用于对借助非接触式传输实现旋转部件与固定部件间信号和能量传输的旋转组件测量温度或其它物理量的装置的制作方法

本发明涉及用于对旋转物体测量物理量的更广泛的非接触式遥测领域，具体地说，本发明涉及干式离合器旋转部件或类似的机械组件(例如电动机的任何旋转组件、盘式制动器、旋转车轮、旋转轴或支撑在定子中的任何旋转机械元件)的温度测量。测量的温度借助近电场从系统的旋转侧传输到固定侧，而旋转侧的测量模块由从在系统固定侧产生的磁场收集的能量供能。本发明具体地被设计用于这样的应用：其中在系统旋转侧安装电子测量模块的空间极其有限，并且其中主要要求之一是实现系统的最小尺寸，其中系统实现的其它可能性是通过使用可在扩展温度范围内生产的电子元件。

背景技术：

技术问题

干式摩擦离合器是属于连接/断开型离合器的类别的机械组件，其能够使从驱动系统到被驱动系统的旋转运动动力的传输接合或脱离，其中在离合器脱离的情况下(即，无动力传输时)，驱动系统和被驱动系统通常具有不同的转速。在法向力的影响下，借助至少两个盘之间的摩擦力实现扭矩传输。法向力的控制使得扭矩传输逐渐增加/减小，并因此引起一定程度的滑动，从而导致在连接离合器时，驱动元件与被驱动元件之间逐渐速度均衡，并且在使离合器断开连接时，被驱动元件逐渐减速。

对干式离合器旋转元件的摩擦表面的温度进行测量可以提供有用的信息，可以使用该信息执行离合器状态监视、故障预测、传动系元件控制的算法优化等。从温度测量系统获得的信息可用于两个基本应用场景，即用于原型车辆模型测试，以及用于在大批量车辆生产中安装温度测量系统。虽然在原型车辆模型测试的情况下，可以接受大幅修改离合器机械设计以便安装额外的传感器和测量系统来测试离合器的工作状态和性能，在大批量生产中，任何额外的传感器和测量系统都必须对离合器机械设计具有最小影响，并且所有测量元件必须能够被容纳在极小的空间内且具有小质量，以避免对离合器机械设计和其旋转部件的平衡产生不希望的影响，同时实现最佳温度测量特性和精度。

在当前已知的实践中通常使用的离合器旋转元件温度间接估计法不如实际直接测量那样可靠和准确。用于温度测量的非接触式方法(例如使用非接触式红外温度传感器或热像仪)在本申请中是不可接受的，因为在现实的离合器机械组件实现中，对于温度测量没有清晰的关注点视线。因此，重要的是使得能够借助附接到离合器旋转元件的温度传感器直接在离合器旋转元件上进行直接温度测量，该离合器旋转元件借助非接触式遥测方法将有关测量温度的信息发送到系统的固定部件。

离合器温度可以通过采用不同的传感器类型来测量，从而实现有源或无源的温度测量方法。有源温度测量方法意味着来自传感器的信号借助专用有源电子设备而被处理，该有源电子设备还将有关测量温度的信息发送到系统的固定部件。无源温度测量方法不需要有源电子元件来处理来自传感器的信号，因为温度是根据与温度相关的电路元件参数(电容或电感)的变化推导出来的，并且该变化通过非接触式技术在系统的固定部件上被感测到。

例如，可以通过检测作为lc电路中介电常数或磁导率的温度依赖性的结果的电路谐振频率变化来实现电路元件参数变化的无源非接触式读出。无源温度测量的优点是相对简单的电路实现，因为在旋转侧没有有源电子模块，因此，没有将限制有源电路电子元件的操作的潜在高温问题。无源温度测量的缺点涉及测量精度、非线性、可重复性、可靠性、传感器实现、需要使用特殊材料等问题，因此这些方法在实际应用中尚未得到广泛采用。因此，本发明基于提供更好测量精度和可靠性的对干式离合器旋转元件的温度测量的有源方法。本发明并非仅限于温度测量，还可以应用于其它物理量的测量。

在实际操作条件下(例如在车辆中)测量的干式离合器旋转元件摩擦区域的最大预期温度大约高达250℃，然而在故障条件下或者在非常规的情况下，预期测量甚至更高的温度，大约高达350℃。干式离合器旋转元件中的温度分布使得通常能够识别预期温度低于上述温度的部件(通常高达125℃)，但是在不利的条件下，温度可以达到高很多的值，高达大约200℃。因此，有利的是将用于测量干式离合器旋转元件摩擦区域温度的温度传感器置于必须测量最高温度的位置，同时所述传感器本身被线连到有源电子模块，该有源电子模块被放置或安装在旋转元件的这样的部件中：在该部件处，预期具有最低工作温度，并且在最不利的条件下，在该部件处，温度不超过测量电路实现中使用的有源电子元件的温度范围之上的值。

对干式离合器旋转元件的直接温度测量的特定挑战是用于安装温度测量遥测模块的极其有限的空间，其必须确保对离合器机械设计和旋转部件平衡的最小影响，即不影响旋转元件的功能。电子测量模块必须能够在高要求工作条件下进行温度测量和可靠操作，所述工作条件包括高环境温度、由机械旋转系统的加速或减速引起的高冲击和振动、高转速、脏环境、高电磁干扰环境等。这种环境条件大大限制了可用于必须在实际应用中可靠地工作的测量系统实现的组件和技术的选择。考虑到实现最小尺寸的首要要求，为非接触式供电提供足够的能量尤其具有挑战性，这增加了实现用于非接触式能量传输的电感性耦合解决方案的难度。

紧耦合遥测系统中的信号传输可以借助电感性或电容性耦合实现。尽管用于测量有关旋转元件的参数的大多数遥测系统使用电感性耦合来进行信号传输，但是由于在信号传输线圈中需要相对大的电流，这种方法对功耗具有负面影响。电容性耦合在能量要求方面更有利，因为信息借助开路中的电压控制电极发送，这在小电极电容和相对小的信号载波频率的假设下能够实现最小功耗。测量系统功耗与必须使用非接触技术发送和接收的能量直接相关，并且该能量也与旋转元件上的能量收集线圈的物理尺寸直接相关。为了在旋转元件上实现最小接收线圈尺寸和测量模块的最小质量，有必要确保传感器模块功率要求在微瓦或毫瓦范围内，并且以数十或数百毫伏或更多的非常低电平的电压工作。

另一挑战是电子模块必须可靠执行操作的高环境工作温度，在实际条件下，该温度可能高于125℃。125℃的温度是标准电子元件(汽车级元件)的标称上限，因为对于高于125℃的温度，只生产特殊用途组件(对于扩展温度范围)，并且这些组件的选择非常有限(根据技术实现，这些组件可被发现在最高达230℃的范围内)。在这种条件下采用有源温度测量方法的情况下，有必要确保这样的测量模块概念：即，其也可以通过使用来自扩展温度范围的有限的组件选择来实现，使其适应甚至高达200℃的温度范围，在最不利的条件下，该温度范围进而是实际应用中的离合器旋转元件的较冷部件的预期温度上限。

现有遥测方案和用于对旋转元件测量温度和其它参数的系统实现不能提供这样的技术方案：该技术方案利用在系统的旋转侧的最小尺寸的遥测模块，通过实现微瓦或毫瓦范围的功率消耗，并使用小线圈来借助电感性耦合传输电力，从系统旋转侧(次级侧)的小电压电平(数十或数百毫伏或更多)获得电力供应(这对于实现模块安装的最小空间要求以及实现对旋转组件的平衡具有可忽略的影响的最小质量很重要)，来允许在最高达200℃的环境中操作测量模块。

本发明的第一目标是通过同时实现最小功耗来确保安装在旋转元件上的遥测测量模块的最小尺寸。

本发明的第二目标是实现一种确保对旋转元件或其它类型旋转元件的旋转摩擦表面测量温度或其它物理参数的高精度的装置。

相关技术的描述

由于在前一章节中描述的困难，为了确定干式离合器摩擦表面温度，通常使用间接的温度估计方法。主要困难是在系统旋转侧用于遥测测量模块安装的非常有限的空间，高温环境下操作的需要，额外的不利工作条件，例如冲击、振动、电磁干扰等。间接温度估计方法基于测量其它更易得到的物理量(例如油温)，从中估计干式离合器的旋转组件的温度。

1998年3月3日公布的美国专利no.5,723,779描述了一种用于确定摩擦离合器的剩余寿命的系统，该系统采用通过测量用于产生离合器接合力的工作流体的温度来间接测量离合器温度的方法。尽管这种间接方法不像直接测量方法那样提供有关实际温度的信息的准确性和可靠性，但是它们在实际应用中被采用主要是因为现实条件下的干式离合器旋转元件的温度测量的现有方法不能满足对于大规模生产中实际系统内的安装可接受的有限空间和质量的需要。

