别与接收线圈的另一端、通讯控制电路和第一全桥整流电路连接。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述通讯控制电路包括调谐电容C7、调谐电容C6、MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管驱动电路和RCD吸收电路，所述调谐电容C7的一端分别与补偿电容C4的一端和初始电容C5的一端连接，所述调谐电容C7的另一端与MOS管Q1连接，所述MOS管Q1与MOS管Q2连接，所述MOS管Q2与调谐电容C6的一端连接，所述调谐电容C6的另一端与初始电容C5的另一端连接，所述MOS管Q1和MOS管Q2均连接有RCD吸收电路。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述MOS管驱动电路采用TPS2812D双驱动芯片。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述温度采样电路包括惠斯通电桥测温电路、稳压电路、电压放大电路、差模放大电路和二阶滤波电路，所述稳压电路连接有3.3V电源，所述稳压电路与电压放大电路连接，所述电压放大电路与惠斯通电桥测温电路连接，所述惠斯通电桥测温电路与差模放大电路连接，所述差模放大电路与二阶滤波电路连接，所述二阶滤波电路与第二处理器连接，所述惠斯通电桥测温电路采用铂电阻温度传感器。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述数据通讯电路采用芯片MAX232C和芯片MAX3485。

作为本实用新型进一步改进的技术方案，所述第一处理器和第二处理器采用芯片STM32F030C8T6。

本实用新型公开了一种用于旋转部件的非接触式供电测温装置，针对工业用加热辊温度测量系统存在系统复杂、可靠性差、精度低等问题，设计了空心变压器的非接触式测温装置。其主要由定子部分(定子侧电路部分)与转子部分(转子侧电路部分)构成；定子和转子由两块STM32F0308T6芯片分别控制；定子安装在加热辊外部，由STM32F0308T6芯片产生两组反相PWM信号通过电感耦合方式给转子侧电路部分供电；转子可以被制作成环形PCB，直接安装在加热辊转轴上，随转轴一起旋转，实时采集温度信号，再由STM32F0308T6芯片对温度信号A/D转化成单极性NRZ码，利用曼彻斯特编码方式将NRZ码编制成通讯信号控制转子侧通讯控制单元。定子侧通过采集空心变压器原边电压信号经信号调理电路解调出转子侧发出的通讯信号，再由定子侧STM32F0308T6芯片经D/A转化后得到转子侧所测温度值；本实用新型同时实现了转子侧供电以及通讯问题，既能实现精确温度的测量又能对转子侧供电，而且不需要两个变压器完成，系统简单，精度高。

附图说明

图1为本实用新型的整体电路原理示意图。

图2为本实用新型的主电路原理示意图。

图3为本实用新型的信号调理电路原理示意图。

图4为本实用新型的数据通讯电路原理示意图。

图5为本实用新型的接收线圈、通讯控制电路和第一全桥整流电路原理示意图。

图6为本实用新型的温度采样电路原理示意图。

图7为本实用新型的通讯协议图。

具体实施方式

下面根据图1至图7对本实用新型的具体实施方式作出进一步说明：

参见图1，图1为本实用新型功能方框图。定子部分安装在辊体外，用于向转子供电、接收转子发出信息、向上位机发送系统信息以及LCD显示。转子侧设计成单面印有螺旋形绕组的环形PCB，可套接在转轴上，随转子旋转。具体电路为：一种用于旋转部件的非接触式供电测温装置，包括定子侧电路部分和转子侧电路部分；所述定子侧电路部分包括发射线圈、全桥逆变电路、第一DC-DC电路、信号调理电路、数据通讯电路、LCD液晶显示电路和第一处理器，所述第一DC-DC电路连接有开关电源+24V，满足定子侧不同的供电电压等级的要求；所述开关电源+24V与全桥逆变电路连接，所述全桥逆变电路与发射线圈连接，即将直流电逆变成交流电供给发射线圈，使其产生交变磁场对转子进行能量变送；全桥逆变电路的PWM驱动信号来自于定子侧第一处理器；所述发射线圈与所述信号调理电路连接，所述信号调理电路与第一处理器连接，即对发射线圈上通信数据进行解调，将结果再送至第一处理器；所述第一处理器与所述全桥逆变电路连接，所述第一处理器分别与数据通讯电路和LCD液晶显示电路连接，所述数据通讯电路连接有上位机，具有向上位机通讯功能；LCD液晶显示电路也与第一处理器相连，具有现场数据显示功能。所述转子侧电路部分包括接收线圈、第一全桥整流电路、第二DC-DC电路、通讯控制电路、温度采样电路和第二处理器，所述接收线圈与所述第一全桥整流电路连接，所述第一全桥整流电路与第二DC-DC电路连接，即将接收线圈感应产生的交流电整流成直流电并经过第二DC-DC电路降压，产生各级电压满足转子侧不同供电电压等级的要求；所述温度采样电路与所述第二处理器连接，将温度数据送入第二处理器处理调制成通讯信号后，再送至通讯控制电路。通讯控制电路接入接收线圈，向定子侧传送温度数据。所述第二处理器与所述通讯控制电路连接,所述通讯控制电路与接收线圈连接，所述发射线圈和接收线圈组成空心变压器。

