旋轉(zhuǎn)機(jī)械無(wú)線監(jiān)測(cè)中的多普勒效應(yīng)

王 楠， 孟慶豐

(1.陜西理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 漢中， 723001)(2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 西安， 710049)

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旋轉(zhuǎn)機(jī)械無(wú)線監(jiān)測(cè)中的多普勒效應(yīng)

王 楠1,2， 孟慶豐2

(1.陜西理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 漢中， 723001)(2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 西安， 710049)

由于應(yīng)用無(wú)線通信技術(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，無(wú)線設(shè)備安裝在轉(zhuǎn)軸上隨軸高速旋轉(zhuǎn)，無(wú)線設(shè)備之間的相對(duì)位置發(fā)生變化，因此會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，影響無(wú)線通信。針對(duì)這一問題，首先，提出了兩種無(wú)線設(shè)備安裝方式；然后，建立了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中無(wú)線設(shè)備的多普勒頻移理論模型，并分析了影響無(wú)線通信的因素；最后，對(duì)水潤(rùn)滑軸承水膜壓力進(jìn)行無(wú)線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，引入誤碼率和丟包率研究了其與軸轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，并對(duì)多普勒頻移理論模型進(jìn)行驗(yàn)證。理論與試驗(yàn)分析結(jié)果表明：多普勒頻移與無(wú)線設(shè)備擺動(dòng)圓直徑、軸轉(zhuǎn)速以及電磁波入射角密切相關(guān)，尤以轉(zhuǎn)速影響為甚；在433 MHz通信頻率下，無(wú)線監(jiān)測(cè)方法不能很好地用于轉(zhuǎn)速接近或超過(guò)10kr/min的旋轉(zhuǎn)機(jī)械；轉(zhuǎn)速對(duì)丟包率的影響大于誤碼率，丟包率為誤碼率的2～3倍。

旋轉(zhuǎn)機(jī)械； 狀態(tài)監(jiān)測(cè)； 無(wú)線設(shè)備； 多普勒效應(yīng)

引 言

傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法采用的有線傳輸方式存在以下問題：a. 需要布置大量線纜、開關(guān)等設(shè)備，不易操作；b. 若工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，則線纜和開關(guān)等存在安全隱患；c. 有些工業(yè)環(huán)境禁止/限制使用線纜或難以使用線纜，某些高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備無(wú)法通過(guò)線纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；d. 使用集流環(huán)作為信息傳輸媒介，在集流環(huán)定子與轉(zhuǎn)子之間的高速摩擦將產(chǎn)生較大的發(fā)熱和噪聲，易導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)漂移、測(cè)量參數(shù)出現(xiàn)誤差；e. 集流環(huán)電刷觸頭的磨損及由此引發(fā)其接觸電阻變化在信號(hào)傳輸過(guò)程中造成信息誤碼，影響測(cè)量精度；f. 模擬信號(hào)在線纜中長(zhǎng)距離傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生衰減且易受干擾。為了解決有線傳輸方式在旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中存在的問題，采用近年來(lái)發(fā)展較為成熟的無(wú)線通信技術(shù)是最佳方案。無(wú)線傳輸方式具有無(wú)需復(fù)雜布線、成本低和面向具體應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，且應(yīng)用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸可避免模擬信號(hào)在線纜中長(zhǎng)距離傳輸時(shí)的衰減，提高了精度，使無(wú)線通信在機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)日益凸顯。