无源温度测量方法基于由介电材料介电常数(电容)或磁芯磁导率(电感)的温度依赖性导致的lc电路谐振频率变化的原理。无源温度测量方法不需要用于传感器的电源，因为可以通过监视被激励的lc谐振电路的振荡频率来执行读出，该谐振频率随温度变化。在美国专利no.8,256,954b2中描述了对旋转物体进行无源非接触式温度测量的示例。文献us8,256,954b2描述了一种用于测量转子温度的非接触式装置，其利用了一些材料在温度的影响下失去其永磁性的事实。尽管无源温度测量方法提供了更简单和相对紧凑的测量系统实现的可能性，并且与有源温度测量方法(需要具有电源的电子设备)相比，固有的高环境温度的负面影响较低，但是与标准的工业温度传感器(例如rtd传感器或热电偶)相比，这种方法仍未被广泛采用，因为电感(l)和电容(c)温度传感器的测量特性显著较差。

lc谐振电路元件的介电常数或磁导率随温度的变化具有与以下方面相关的缺点：测量精度、测量不确定性、参数温度依赖性的线性度、标称传感器参数的特性可重复性和统计分布、灵敏度、信噪比、分辨率、用于能量和信号传输的耦合介质对测量结果的影响、寄生无功分量(例如，与温度变化无关并且可以叠加到测量信号上的电容或电感变化)的影响，等等。由于上述所有原因，可以得出以下结论：即，基于无源温度测量方法的方法只能部分地解决技术问题，因为这些方法不能提供与工业环境条件下使用的标准温度传感器相当的测量质量。

为了测量旋转元件的物理量，根据应用、测量量和环境条件，针对整个遥测解决方案采用不同的方法。在紧密耦合的遥测系统中，发射器和接收器相对于彼此非常紧密地定位，并且它们之间的空间填充有金属机械组件，通常不使用借助电磁(em)波传播的信号传输(射频(rf)通信)，这是因为与波长相比距离小，并且当存在金属物体时，会出现em波的衰减和反射的问题。其它问题可以是需要测量系统能够在扩展温度范围内在环境中工作，因为在该范围内难以找到用于rf通信的电子元件，并且元件本身不特别适合于预期具有更大机械应力和振动的应用，其它缺点还有在高频下工作的系统的功耗相对较高。在用于连续温度测量和监视的永久性安装中，不允许使用电池作为测量模块电源，尤其是在具有高工作温度的环境中，因此需要借助非接触式电力传输为系统的旋转侧供电。非接触式电力传输可以通过以下方式实现：即，借助电感性耦合，或者通过使用一些其它的能量收集方法将能量从系统的固定部件传输到旋转元件，其中系统例如从振动能量(压电换能器、磁-机械谐振器)，温度差(热电换能器)和类似元件被供能。

在紧密耦合的遥测系统中，测量信息的传输借助近场通信实现，其中信号借助电感性或电容性耦合传输。旋转物体上的现有遥测方案大多使用电感性耦合进行测量信息传输，其中在旋转元件上需要具有发射线圈，并且在系统的固定部件上需要具有接收线圈。

2003年3月13日公布的文献wo03/021839a2描述了一种通过电感性耦合进行非接触式数据传输的方法。此外，1991年12月5日公布的文献de4021736a1描述了一种用于测量和监视摩擦离合器的摩擦表面温度的装置，其中测量结果借助电感性耦合可靠地从离合器内部传输。通常，借助电感性耦合传输测量数据的主要优点是抗噪声和抗环境影响，这使得它成为在许多实际应用中比电容性耦合更有利的选择。电感性耦合数据传输的缺点是功耗较高，因为必须通过发射器线圈提供相对大的电流，以便产生在系统接收器侧实现良好信号重建所需的足够高的磁场。通过数据发射器线圈的电流越大，必须从系统的固定部件传输到旋转部件的能量就越多，这导致系统的旋转部件上的接收线圈以及通常用于供电的子系统具有较大尺寸。在用于系统安装的非常有限的空间不是系统设计所优化的主要参数的情况下，电感式遥测相对于电容式方法的优势证明了该选择的合理性。

在目标是实现最小可能功耗以减小用于非接触式电力传输或从环境中获取能量的系统的尺寸和质量的情况下，必须被注入系统旋转侧的发射器线圈中的电流对旋转侧电子模块功耗有不利影响，并且，考虑到它们实现超低功率操作的能力，基于电感性耦合的数据传输系统不是最佳选择。电容式遥测方法能够实现显著降低的功耗，因为电极由开路中的电压源驱动，其中系统的旋转侧与固定侧之间的电流充电和放电耦合电容的水平可以根据电极几何形状、驱动信号的频率和振幅，通过电容值控制。2014年9月24日公布的文献ep2782262a1中公开了电容性耦合的传输数据遥测系统的示例。此外，1980年12月30日公布的文献us4242666a公开了用于从旋转机器收集数据的非接触式数据采集系统，该系统使用电容性耦合进行数据传输，使用电感性耦合给机器旋转部件处的电路供电。电容式遥测的使用频率低于电感式遥测，因为电容式遥测具有以下一些缺点：即，对来自附近干扰源的电场干扰敏感，对发射器电极与接收器电极之间的空间中可能存在的脏的或小的物体的影响敏感，当机械组件的不同部件之间的电连接不良时，对由系统的旋转部件与固定部件之间可能存在的电子模块的不同参考电位造成的干扰敏感，等等。通过使用差分电容传输原理，可以实现使用电容性耦合进行的数据传输的较好性能和特性以及较低的易受干扰性。当共模噪声由不想要的电场源引起时，或者共模噪声由系统的发射器侧与接收器侧的电路参考点之间的电位差引起时，差分电容传输原理有助于抑制这种噪声影响，因为所接收的有用信号是借助差分放大器或某种其它类似的电子电路处理的。重要的是要强调差分电容传输原理并不总是适用的，因为它需要电极对的特殊相互布置。与对旋转物体的非接触式温度测量的技术问题相关的现有解决方案并不强调使用差分电容性耦合优于使用电感式遥测方法来为了最小化非接触式电源子系统的尺寸而实现最小功耗的优点，同时针对各种干扰源仍能达到令人满意的抗扰度水平，并且实现相对可靠的信息传输，其特性可与基于电感式遥测的类似设计相媲美。该方法对于信号传输的适用性尚未被认识到并且尚未被提出用于旋转元件，其中旋转圆周轮廓的一小部分可被用于在短时段期间形成差分耦合电容系统，并且其中该系统配置将允许实现稳健的遥测信号传输以及与非对称电容式遥测相比更佳的性能和特性，其目标是在旋转侧实现遥测系统的最小尺寸和功耗，这一点由本发明提出。本发明提出的用于数据传输的差分电容性耦合在信号传输路径中实现了高抗噪性(明显优于非对称电容传输的情况，因为接收器侧的信号借助差分放大器而被处理，这抑制了由附近电压源的电场引起的共模噪声，而非对称实施方式无法实现这一点)，以及对系统的旋转侧与固定侧的电路参考点(接地)之间的干扰的高抗噪性(这对于其中系统两侧之间的电连接可能较差并且在两个接地之间存在明显电位差的旋转机械系统尤其重要)。本发明中提出的用于数据传输的差分电容性耦合也实现了遥测系统的最小功耗(对于可比较的信噪比，低于电感式遥测)和最小尺寸(例如是干式摩擦离合器的温度测量应用中的主要要求)。

用于电子测量模块的电感性非接触式供电的方法广泛用于对旋转物体的测量。遥测系统中的电感性耦合电力传输意味着需要发射线圈和接收线圈，这两种线圈可以通过磁场连续地或间歇地(在机械元件旋转期间)耦合。发射线圈(初级侧)通常由ac电源供电，并且根据变压器的工作原理，在接收线圈(次级侧)上感应的ac电压被整流和调节以获得电子元件供电所需的dc电压。在次级侧线圈中感应的电压取决于匝数和环路表面，这直接影响旋转侧的电子模块的尺寸和质量。通过使用谐振电路原理，可以优化能量传递效率，其中重要的是正确地调谐电路参数以实现谐振。代替利用ac激励的初级线圈，可以在固定侧使用永磁体，其中通过在旋转期间使次级线圈移动通过永磁体的磁场来实现次级线圈中的磁通量变化。

用于对旋转物体的电感式遥测的大多数现有解决方案未被优化来以非常小的电压和功率水平工作起作用。现有解决方案通常在旋转侧需要伏特量级的电压电平，以使电源电路工作。需要这样的电压电平来补偿整流器元件上的电压降，以在使用线性调节器(regulator)时实现足够高的输入电压和储备，并且为dc-dc变换器的输入实现足够的电压。在需要提供高效率和低损耗的电源，或者需要将输入dc电压变换为更高值的应用中，dc-dc变换器是合适的选择。dc-dc变换器通常不被设计用于在非常小的输入电压和非常少的能量下工作，但在这些情况下，它们可以被用于针对能量收集应用进行了优化的特殊功能实现。这种被优化用于在非常小的输入dc电压和少的能量下工作的特殊功能能量收集dc-dc变换器可以被直接连接到弱能源，例如压电、热电、光伏和类似的换能器。虽然压电换能器不产生dc电压，但由于其输出上的电压脉冲相对较高，它们可以被连接到专门设计的能量收集dc-dc变换器，该dc-dc变换器具有内置整流器和过压保护功能。