本实施例中，所述第一DC-DC电路和第二DC-DC电路均包括稳压芯片LM2576-ADJ、稳压芯片LM2576-5V和稳压芯片LM2576-3.3V。包括24V转15V、15V转5V以及5V转3.3V。

参阅图2，图2为本实用新型主电路图。图中，L_p为定子侧用于能量变送及通讯的发射电感线圈(发射线圈)，Ls为转子侧用于能量接收及数据通讯的接收电感线圈(接收线圈)，C_p为补偿定子侧漏感并隔离直流的补偿电容，C_s为补偿转子侧漏感并隔离直流的补偿电容，C_d为设定转子侧谐振频率的初始电容。C_n为调谐电容，用于通讯控制，MOS开关管闭合时，调谐电容Cn接入电路，谐振频率发生较大变化，使得定子线圈两端电压明显降低。4个二极管构成转子侧第一全桥整流电路，电路C起到滤波稳压作用。定子侧由开关电源输入+24V直流电。由第一处理器产生一组反相的PWM波控制四个开关管，构成全桥逆变电路，将+24V直流电逆变成±24V交流电。当副边感应到电流以后，经过全桥整流、滤波、稳压得到直流电U02。之后通过第二DC-DC电路分步降压得到+15V、+5V、+3.3V满足转子侧不同的供电要求。

本实施例中，所述信号调理电路包括第二全桥整流电路、无源滤波电路、串联分压电路、差分放大电路、巴特沃斯二阶低通滤波器电路和比较器电路，所述第二全桥整流电路与发射线圈连接，所述第二全桥整流电路与无源滤波电路连接，所述无源滤波电路与串联分压电路连接，所述串联分压电路与差分放大电路连接，所述差分放大电路与巴特沃斯二阶低通滤波器电路连接，所述巴特沃斯二阶低通滤波器电路与比较器电路连接，所述比较器电路与第一处理器连接。具体地，参见图3，所述信号调理电路包括第二全桥整流电路、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C1、电容C2、电容C3、运算放大器U1、运算放大器U2和运算放大器U3，4个二极管构成第二全桥整流电路并连接至发射线圈，将线圈两端电压U01整流便于后面解调出通讯信号；所述第二全桥整流电路与电容C3的两端连接，其中无源滤波电路采用电容C3，电容C3起到无源滤波作用；电容C3的一端与电阻R1的一端连接，电容C3的另一端分别与电阻R2的一端和电阻R3的一端连接，所述电阻R1的另一端分别与电阻R2的另一端和电阻R4的一端连接，其中电阻R1与电阻R2串联构成串联分压电路；所述电阻R3的另一端和电阻R4的另一端均与运算放大器U1连接，所述运算放大器U1与电阻R5的一端连接，所述电阻R5的另一端连接地线，所述运算放大器U1与电阻R6的两端连接，所述运算放大器U1与电阻R7的一端连接，其中电阻R3、R4、R5、R6和运算放大器U1构成差分放大电路；电阻R7的另一端分别与电阻R8的一端和电容C1的一端连接，所述电阻R8的另一端和电容C1的另一端均与运算放大器U2连接，所述运算放大器U2与电容C2连接，所述电容C2的另一端连接地线，其中电阻R7、R8、电容C1、C2和运算放大器U2构成巴特沃斯二阶低通滤波器电路；所述运算放大器U2与运算放大器U3连接，所述运算放大器U3与第一处理器连接。其中比较器电路采用运算放大器U3，由于原边电压幅值较大，所以引入串联分压电路。再利用差分放大电路取电阻两端电压值作为信号值滤波，运算放大器U2采用巴特沃斯二阶低通滤波器。再与基准电压比较，解调出转子侧发出的通讯信号。