用于从时变磁场收集能量的接收线圈的环路表面和匝数的最小化也降低了能量接收线圈处的感应ac电压的峰值。感应ac电压的峰值不得低于电源电路正常工作所需的某个最小值。目的是实现在最低可能的输入工作电压(优选地在数十或数百毫伏的范围内)可工作的电源电路，该工作电压是在用于从磁场收集能量的接收线圈处感应的，以使非接触式电源子系统的整体尺寸最小化。

对现有技术的回顾表明，lineartechnology公司生产的能量收集dc-dc变换器可以在20mv以上的小dc输入电压下工作，利用带变压器的自振荡电路的原理来将非常小的输入dc电压提升到为电路的其余部分供电所需的更高值。这种dc-dc变换器被专门设计为直接连接到具有dc输出的能量收集源(太阳能电池板、热电元件等)，并且这种方法不能被用于将dc-dc变换器直接连接到用于磁能收集的小线圈的ac输出。lineartechnology公司和texasinstruments公司也生产不使用带变压器的自振荡电路来提高输入电压的dc-dc变换器，所述变换器直接在200至300mv的低输入dc电压下工作。在后一种情况下，需要提供明显更大量的输入ac电压，该输入ac电压足够大以补偿整流器元件上的电压降(对于标准小信号二极管为约0.7v，或对于肖特基二极管为约0.3v)。

另外重要的是需要注意，特殊功能能量收集dc-dc变换器目前还没有针对扩展温度范围生产(在125℃的汽车温度范围以外)，这进一步限制了这种专用集成电路的应用。然而，texasinstruments公司目前生产的dc-dc变换器被设计为用于扩展温度范围(接近230℃)，但它们需要更高输入电压(几伏或更高)才能工作。

本发明提供一种电感性耦合的电源子系统的配置，该电源子系统能够使用由系统的旋转侧的接收线圈收集的非常少的能量，其中该少量的感应ac电压能够提供特殊功能能量采集dc-dc变换器(针对数十到数百毫伏的输入dc电压进行了优化)，或者具有伏特量级的标准输入电压的dc-dc变换器(可在最高达约200℃的扩展温度范围内找到)。这种概念为其尺寸和质量比现有技术的类似解决方案显著更低且更紧凑的电源子系统提供了技术解决方案，其中一种重要的可能性是这种方法可以进一步利用也在最高达约200℃的扩展温度范围内可用的电子元件实现。

实现所描述的测量模块小型化概念的先决条件是实现微瓦或毫瓦范围内的测量模块的超低功耗。该目标可以通过使用低频电容性信号传输(优选地为差分电容性信号传输，以实现与电感性传输相当的抗噪声特性)优化数据传输的功耗来实现，并且为了实现系统温度测量部件的设计，温度变换为调频(fm)信号，并通过使用也具有超低功耗要求的差分电容性耦合进行数据传输。应该考虑到系统应通过使用在高达200℃的扩展温度范围内也可用的电子元件可实现，这不包括使用通常不可用于125℃以上温度范围且可显著降低超低功耗要求的处理器和复杂集成电路。

通过使用振荡器可以最简单地实现温度-频率变换电路，所述频率随与温度相关的电阻器而变化。这种方法可以通过使用标准的工业rtd传感器来实现，该传感器可以容易地被连接到将温度变换成频率的振荡器，该频率经由电容性耦合被传输到系统的固定部件。可以在超低功率实现中容易地实现电阻器控制的振荡器。在这种情况下，使用热电偶作为可靠和精确温度测量的替代解决方案是不可接受的方案，因为冷端补偿的实现复杂，并且因为这种传感器不允许超低功率温度-频率变换器的容易实现。

系统旋转侧测量模块的电感性耦合非接触式电源的替代方案是不同的能量收集可能性和方法。然而，在所描述的技术问题的背景下，用于从环境收集能量的其它可能性和方法通常不能获得足够能量水平来实现电子模块操作。借助压电换能器从振动中收集能量的方法由于相对小的振动幅度而提供可忽略的能量水平，并且必须在相对长的时间段内收集能量。另外，使用压电换能器需要振动频率与换能器机械共振频率之间存在良好匹配，以便吸收最大量的能量，这是实现这种方法的实际问题。通过热电元件从温差收集能量的方法也提供可忽略的能量水平，另外的问题是要找到以足够的局部温度梯度安装热电元件的合适位置，这在所描述的技术问题的情况下难以实现。由于安装复杂性且需要更高水平的振动以便收集令人满意的能量水平，从具有线圈和永磁体的机械共振器收集能量的方法不是合适的解决方案。由于在现实应用中预期的苛刻的高温和振动条件下的光电池灵敏度，以及因杂质和小物体可能阻止能量传输而导致光学可视性模糊的可能性，基于光伏效应的供电也不是合适的选择。

对现有技术的检查导致得出以下结论：即，可以提出新颖和更好的概念来解决对干式离合器的旋转元件进行温度测量的技术问题的解决方案，与用于其中系统的最小尺寸和质量至关重要的应用中的安装的现有方案相比，该解决方案将实现更小的尺寸，具有高的温度测量精度，并且可以在大约最高达200℃的扩展温度范围内硬件实现。所提出的发明以比现有技术中先前已知的方案更好的方式解决了技术问题。

技术实现要素：

本发明解决了对旋转元件(例如，干式摩擦离合器旋转元件)直接测量温度或其它物理量的技术问题，其中有必要在系统的旋转部件与固定部件之间提供非接触式遥测信号和电力传输，其中特殊的挑战是可用于在旋转侧安装电子模块的极小空间、高工作环境温度、以及温度测量的高精度要求。

在旋转侧接收的能量被用于为传感器、传感器信号处理电路、数据传输电路和电源调节器电路供电。

由于用于测量干式摩擦离合器旋转元件温度的电子模块的有限安装空间最重要，因此，根据本发明的装置实现了测量、信号处理和数据传输的方法以允许最小化功耗以及因此允许系统尺寸最小，这使得根据本发明的装置与必须实现系统最小可能尺寸的应用中的现有技术系统和装置相比成为更适合的安装解决方案。本发明提出了为系统旋转侧的传感器和电子电路供电，该供电借助从系统固定侧的源进行的非接触式电力传输来提供。

本发明提供一种设置在旋转侧的测量组件，其包括电阻温度检测器(rtd)传感器、频率(fm)调制器、差分电容信号传输，以及基于dc-dc变换器(该dc-dc变换器可以通过从能量接收线圈获得的小电压电平供电)的使用，从在定子侧产生的磁场接收能量的电源。下面将解释上述每个元件如何参与转子侧测量模块的功耗和尺寸的最小化，以及如何在扩展温度范围内使用所提出的概念。

rtd传感器允许容易地实现高精度的温度测量系统，并且可以被直接连接到fm调制器，使得调制器频率的变化直接取决于传感器测量的温度。fm调制器可以采用分立或集成电路技术实现，提供非常低的功耗，并且由于不需要使用微处理器或复杂的数字元件这一事实，因此可以通过使用扩展温度范围电子元件(在高于125℃的范围内工作，在某些情况下，甚至在高于200℃的范围内工作)来设计这种调制器，这一点对于本申请很重要。

用于对旋转机械组件进行测量的现有相关遥测解决方案借助电感性或电容性耦合将信号传输到系统的接收侧。大多数这样的系统使用电感性耦合来进行测量信息传输。与电容性耦合传输相比，通过电感性耦合进行信息传输的优点是更大的抗噪性和环境影响免疫性，这就是电容性耦合在实践中不像电感性耦合那样经常被使用的原因。然而，与电容性耦合相比，电感性耦合方法的缺点是更高的功耗，因为必须提供通过电感线环的大电流以实现足够高的磁场来用于接收器侧的质量信号重建。因此，需要将更多电力传递到系统的旋转部件，这增加了电力接收线圈和旋转侧系统的整体尺寸。在其中电子模块安装空间非常有限并不是至关重要的大多数应用中，与电容式遥测相比，电感式遥测的优势证明了这种选择的合理性。另一方面，电容式遥测可以实现明显更低的功耗，因为电极由开路中的电压源驱动，其中由系统旋转侧与固定侧之间的耦合电容的充电和放电所导致的电流流动可以通过耦合电容值(取决于电极几何形状)、信号的频率和振幅来控制。

大多数电容性耦合的遥测系统使用非对称电容性耦合方法，因为其易于实现，其中发射器侧电极由电压源驱动，接收器侧电极通过耦合电容接收信号，并且电路经由环境闭合。虽然这种电容性耦合设计为遥测信号传输提供了简单的解决方案，但根据系统设计和所传输的信息的特性，可能会出现以下一些问题：即，由附近电压源产生的电场引起的高干扰和噪声(因为接收电极容易受到这种干扰，特别是考虑到检测器电路的高输入阻抗)，发射器电极与接收器电极之间的空间中杂质或物体的出现会劣化通信信道的特性，这是因为电极之间、旋转侧与固定侧的物体之间的空间中介电常数发生动态变化(这可能引入额外的干扰)，如果系统两侧的参考电位之间的电流连接不良等等，噪声电压可叠加到有用信号上。由于上述所有原因，在实践中通常避免电容性信号传输，因为与电感性耦合方法相比，它被认为是不太可靠的解决方案。

差分电容性信号传输是电容性耦合通信的特殊实现，其通过以特定方式调制电场来传输有用信号。在这种特殊的电容性耦合通信方法中，必须满足某些条件。第一条件是发射电极对由差分电压源驱动。第二条件是接收电极对非常靠近该发射电极对，并且发射侧和接收侧的相应电极对具有良好的位置重叠，以便最大化相应成对电极之间的互电容，并使相反极性电极之间的互电容最小化。另一方面，非对称电容性耦合方法没有提出这样的要求，这就是这种方法在实践中更容易实现的原因。由于需要特定电极布局配置，作为该方法的差分电容传输只能在可以将相应的发射和接收电极对被布置成彼此靠近的特殊情况下使用，但是对于大多数实际应用而言，情况并非如此。

本发明通过使用小线圈从磁场接收能量，以及通过使用可以通过从在系统旋转侧获得的小ac电压被供电的低功耗电压调节器，来提供用于为系统旋转侧的传感器和电子电路供电的电源子系统的尺寸最小化。来自磁场能量的电力供应基于由线圈所包围的区域内的磁通量的变化所导致的磁感应的原理。考虑到在能量接收线圈上感应的电压和借助磁耦合传递的能量与线圈中的环路面积和匝数成比例，目的是以最小匝数和最小线圈环路面积实现正确的系统操作。必须将能量接收线圈上的感应ac电压变换为dc电压，以便为电子电路提供电源。

ac电压的无源整流(例如，利用格拉茨(graetz)桥式整流器中的二极管)和线性调节器的使用代表了一种实现供电的方法，其缺点是需要来自能量接收线圈的相对高的输入电压，因为需要补偿整流器元件和线性调节器上的电压降。在这种配置中，不可能将调节器的输出提升到高于输入电压电平，并且有必要确保来自线圈的整流输入电压的平均值始终高于系统旋转侧的传感器和电子电路的电源电压。

本发明提出使用能够通过来自系统旋转侧线圈的小电压被供电的dc-dc变换器作为更有利的解决方案。dc-dc变换器能够产生比输入电压更高的输出电压(在升压拓扑结构中)，同时实现比线性调节器更高的效率，从而允许更有效地使用能量，这因此导致非接触式电源子系统的更低损耗和更小尺寸。该应用的特殊性在于由于磁感应而需要通过接收线圈上的ac电压来进行操作，并且在使用小型节省空间的线圈时，另外可能出现低ac电压峰值水平，其范围从数十到数百毫伏。dc-dc变换器不能被直接连接到ac电压源，并且其大多数未被设计为在如此小的输入电压电平下工作。

本发明提供了如何在由于要求非常小的系统尺寸而使用于收集磁场能量的接收线圈上的ac电压非常低的情况下利用dc-dc变换器的良好特性(诸如高效率和提升输入电压的能力)的两种可能性：即，在能量接收线圈之后使用特殊电压变压器(voltagetransformer)，以及使用被优化为在低输入电压下执行操作以及用于能量收集应用的特殊功能的dc-dc变换器。

通过将小型变压器放置在能量接收线圈后面的表面安装技术(smt)壳体中，线圈上的ac电压可以在dc-dc变换器输入之前被升高到更高的电平，而不会显著增加旋转侧的电子系统的尺寸和体积。这种变压器通常被用于实现具有电流隔离的紧凑型dc-dc变换器，并且它们可作为现成的元件使用。在由于空间限制而不能接受用于从磁场收集能量的线圈的环路面积和匝数增加(这导致线圈上的低电压值)的情况下，用这种方法可以显著提高dc-dc变换器输入处的输入电压，这便于使用标准电子元件，并通过将输入电压电平提高到更高工作值来增加用于实现整体解决方案的可接受元件的选择。

另一可能性是使用特殊功能dc-dc变换器，该变换器被优化为可在低输入电压电平下工作，并且用于能量收集应用。目前，市场上有几种可以在数十毫伏到数百毫伏范围内的最小电压下工作，并且可以提高输入dc电压值的解决方案。针对能量收集应用而被优化的这些特殊功能dc-dc变换器的问题在于：在使用热电元件或太阳能电池板作为能量源的情况下，它们针对至少20mv或更高的范围内的dc输入电压而被优化。在这两种情况下，dc-dc变换器的输入的电源都是dc电压源，而不是像本发明所涉及的技术问题情况下的ac电压源。在这种情况下，当能量接收线圈上的ac电压较小时，可以将具有小电压降的整流器(例如肖特基二极管)与在低电压dc输入下工作的特殊功能能量收集dc-dc变换器进行组合，以便实现基于该组合的电源子系统，与基于未被优化为以能量收集应用中遇到的极低能量水平工作的线性调节器或传统dc-dc变换器的现有解决方案相比具有更小的预期尺寸。现有解决方案并没有着重于在其中旋转机械元件必须从磁场收集能量，并且电压调节器输入的电压源是ac电源，而不是像能量收集应用的大多数情况中的dc电源的应用中使用这些特殊功能dc-dc变换器的好处。本发明提出使用小线圈、具有小电压降的整流器、以及被优化为在低dc电压电平(数十或数百毫伏以上的量级)下工作的dc-dc变换器作为可以进一步最小化系统尺寸的解决方案，其中在能量接收线圈上的感应ac电压电平非常低的情况下，还有可能添加先前描述的电压变压器。

在测量干式摩擦离合器的温度时必须考虑的一个重要实际问题是要在测试点中测量的温度范围和旋转侧电子系统必须在其中执行操作的环境温度范围。在正常操作模式下，转子侧干式离合器上的测试点中的温度可能最高达250℃，在异常或非常规情况下，预期温度可升至350℃或更高。不可能使用在如此高温范围内工作的电子元件。然而，由于旋转机械元件的主体内部存在温度梯度，在机械干式摩擦离合器的整个旋转部件上以及在温度可能明显低于最大值的机械元件外部部件处预期不会出现这样的高温。在多数情况下，机械旋转元件整体的最低温度不超过125℃，这意味着在这种情况下，必须安装在系统旋转侧的电子模块可以通过使用-40℃至125℃范围的汽车温度范围内的标准电子元件来实现。但是，在某些情况下，根据干式离合器的最高工作温度和传热方法，旋转元件周边的温度可以高于125℃的临界温度，并达到最高为200℃的值，并且在这种状况下，不可能通过使用标准元件来实现电子电路。对于125℃至230℃的扩展温度范围，可以制造特殊功能的电子元件，但这些元件的选择非常有限。大多数标准电子元件在该扩展温度范围内不可用，主要是模拟和数字电路复杂，这使得基于微处理器和其它复杂模拟和数字电路的系统通常在可用于扩展温度范围的技术中不可行。从所需的电子元件(fm调制器、差分信号传输放大器和电源系统)的角度来看，本发明提出的解决方案在扩展温度范围内是可行的，这使得该解决方案即使在需要确保旋转侧电路在扩展温度范围内的操作的情况下也可行。系统固定侧可以通过使用标准电子元件来实现，因为来自接收电极对的差分信号总是可以被线连到环境温度不超过125℃的地方。

附图说明

下面将参考附图详细描述本发明，其中：

图1示出了由本发明描述的装置的基本概念的示意图，

图2示出了根据本发明实施例的旋转构件上的测量模块的安装，

图3示出了根据本发明另一实施例的旋转构件上的测量模块的安装，

图4示例出测量模块的示意图，

图5示例出测量模块电源的示意图，

图6示例出固定电子模块的示意图，

图7示例出差分电容式遥测信号传输的示意图，

图8示出了用于非接触式电源的最佳磁耦合的测量模块和固定模块的优选相对放置，

图9示例出用于fm信号的时域多路复用的多信道测量模块的示意图，

图10示例出时域多路复用中的fm信号波形的示意图，以及

图11示例出用于fm信号的频域多路复用的多信道测量模块的示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种用于对干式离合器旋转元件、盘式制动器或其它旋转元件测量温度或其它物理量的装置，其中系统的旋转元件1与固定部件5之间的信号和能量的传输借助非接触式传输实现。非接触式信号传输基于电容性耦合，而非接触式电力传输基于电感性耦合。该装置包括：被附接到旋转元件1的电子测量模块3，测量模块3适于处理来自安装在旋转元件1上的一个或多个温度传感器1-n2的信号，其中温度传感器1-n2被线连到电子测量模块3；以及固定接收电子模块4，其被安装在系统的固定部件5上，元件1相对于该固定部件旋转。本发明不仅限于干式离合器旋转元件的温度的测量，该组件也可以使用测量其它物理量的传感器替代温度传感器1-n2。此外，本发明不限于对干式离合器旋转元件的物理量的测量，而是也可以被用在盘式制动器或任何其它旋转元件上。