本实施例中，参见1或图2，所述第一处理器通过基于电容浮充的驱动电路与所述全桥逆变电路连接。定子侧CPU(第一处理器)产生高频PWM信号，利用基于电容浮充的驱动电路控制全桥逆变电路中的开关管，将直流电逆变成交流电，通过空心变压器给转子侧输送能量，转子侧再经过整流、稳压和DC-DC变换，为转子提供多种电源电压，完成供电。当定子侧接收到温度信号，利用信号调理电路解调出温度值后通过串行通讯口向上位机传递数据以及在LCD液晶显示电路中显示。

本实施例中，参见图4，所述数据通讯电路采用芯片MAX232C和芯片MAX3485。用该数据通讯电路将定子侧解调分析出的温度数据传送至上位机。为增强本实用新型与上位机通讯方式的兼容性，设计了232、485两种串行通讯方式。涉及的芯片为MAX232C、MAX3485。两块芯片及其外围电路并行连接，即准备上传的数据信号分别送至两块芯片，两块芯片均连接至上位机同一COM口。可根据实际情况选择合适的通讯方式。

本实施例中，所述第一处理器和第二处理器采用芯片STM32F030C8T6。

本实施例中，参见图5，所述接收线圈通过补偿电容C4和初始电容C5分别与通讯控制电路和第一全桥整流电路连接，所述接收线圈的一端与补偿电容C4的一端连接，所述补偿电容C4的另一端分别与第一全桥整流电路、通讯控制电路和初始电容C5的一端连接，所述初始电容C5的另一端分别与接收线圈的另一端、通讯控制电路和第一全桥整流电路连接。参见图5，所述通讯控制电路包括调谐电容C7、调谐电容C6、MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管驱动电路和RCD吸收电路，所述调谐电容C7的一端分别与补偿电容C4的一端和初始电容C5的一端连接，所述调谐电容C7的另一端与MOS管Q1连接，所述MOS管Q1与MOS管Q2连接，所述MOS管Q2与调谐电容C6的一端连接，所述调谐电容C6的另一端与初始电容C5的另一端连接，所述MOS管Q1和MOS管Q2均连接有RCD吸收电路,图5中1、2代表MOS管驱动电路接入的地方。图5中A1、B1分别连接至接收线圈两端，补偿电容C4、C4-1为相当于图2中的补偿电容C_s，初始电容C5相当于图2中的初始电容C_d，调谐电容C7、调谐电容C6对应于图2中调谐电容C_n，电容C7-1、电容C6-1为便于调试而设计的预留电容位；图中Q1、Q2为MOS管，控制调谐电容接入电路与否，即控制转子侧谐振频率变化；图中二极管D1、电容C11及电阻R10和二极管D2、电容C12及电阻R11分别构成两组RCD吸收电路，以减少MOS管Q1、MOS管Q2过电流冲击；图中电阻R12为中性点保护接地电阻；图中UL1与UL2之间压差对应于图2中U02，即为将转子侧接收到的交流电整流滤波后的供电电压，将其连接至转子侧第二DC-DC电路。以产生满足转子侧不同供电电压等级要求的电源电压。MOS管驱动电路用HCNW2211作光耦隔离。MOS管驱动电路采用TPS2812D双驱动芯片。