测量模块3包括适于差分电容性信号传输的发射电极对8，其中固定电子模块4包括接收电容电极对14，其适于在测量模块3和4一个位于另一个之上地处于相互平行的位置中的时段tmj期间接收来自发射电极8的差分电容信号。

电子测量模块3位于旋转元件1的表面的一部分上，其中该表面的所述部分在工作条件下具有最低温度，其中所述电子模块3具有不影响干式摩擦离合器功能的尺寸。电子模块3包括：一个或多个fm调制器6；差分驱动电路7，其将非对称信号变换为差分(平衡)信号，并控制电极8以进行差分电容性耦合信号传输；一个或多个接收线圈9，其用于经由固定电子模块4产生的磁场收集用于给测量模块3供电的能量，其中所述接收线圈9被直接安装在发射器电极8的下方；用于测量模块3的电源10；以及电容器11，其在电子测量模块3和固定接收电子模块4不经由磁场相互耦合时提供电力。

图1示出了具有系统主要部件的本发明的概念。在安装温度传感器2的选定测试点处对旋转机械元件1测量温度。传感器2被线连到用于对旋转元件1测量温度的测量模块3，其中模块3被固定到旋转机械元件1，并且所述模块3随着所述机械元件一起旋转。在本发明的上下文中，机械旋转元件1是指其温度被测量的干式摩擦离合器的旋转组件，但是相同的原理也可应用于电子元件安装空间非常有限的其它情况。测量模块3被用于测量来自传感器2的温度并将遥测信息传输到固定电子模块4。由于测量模块3被安装在旋转元件上并且因为它不能被直接线连到系统的固定部件5，因此测量模块3通过非接触技术(通过近电场耦合)发送测量信息，其中所述测量模块3必须配备有非接触式电源。测量信息通过差分电容性耦合信道而被传输到固定电子模块4，固定电子模块4用于非接触地接收测量信息，处理接收的信号，并且包含用于借助来自所产生的磁场的能量对测量模块3进行非接触式供电的激励。固定电子模块4被安装在机械系统5的固定部件上，元件1相对于该固定部件旋转。

例如在对干式摩擦离合器的温度测量的应用中，安装传感器2的测量点中的预期温度可以达到最高350℃。由于旋转机械元件1上存在温度梯度，因此测量模块3需要被安装在机械元件1上预期具有最低工作温度的位置处，该温度不超过所使用的电子元件的工作温度范围(在使用汽车温度范围的电子元件的情况下，最高为125℃；活着在使用扩展温度范围的元件的情况下，最高为约200℃，这取决于技术)。如果需要，可以通过使用市场上当前可用的扩展温度范围的电子元件来实现根据本发明构思的装置。在实践中，对于干式摩擦离合器的温度测量应用的大多数实际场景，可以在旋转机械元件1上定位这样的点：在所述点处，在最不利的工作条件下，工作温度不超过200℃，从而使本发明适用于大规模应用。

本发明试图解决的干式摩擦离合器旋转元件温度的直接测量应用的基本限制之一涉及用于将温度测量电子模块3安装在旋转机械元件1上的极小空间。模块3必须具有尽可能小的尺寸，以便对机械设计和干式摩擦离合器的旋转部件的平衡产生最小影响。考虑到电路功耗相对较高，现有电感式遥测解决方案需要相对大的空间来容纳用于非接触式电力传输的线圈。更高的能量需求意味着更大的匝数和更大的能量接收线圈面积，因此，用于信息传输的电容性耦合方法的选择提供了具有更低功耗以及因此旋转元件上线圈的更小空间占用的解决方案。对于电感式遥测，通常情况是，线圈绕组必须被缠绕在机械元件主体的整个周边或其大部分的周围，这就是现有解决方案尚未被大规模生产应用所接受的原因。

图2示出了根据本发明的一个实施例的测量模块3在旋转元件1上的机械安装。图2的下部以俯视图示出了模块3在旋转元件1上的位置。在该视图中，可以看出，模块3在旋转元件1上占据非常小的空间，因为模块3被实现为小型紧凑单元，其占据旋转元件1的旋转轮廓的小区域和小部分，具有容纳所有必要系统组件的最小高度。在图2的下部，可以注意到模块3的旋转运动轮廓由两个同心圆限定，其中模块3占据1至20cm²范围内的区域，模块3的优选高度在5至20mm的范围内。在图2的下部，模块4位于模块3的上方，但是为了清楚起见未示出，并且其位置在图2的上部示出。

在所示的配置中，模块3被安装在盘或类似结构的上部，即，外侧(取决于旋转机械元件1的实施例)，在其上方具有用于容纳固定模块4的自由空间，如图2的上部所示。在该示例中，在旋转元件1的下侧，存在干式离合器的机械组件的其余部件，并且该空间不适合于固定模块4的安装。在所示的配置中，电场耦合被用于测量信息传输，并且磁场被用于模块3与模块4之间的能量传输。遥测信号和电力传输以脉冲(burst)和周期性的方式，在元件1的旋转期间测量模块3与固定模块4彼此非常靠近时的非常短的时段期间发生。

图2的上部以侧视图示出了模块3相对于旋转元件1的安装布置。在该视图中，可以看出，用于接收遥测数据并经由磁场向模块3传输电力的固定模块4安装在系统的固定侧上，使得在机械元件1旋转期间模块3经过时，模块3和模块4彼此平行并且尽可能相互靠近。用于信号传输的电容性耦合和用于能量传递的电感性耦合仅在旋转周期的一小部分期间有效，此时模块3和模块4相互平行且一者直接在另一者上方。可以实现这种紧凑配置的先决条件是功耗最小化，如上所述。在图2的右侧，更详细的视图示出了用于信息传输的电极如何进行电容性耦合以及用于传输能量的线圈如何进行磁耦合。在图2的右侧部分中，模块3和模块4的视图以侧视图示出，在元件1旋转期间的该时刻，模块3和模块4被定位为一者直接在另一者上方。在该视图中，在模块3的上侧示出了用于电容信号传输的发射电极对8(如图7中更详细地示出)，而在模块4的底侧，示出了接收电容性耦合电极对14。重要的是确保相应的电极对8和14被定位为一者直接在另一者上方，以便实现相同极性的电极对之间的最大耦合电容以及相反极性的电极对的最小耦合电容。在用于电容信号传输的发射电极8的正下方，存在一线圈9，用于从磁场中收集能量来给模块3供电(如图4中更详细地所示)。在图2的右侧，在模块3和模块4的下方和上方，示出了模块3和模块4的俯视图和仰视图。可以注意到，用于给模块3进行非接触式供电的能量接收线圈9直接位于发射电极的下方，这可以以这种方式实现是因为对于经由电容式遥测的信号传输，磁场不对电场产生任何干扰，这进一步便于实现这种紧凑设计。放置发射线圈或永磁体(取决于实施例)的相同方式适用于模块4。

在这样的配置中，实现模块3的最小或尽可能小的尺寸是至关重要的。影响模块3的尺寸的参数如下：印刷电路板(pcb)上的电子电路的空间、用于从磁场收集能量的线圈的空间、以及用于经由差分电容性耦合传输信号的电极的空间。通过采用先前描述的概念，可以最小化印刷电路板上的电子电路的空间，这导致可以在紧凑印刷电路板上实现的电路的相对低的复杂性，并且在需要时可以在作为片上系统(soc)的专用集成电路(asic)中实现，前提是需要这种进一步的小型化。线圈尺寸由电路的功耗确定，并且通过由本发明提出的选择将电容性耦合而不是电感性耦合用于信号传输，可以实现显著更低的功耗。用于电容信号传输的电极的尺寸不像线圈的尺寸那样重要，并且即使使用小电极(例如，数十mm²或更大的量级)，也可以实现良好的结果。

图3示出了由本发明提出的模块3的第二安装模式，其中模块3被安装在旋转元件1的外周上，其中模块4位于旋转组件的外周附近。这种布置类似于图2所示的原理，并且利用最小的可能空间进行安装，从而使模块3和模块4彼此非常靠近。在图3的上部示出了侧视图，而在图3的下部示出了俯视图，其方式与图2所述的类似。

对于图2和图3所示的两种安装方案，模块3可以被放置或安装在旋转元件1的表面上，或者模块3可以被布置在机械元件1中的预定开口内。模块3在预定开口内的布置确保了模块3不会突出到元件1的表面之外。