本实施例中，参见图6，所述温度采样电路包括惠斯通电桥测温电路、稳压电路、电压放大电路、差模放大电路和二阶滤波电路，所述稳压电路连接有3.3V电源，所述稳压电路与电压放大电路连接,，所述电压放大电路与惠斯通电桥测温电路连接，所述惠斯通电桥测温电路与差模放大电路连接，所述差模放大电路与二阶滤波电路连接，所述二阶滤波电路与第二处理器连接，所述惠斯通电桥测温电路采用铂电阻温度传感器。具体地，图6中JP1与JP2分别连接两个被置入待测对象的铂电阻(Pt100)温度传感器；图中分别由电阻R18、电阻R17、电阻R19及Pt100和电阻R29、电阻R30、电阻R34及Pt100构成两组惠斯通电桥测温电路；图中U6为三端线性稳压源TL431，其产生基准电压,构成稳压电路；图中运算放大器U7及外围电路、运算放大器U107及外围电路均构成电压放大电路，提高基准电压带负载能力；图中运算放大器U8及外围电路、运算放大器U11及外围电路均构成差模放大电路，将电桥中代表温度信号的不平衡电压放大；图中运算放大器U9及外围电路、运算放大器U12及外围电路构成二阶滤波电路，滤除一定的温度信号噪声。输出的温度信号Temp1与Temp2分别连至转子侧第二处理器，将采集的温度数据送入转子侧第二处理器处理。图7为本实用新型通讯协议图。

本装置采用的是铂电阻(Pt100)温度传感器，可测量的温度范围为0～400℃。利用惠斯通电桥测温电路采集到温度信号后，经后级运算放大电路放大、滤波后，将数据传送转子侧第二处理器中进行A/D转化。采用12位逐次比较型A/D转换器，其分辨率为

400℃÷2¹²≈0.1℃

所以不同的测量温度可以转化为不同的12位二进制数，组成基本的NRZ码。考虑到原边中心工作频率为100kHz，所以为了便于定子侧调理电路滤波，所以设定通信的波特率为1kHz。

定转子之间通讯信号的数据格式由通讯协议规定，包括位编码协议与字节编码协议。位编码协议：考虑到转子侧接受信号的调理电路会对数据传输的同步性造成一定的干扰，而曼彻斯特码每位数据中间都有一个跳变，既作为数据信号，也作为时钟信号，所以采用曼彻斯特编码的方式对转子侧A/D转化得到的NRZ码进行编码。字节编码协议：通讯信号总共由18位构成，4位起始位、12位数据位、1位偶校验位和1位高电平停止位。空闲时线圈两端电压幅值为高电压，所以当接收到低电平时开始计时。为了提供准确的计数器计数初始值，在起始位置设置一个正跳变，这样起始位后的第一个正跳变作为通讯计数初始值0。

当通讯信号为1时，MOS管Q1与MOS管Q2导通，谐振频率改变，电感线圈两端电压降低；当通讯信号为0时，MOS管Q1与MOS管Q2开关断开，电感线圈两端电压保持高电压。

通讯信号转化为定子侧线圈两端电压幅值变化，通过定子侧的信号调理电路解调出通讯信号，即可得到转子侧测得的温度数值。

综上所述，本实用新型采用Pt100铂热电阻作为温度传感器，设计测温范围在0℃～400℃。整个系统由定子侧电路部分与转子侧电路部分构成。核心部件是由两个间距1mm电感线圈构成的空心变压器，利用空心变压器既完成转子供电又传递温度信息。定子侧主要功能为转子侧供电、解调出转子侧发出的信号以及其他辅助功能。转子侧主要功能为采集温度信号以及将温度信息编码后发出通讯信号。定子安装在加热辊外部，定子侧第一处理器产生高频PWM信号，利用基于电容浮充的驱动电路控制开关管，构成全桥逆变电路，将直流电逆变成交流电，通过空心变压器给转子侧输送能量，转子侧再经过整流、稳压和DC-DC变换，为转子提供多种电源电压，完成供电。当定子侧接收到温度信号，利用解调电路解调出温度值后通过串行通讯口向上位机传递数据以及在LCD上显示。转子侧通过电桥测温电路采集到温度信号并将其转化为电压信号送入转子侧第二处理器。采样信号经过A/D转化成单极性NRZ码。对单极性NRZ码进行曼彻斯特编码后，经MOS管驱动电路控制转子侧通讯控制单元中MOS开关管状态，从而控制调谐电容是否接入电路，达到改变谐振频率的目的，最终实现控制空心变压器线圈两端电压的改变。这样，定子侧即可通过信号调理电路解调出转子侧发出的通讯信号，用于LCD显示和与上位机通讯。

本实用新型的保护范围包括但不限于以上实施方式，本实用新型的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本实用新型的保护范围。