在所提出的用于实现测量模块3的最小可能空间占用的发明构思中，需要以最小的系统复杂性，在测量模块3和固定模块4一者位于另一者直接上方时的非常短的时段内将足够量的能量从模块4传递到模块3，并且同时由模块4从模块3接收测量信息。例如，如果旋转元件1的转速是6000rpm(这是干式离合器的实际应用中预期的速度的近似上限)，以及如果装置被设计为占用模块3和模块4之间的圆形耦合接触轮廓的最大为1％的圆周来实现非常紧凑的安装，则模块3和4紧密接触的有效时间仅为100μs(因为在该转速下，一个完全旋转所需的时间为10ms)。在紧密接触时间段内，必须通过磁场耦合将足够量的能量脉冲从系统的固定部件4传递到旋转模块3，同时必须将有关由模块3测量的温度的信息传输到模块4。在这些条件下，模块3和4之间存在有效电场和磁场耦合的周期每10ms重复一次。根据转速和参与模块3和4之间的耦合接触轮廓的旋转元件圆周的百分比，这些持续时间可以是不同的，然而，上面给出了对于预期的最不利工作条件的粗略估计，在该最不利工作条件下，必须传输足够量的能量并实现有关测量温度的可靠信息脉冲传递。

所描述的其中系统必须可靠地工作并在模块3和4之间传递能量和信息的条件是非常具有挑战性的，特别是从能量传递的角度来看，并且，由于更高的能量要求，使用电感式遥测的传统方法通常需要在系统的初级侧和次级侧之间提供连续电感性耦合以传输电力，或者至少持续一个旋转周期期间的大部分时间。由于需要占用较小空间，因此必须在模块3中使用小线圈，并在模块4中使用小的永磁体或电磁铁作为磁场源18。考虑到在最不利的情况下，模块3紧挨着模块4的飞行时间大约是100μs，必须在这么短的时间段内以适当的方式从磁场中收集足够的能量，并且存储剩余的能量，直到这些模块下一次非常接近为止。为了满足模块3的正常操作，在一个旋转周期内传递的能量必须大于在此期间给模块3供电所花费的能量，这意味着必须使得模块3满足超低功耗的要求。还必须考虑在能量接收线圈9上产生的电压，因为给电路加电所需的电源电压越大，线圈绕组的匝数就必须越大。因此，本发明的目标之一还包括设计这样一种装置：该装置将以用于从磁场接收能量的线圈上的最低可能输出电压工作，以便能够使用具有最小尺寸的接收线圈9，即，具有最少可能的匝数。

测量模块3的示意性表示在图4中给出。rtd温度传感器2被连接到fm调制器6，该调制器用于将与温度相关的电阻直接变换为频率。fm调制器6的输出被路由到差分驱动电路7，差分驱动电路7产生差分电压输出以驱动用于差分电容信号传输的两个电极8。通过仔细选择电子元件和调制器的一系列频率，可以使所述测量链的功耗最小化，并且可以使其达到μw至mw的范围，这显著放松了实现具有小尺寸的紧凑型非接触式电力传输系统的要求。非接触式供电是基于用于收集能量的线圈9中的磁通量的变化，接收线圈9在旋转期间通过由固定模块4产生的磁场。接收线圈9的端子被连接到低功耗的高效率电源10，其用于将由接收线圈9收集的能量变换为用于给测量模块3的电路供电的dc电压。在一次旋转期间所收集的剩余能量被存储在电容器11中，电容器11在模块3和4不紧密接近的时间段期间提供电力。在图4的下部，示出了用于通过差分电容性耦合传输fm信号的电极8、以及用于从磁场收集能量的接收线圈9的机械布置的示例，其中可以看出接收线圈9可以与电极8一起被放置在同一空间中，因为能量的传递不会干扰数据传输。

电阻温度检测器(rtd)被用作温度传感器，通常使用纯材料(例如，铂、镍或铜)制造。rtd传感器适用于最高达600℃的典型温度范围的应用，它们比热电偶更容易使用，因为不需要冷端补偿。它们还呈现出非常好的测量特性，并且具有比ntc、ptc和集成半导体温度传感器更宽的温度范围。rtd温度传感器2被直接安装在干式离合器的旋转元件上的测量点中，该测量点的温度受到监视，rtd温度传感器2允许高精度的温度测量，优于非接触式温度测量方法。

电源10是本发明提出的技术方案的重要部件。电路10基于dc-dc变换器，该dc-dc变换器被优化为以低输入电压(在数十或数百毫伏或更多的范围内)工作，且可选地用于能量收集目的。以小电压工作允许接收线圈9的尺寸最小化，并且特殊功能能量收集dc-dc变换器的使用允许最小功耗、高效率和以非常低的能量水平工作。由于在线圈9的端子处，在非常短的时间段期间产生相对小的ac电压，因此这种电压不适于被直接连接到dc-dc变换器的输入。因此，重要的是在dc-dc变换器的输入部件中包括具有最小电压降和损耗(例如肖特基二极管)的整流电路(例如桥式整流器)，以便dc-dc变换器以接收线圈9端子处的最小输入电压工作。电源电路10工作所需的电压越小，线圈的匝数和尺寸就越小，即，接收线圈9的匝数和尺寸与所述电路10工作所需的电压有直接关系。

传统的电感式遥测实现方法需要相对较大的线圈来传输电力，因为需要通过具有相对高的磁阻和杂散电感(其由机械系统的金属部件引起)的气隙传输足够量的能量，并确保用于接收侧的电压调节器的相对高的电压，这在小线圈表面的情况下特别困难，在本发明提出的布置中，这些小线圈表面仅仅在非常短的时间段期间受到磁场的影响。

在能量接收线圈9的端子处感应的峰值电压非常小并且不足以用于所述实施例中的dc-dc变换器工作的情况下，由于接收线圈9的尺寸非常小，如图5所示，可以通过使用小型紧凑型变压器13(例如，在表面安装技术smt中)来增加dc-dc变换器12的输入中的整流器上的ac电压，而不会显著影响测量模块3的尺寸。以这种方式，可以将ac电压的幅度从数十毫伏或更多的量级增加到dc-dc变换器的适当操作所需的足够水平。

在使用未针对能量收集应用被优化并且以极低输入电压工作的dc-dc变换器，并且不需要接收线圈9的尺寸和匝数大幅增加时(例如，当dc-dc变换器的要求输入电压处于伏特量级时)，在接收线圈9的端子处感应的电压需要增加到dc-dc变换器的输入电压的相对高的值的情况下，可以应用图5所示的概念。有两种典型情况适合使用未优化为以非常小的输入电压并且在能量收集应用中工作的dc-dc变换器：即，在扩展温度范围内工作(例如环境温度最高达200℃)的情况，或者当需要达到最低系统价格时。在第一种情况下，可能出现组件可用性的问题，因为在扩展温度范围内产生的组件的数量非常有限，并且在市场上目前只有少数型号的dc-dc变换器可用于这种温度范围，当前还没有在扩展温度范围内针对能量收集应用而优化的任何部件。此外，针对能量收集应用而优化的dc-dc变换器比普通dc-dc变换器更昂贵，因此这种方法可以降低整体系统成本。

作为用于给旋转侧的模块3供电的初级侧的模块4中的磁场源，可以使用非时变或时变磁场的源。作为非时变磁场的源，可以使用永磁体或电磁体(没有磁芯或具有铁磁芯)，绕组直流电流通过该永磁体或电磁体流动。作为时变磁场来源，可以使用电磁体(没有铁芯，或具有铁磁芯或铁氧体磁芯)，绕组交流电流通过该电磁体流动。

在非时变磁场的情况下，通过能量收集接收线圈9的磁通量由于机械元件1的旋转而周期性地改变，所述磁通量变化在线圈端子处感应出用于为模块3电力供应提供能量的电压。这种布置实施起来简单且便宜，并且在使用永磁体的情况下，不需要在固定侧模块4中进行有源磁场激励。作为通过接收线圈9的磁通量变化的结果而获得的能量脉冲由电源电路10收集，并且可以被存储在能量存储元件11(例如，超级电容器或普通电容器)中。考虑到在一次通过中收集的能量非常少，需要使接收线圈9通过磁场一定次数，以便在电源电路10的输出上实现标称电源电压。从磁场收集的能量被存储在电容器11中，电容器11用作超低功率电路的电源，在模块3和4不紧密接近时(即，不相互耦合时)的期间提供所需的电源电压。通过非时变磁场为模块3供电的方法的优点在于实现的简便性、可靠性和鲁棒性，因为可以通过使用强永磁体(例如钕磁体)来实现足够强的磁场，这提高了系统的整体可靠性(因为不需要在固定侧具有用于产生磁场的额外电子电路)，并且因为它降低了固定侧的功耗。

作为固定模块4中的时变磁场源，可以使用绕组交流电流流过的电磁体。可以通过使用铁氧体磁芯增加初级和次级线圈之间的磁耦合系数，当使用激励电路中的较高频率时，铁氧体磁芯是比铁磁(铁)磁芯更好的选择。将交变磁场用于为系统旋转侧的模块3供电具有数个优点：即，接收线圈9的区域内的磁通量变化独立于旋转而实现，可以实现显著更大的磁通量变化并因此实现更高的感应电压，使得用于谐振中的能量传递的初级和次级绕组(线圈)可以最大化传递到旋转模块的能量的量，以获得足够高的激励频率(即，初级线圈中的励磁电流的周期比模块3和4彼此靠近期间的飞行时间短得多)，可以有效地使用次级侧的变压器13以增加dc-dc变换器的输入电压，无论一次旋转期间电感性耦合的占空比如何，可以选择磁激励的频率以便不干扰fm调制器用于测量温度信息的遥测传输的频率等。用于通过电感性耦合为模块3供电的交变磁场激励的缺点是在模块4中需要额外的电路来驱动励磁线圈，这增加了系统的成本，并且因为方案的复杂性增加而降低了整体可靠性。

图6示出了系统固定侧的电子模块4的示意性概念。模块4包括用于借助于差分电容性耦合而进行信号接收的电极对14、用于模拟处理来自接收电极的信号的电子电路，即信号接收电路15(例如差分放大器)、用于进一步对测量信号进行模拟和数字处理的电路16、用于通过一个或多个模拟和/或数字通信接口将关于测量温度的信息发送到外部系统的电路17、以及用于为模块3供电的磁场源18，磁场源18可以通过使用利用dc或ac激励的永磁体或电磁体来实现。

通过发射模块3上的电极对8与固定模块4上的电极对14之间的差分电容性耦合，从发射模块发送包含关于温度的信息的调频信号。电极8和14的相对布置必须使得当模块3在机械元件1的旋转期间通过模块4附近时，每个电极大致越过相对侧的相应电极。

电极对8和14的优选布置的示例在图7中示出。图7的上部示出了安装在旋转元件1上并且具有两个电极8的模块3在所述模块3经过安装在机械系统5的固定部件上的固定模块4的时刻的横截面视图，其中电极对8和14在该短时间段期间紧密接近地重叠，即处于相对于彼此相互平行的位置。图7的下部示出了系统的一部分的俯视图，其中电极对8的几何形状的示例被可视化，其中电极对14遵循相同的布置(由于该图中的部件重叠，在图7的下部中未示出固定模块4)。在模块3位于模块4的直接上方的时间段期间，在其紧密接近(对于高转速，可以持续数十到数百微秒或更长时间)的情况下，在所述电极对之间形成电容性耦合，可以通过图7所示的电容c11、c12、c21和c22对其进行建模。电容c11和c22对于信号传输很重要，因为它们形成了一路径，通过该路径，来自模块3的电极8的差分信号通过所述连接电容c11和c22而被发送到模块4上的相应电极14，所述传输导致在电极14上产生差分电压，所述差分电压遵循电极8上的差分驱动信号的波形。电极14上的差分电压表示接收的有用信号，该信号根据取决于电容信号传输信道特性的因子而衰减。通过电容c12和c21的不想要的寄生耦合引起干扰，该干扰比这种配置中的有用信号小得多，因为对于所提出的电极几何形状，有用电容c11和c22显著大于寄生电容c12和c21。在电极对14上接收的差分电压由信号接收电路15(图6所示)处理，该电路可以通过使用差分放大器来实现，以便在进一步处理之前最大程度上放大接收信号的有用差分分量，并提供不想要的共模干扰信号的高共模抑制比。这种接收信号的传输和处理方法固有地最小化了可能存在于接收电极对14上的共模干扰电压的影响，该干扰电压例如由相对远的干扰源引起。应该强调的是，差分电容信号传输在旋转机械组件应用中的额外优点在于，发射和接收电子模块不必参考相同的参考电位(电路的接地)，因为系统的旋转机械元件1与固定部件5之间的电连接可能较差，无论系统的旋转元件和固定侧通常都是由金属制成(例如轴承的接触电阻、润滑剂的影响等)。所描述的特征和优点不能通过简单的非对称电容性耦合实现(其中通过电容性耦合链路的信号不被视为差分信号)来实现。

在信号接收电路15中执行基本模拟处理之后，接收和放大的原始信号被发送到电路16，以进一步处理测量信号。所述电路16确定接收信号的频率，将所述频率变换为关于温度的信息，并通过电路17发送该信息，以便以模拟或数字形式与外部系统通信。通常，用于处理测量信号和信息的电路16通过使用微控制器或数字信号处理器(dsp)来实现，该微控制器或数字信号处理器可被用于测量接收信号的频率并通过电路17将信息发送到外部系统，具体取决于系统被用于的应用。

为了确定用于从磁场收集能量的接收线圈9在模块3中的最佳位置，由于磁场线如何闭合的重要性，有必要考虑其相对于机械系统的固定部件5上的模块4中的磁场18的源的放置。图8示出了所提出的接收线圈9相对于磁场源18的优选放置模式。图8中的示例针对使用永磁体作为非时变磁场18的源的情况示出，但是相同的考虑也适用于使用电磁体和时变磁场的情况，因为对于这两种情况，最重要的是磁场线如何闭合。图8示出了在旋转期间，当模块3和4紧密接近且位于相互平行的位置时的系统横截面视图，其中两个模块之间的磁耦合最强。磁场源18的垂直轴非常靠近线圈环9的内侧而经过，以便进入由线圈环界定的区域的磁场线靠近它的外侧，因为如果不满足此条件，则通过线圈环路区域的磁通量可以部分或完全地被抵消，在这种情况下感应电压将非常低。最佳地定位相对于接收线圈9的磁场源18的确切位置取决于实现方式，但重要的是确保磁场线不会通过由接收线圈9的环路界定的区域闭合，或者确保出于相同的原因，磁场线不会完全地延伸到由所述环路界定的区域之外。图8还示出了电容电极对8和14相对于接收线圈9和磁场源18的放置。可以注意到，电极8和14可以与接收线圈9和磁场源18被放置在同一空间中，因为用于能量和信号传输的子系统不会相互干扰，这对于实现紧凑系统实现和节省空间设计很重要。

在某些应用中，有必要测量多于一个测试点中的温度。前面描述的本发明的实施例(其中电阻温度传感器调制fm调制器的频率，该频率借助差分电容性耦合而被传输到系统的固定侧)不能被直接应用于多信道情况，因为所描述的方法调制和传输对应于仅一个温度传感器的仅一个频率。在其中需要测量多个测试点中的温度的所描述的概念的概括的情况下，测量模块3的尺寸没有显著变化，如下面将描述的。

图9示出了用于多信道温度测量的修改后的测量模块3，其表示图4中针对单信道情况描述的概念的扩展。一个或多个温度传感器2被各自连接到单独的fm调制器6，其中与信道1-n相关联的每个单独的调制器6被分配单独的中心参考频率f1-n。选择针对每个信道1-n的每个中心参考频率f1-n，使得由于整个温度测量范围的温度变化，测量信道相对于指定信道中心频率的最大频率偏差不会导致相邻测量信道之间的重叠。来自每个调制器6的输出被连接到多路复用器19的输入，而被连接到多路复用器19的定时电路20在时隙tk期间选择信道1-n中的一个，该信道的fm调制信号被转发到输出驱动电路7，该输出驱动电路7控制被施加到电极8的电压以实现差分电容性耦合信号传输。所描述的布置实现时域多路复用，其中在由定时电路20定义的时隙tk期间，针对从温度传感器1-n2获得的温度读数发送对应于每个信道1-n的频率。该方法实现了在任何时刻，使用借助调制电场用于传输信息的介质来一次仅发送有关一个测量信道的信息，之后依次连续地发送有关其它信道的读数的测量信息，其中在每个时隙tk期间，接收器4可以确定哪个信道1-n与给定时隙相关联，这是因为与每个信道1-n相关的中心参考频率1-n是已知的，而且，每个信道1-n相对于中心参考频率1-n的最大频率偏差也是已知的。多路复用器19可以被实现为模拟或数字电路，因为fm调制信号可以通过这两种类型的多路复用器。定时电路20可以通过简单的数字电路(通过使用例如非稳态多谐振荡器、计数器、逻辑门等)来实现，并且在连续计数模式中实现非常低的功耗。模块3的其它部件与图4中描述的单信道变体中的相同。

关于图9所示的模块3的多信道实现的略微不同的替代概念可以以用于每个测量信道的温度传感器2被直接连接到多路复用器19的输入的方式实现，而不是将它们连接到单独的调制器6，并且多路复用器19的单个输出仅被连接到一个调制器6。在这种情况下，必须使用模拟多路复用器，并且从模拟多路复用器的输出看去，它必须最小地影响rtd温度传感器2的电阻，前提是多路复用器开关的串联电阻与传感器本身的电阻相比足够小。在这种配置中，仅单个调制器6可以被连接在模拟多路复用器19的输出与差分信号驱动电路7的输入之间。模拟多路复用器19由定时电路20控制，定时电路20周期性地经由小电阻将每个信道1-n的rtd传感器2切换到调制器6的输入，这导致每个时刻的等效电路，如针对图4所示的单信道变体的情况所示。所描述的替代实施方式的优点是单个调制器6的使用可以节省pcb上的空间，而缺点是由于信道切换而在调制器电路中出现瞬变，因为在将具有不同电阻值的新rtd传感器切换到调制器的输入之后(其中传感器电阻对应于测量温度)，需要一定的时间使调制器输出的频率变得稳定并且在精度限制内。这些瞬变的影响可以使接收模块4处的测量值的解译和重建更加困难，而图9所示的最初提出的概念不会受到这些与瞬变相关的问题的影响，因为每个单独的调制器6的输出对于每个测量信道是稳定的，并且已经稳定的频率输出的多路复用器19中的快速且几乎是瞬时的信道切换的效果对接收侧的信号重建具有可忽略的负面影响。如果通过使用分立的电子元件实现多个调制器6，则它们可能占据印刷电路板上的相当大区域，但是如果需要印刷电路板上的额外的空间节省，它们原则上可以在单个专用集成电路(as)上实现。

图10示出了根据图9所示的用于多信道温度测量的模块3的概念，利用频率调制信号的时域多路复用的信号波形。

图10的上部示出了用于四个信道1-4的样本情况的fm信号的时域多路复用的示例。定时电路20定义时间片tk的持续时间，在此期间多路复用器19选择信道1-4，测量信息从该信道被发送到固定模块4。在时隙tk的持续时间内，频率近似恒定并且其值在针对每个信道1-4定义的非重叠频率范围内。在接收侧，频率1-4的瞬时测量结果识别出信道1-4(因为每个信道的非重叠频率范围是已知的)，并给出给定信道1-4的测量温度的精确值。在定时电路20经由多路复用器19选择来自下一信道1-4调制器6的输出的时刻，新频率f1-4立即出现在差分驱动器7的输出上，并且所述频率的信号被发送到固定模块4以用于处理和解码。在图10中，可以看出信号是被连续发送的，并且定时电路20控制信道之间的切换发生的时刻。

图10的下部示例出用于多信道温度测量的时域多路复用fm信号的参数的含义，其中tk表示被分配给每个信道1-4的时间片的持续时间，tmj表示时段(时间窗口)，在此期间，在当模块3和4处于紧密接近并且当它们之间存在电容性耦合时的旋转周期的一部分中，接收模块4正接收有用信号。图10中的时序图示出了四信道温度测量的示例，其中与信道1-4相关的频率f1-4在持续时间tk的时间片中被发送。旋转机械元件1的一次完整旋转所需的时间由tp表示，在模块3和4彼此非常靠近时，它们之间存在电容性耦合的时间由tmj表示。接收器4从测量模块3接收信息的时间窗口tmj由图10中的虚线矩形表示。在高转速下，周期tp可以是约10ms的量级，并且时间tmj是约100μs的量级。接收器4测量频率的时间窗口tmj与发送模块3上的信道切换时刻不同步。在图10下部中的第一时间窗口tmj中，接收模块4将测量频率f1和f2。接收模块4的任务是借助于信号处理推断出关于来自信道1和信道2的温度的信息在第一时间窗口tmj中与这两个频率相关，并进一步根据测量的频率f1和f2计算测量的温度的值。在所示示例中的下一时间窗口tmj(其将在时间段tp之后的机械元件1的一次完整旋转之后发生)中，接收器将测量频率f3并且通过信号处理得出信道3与测量的频率f3相关联的结论。在所示的示例中，在机械元件1的一次旋转期间，接收器将错过关于频率f4的信息。然而，在若干次旋转的时间期间，接收器很可能接收到来自所有信道的频率，并且时间窗口tmj将在这样的时刻发生：即，在数秒钟内，至少一次接收到来自每个测量信道1-4的信息。考虑到实际应用中相对较高的转速(每分钟数百到数千转)，很明显，在数秒钟的时间范围内，每个测量信道1-4的频率不太可能不会被接收到至少一次。这种不太可能的情况仅在机械元件1的转速与模块3中的时域多路复用中的信道切换周期完全匹配、接收模块4开始测量频率的时刻与机械元件1的旋转完全同步、以及接收模块4中频率测量的开始始终对准而每次测量同一信道1-4的条件下才会发生。通过在定时电路20中引入随机性(例如通过生成伪随机数字序列，该序列可用于随机化信道1-4切换的顺序，或随机化与信道1-4相关联的频率1-4的传输的时隙tk的持续时间)，可以进一步最小化这种不太可能的情况的概率。与通常需要在不损失信息的情况下传输每个测量的信号样本的传统遥测系统不同，在本发明的目标应用中，每隔数秒获得至少一次温度读数就足够了，因为在目标应用中，考虑到与其温度被监视的物体的大热容相关的相对长的时间常数，温度是相对缓慢变化的量。应当注意，在转速相对较低的情况下，可以在单个时间窗口tmj期间测量所有信道1-4的所有频率1-4，并且图10所示的情况表示最坏情况的示例。接收模块4处的信号处理算法必须提供用于估计其中接收的信号频率近似恒定的时间窗口、准确地测量所识别的恒定频率时间窗口中的频率、推导出测量的频率1-4属于哪个信道1-4、并基于测量的频率1-4计算出与信道1-4相关的测试点1-4中的温度的手段。

图11示出了用于多信道温度测量的修改后的测量模块3，其表示图4中针对单信道情况所述的概念的扩展，其使用fm调制信号的频域多路复用，与图9所示的先前描述的使用fm调制信号的时域多路复用的实施例形成对比。图11所示的多信道系统的概念类似于图9所示的概念，但是测量信号多路复用的方法不同。每个温度传感器1-n2被连接到单独的fm调制器1-n6，并且每个信道1-n的调制器6被分配一个单独的中心参考频率，以便频率1-n相对于指定信道中心的最大频率偏差(其由整个温度测量范围内的温度变化引起)不会引起相邻测量信道1-n频率1-n之间的重叠，如针对图9所示的概念描述的。在该实施例中，所有调制器1-n6的输出被连接到模拟求和电路21的输入，该求和电路根据在每个测试点1-n处测量的温度1-n，对具有相应频率1-n的每个信道1-n的贡献进行求和。模拟求和电路21的输出包含与所有信道1-n的贡献对应的所有频率分量1-n，这些频率分量被组合成被连续发送的一个信号。为了借助差分电容性耦合有效地传输这种模拟信号，考虑到信号波形和多频率内容，优选通过使用单端到差分模拟变换器7来调节信号，并将变换器的输出连接到发射电极对8。在这种情况下，所发送的信号的波形同时包括所有测量信道1-n的所有频率分量1-n。所描述的方法实现频域多路复用，因为每个测量信道1-n的贡献通过频率分量而被编码，该频率分量可以通过接收模块4中的信号处理而被提取。如针对图9中的配置描述的时域多路复用的情况中那样，有必要确保相邻信道1-n的频率在整个温度测量范围内对于最大温度变化不重叠。模块3的其它部件与图4中描述的单测量信道实施例相同。

接收模块4接收和处理从图11所示的模块3发送的信号。可以通过使用数字信号处理方法(例如快速傅里叶变换(fft))来提取对应于与温度1-n的测量相关联的每个信道1-n的频率，并且根据测量的频率1-n确定在每个测量点1-n处测量的温度。数字信号处理的另一种可能性是使所接收的信号通过一系列数字带通滤波器，这些带通滤波器被调谐到用于测量温度1-n的信道1-n的频带，然后使用主频提取算法确定每个信道1-n的温度。还可以通过数字信号处理技术，使用其它方法来检测和提取频率。与图9所示的时域多路复用方法相比，图11中示出的实施例的优点是：测量模块3中的电路实现可能更简单一点，并且避免了针对每个信道1-n及其在数次旋转的时间期间的提取发送单独时间片的必要性，因为当模块3和4紧密接近时，时间tmj非常短。这种方法的缺点是对用于处理在模块4中的测量信号的电路16的处理能力有更高的要求，因为算法通常需要使用更强大的微控制器、数字信号处理器(dsp)或可编程逻辑(例如fpga)而不是简单的微控制器，这可能影响系统固定侧的模块4的价格和功耗。

本发明描述了一种用于对干式离合器的旋转组件测量温度或其它物理量的装置。该装置提供用于高度准确地测量旋转机械组件上的一个或多个测试点中的温度的装置，其中通过测量系统的旋转部件与固定部件之间的近电场耦合实现测量信息的非接触式传输。系统旋转侧的测量模块允许通过使用电阻传感器测量干式离合器旋转元件的高工作温度，测量模块具有对干式离合器旋转部件的结构和平衡的影响可忽略的尺寸。通过提供具有超低功耗的电子电路实现的概念来实现测量模块的最小空间占用和质量，使得能够显著小型化用于非接触式电力传输子系统的元件，特别是用于从磁场收集能量的接收线圈。通过使用以下项来实现超低功耗：即，电阻式温度传感器、低功率调制器、差分电容信号传输，以及允许在用于从磁场收集能量的接收线圈中感应的非常低的输入电压下工作的电源。

已经针对涉及对干式摩擦离合器的旋转元件的温度测量的应用的优选实施例提出和描述了本发明，然而，可以在本发明的精神和范围内衍生出各种修改。