應(yīng)用無(wú)線通信技術(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，無(wú)線采集發(fā)射設(shè)備一般安裝在轉(zhuǎn)軸上隨軸高速旋轉(zhuǎn)，無(wú)線接收設(shè)備設(shè)置在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)外部。因此，整個(gè)無(wú)線傳輸過(guò)程是動(dòng)態(tài)的，無(wú)線設(shè)備之間的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致信號(hào)無(wú)線發(fā)射頻率與接收頻率不一致，產(chǎn)生多普勒效應(yīng)[1]，影響無(wú)線通信質(zhì)量。由多普勒效應(yīng)引起的頻率偏差，即多普勒頻移是通信方面重要的研究課題。目前，對(duì)移動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(mobile wireless sensor networks，簡(jiǎn)稱MWSN)中的多普勒效應(yīng)研究較多[1-6]，大部分研究是為了適應(yīng)快速變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而對(duì)路由協(xié)議優(yōu)化進(jìn)行[2-3]，還有目標(biāo)追蹤[4]、節(jié)點(diǎn)定位[5]或時(shí)間同步機(jī)制[6]等研究，但關(guān)于節(jié)點(diǎn)高速運(yùn)動(dòng)對(duì)信號(hào)無(wú)線傳輸?shù)挠绊懷芯枯^少。

筆者對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械無(wú)線監(jiān)測(cè)中的多普勒效應(yīng)進(jìn)行研究，在分析兩種無(wú)線采集發(fā)射設(shè)備安裝方式的基礎(chǔ)上，建立了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中無(wú)線設(shè)備的多普勒頻移理論模型，通過(guò)仿真分析了影響無(wú)線通信的因素。通過(guò)對(duì)水潤(rùn)滑軸承水膜壓力無(wú)線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程與結(jié)果進(jìn)行分析，研究了誤碼率、丟包率與軸轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，對(duì)多普勒頻移理論模型進(jìn)行驗(yàn)證，并以此對(duì)無(wú)線設(shè)備性能進(jìn)行評(píng)估。最后給出了改善多普勒效應(yīng)影響的相關(guān)措施。

1 問題描述

旋轉(zhuǎn)機(jī)械的無(wú)線監(jiān)測(cè)方法中，無(wú)線采集發(fā)射設(shè)備安裝有兩種方式：a. 安裝在轉(zhuǎn)軸上，如圖1(a)所示；b. 安裝在轉(zhuǎn)軸尾端(與軸同心安裝)，如圖1(b)所示。無(wú)線接收裝置安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子系統(tǒng)外部，位置固定。這兩種安裝方式均需要注意機(jī)械設(shè)備的對(duì)中及平衡問題。在理想情況下，軸旋轉(zhuǎn)時(shí)采用圖1(a)的安裝方式，無(wú)線采集發(fā)射設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡為以軸徑為直徑的圓，因此與無(wú)線接收設(shè)備之間是有相對(duì)位置偏移的。圖1(b)的安裝方式看似無(wú)線設(shè)備之間不存在相對(duì)位置變化，但實(shí)際上由于設(shè)備制造、安裝、調(diào)試以及人為誤差的原因，不可能做到完全對(duì)中與平衡；無(wú)線采集發(fā)射設(shè)備會(huì)以一個(gè)微小直徑的圓軌跡進(jìn)行擺動(dòng)，因此與無(wú)線接收設(shè)備之間依然有相對(duì)位置偏移。由于無(wú)線設(shè)備之間存在這種相對(duì)位置變化而產(chǎn)生了多普勒效應(yīng)，從而導(dǎo)致信號(hào)無(wú)線發(fā)送頻率與接收頻率不一致，影響無(wú)線設(shè)備通信中的數(shù)據(jù)與命令傳輸。

圖1 無(wú)線設(shè)備安裝示意圖Fig.1 Installation sketch map of wireless equipments

2 多普勒頻移理論模型

2.1 模型建立

筆者研究的多普勒效應(yīng)是指在無(wú)線通信中，無(wú)線設(shè)備之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，無(wú)線接收設(shè)備接收信息的頻率與發(fā)射設(shè)備發(fā)射信息的頻率不同的現(xiàn)象，收發(fā)頻率之差稱為多普勒頻移。多普勒效應(yīng)可以在理論上解釋無(wú)線設(shè)備在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)誤碼、丟包現(xiàn)象以及其影響因素。

由圖1可知，在兩種無(wú)線設(shè)備安裝方式下，無(wú)線設(shè)備之間會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位置變化，無(wú)線采集發(fā)射設(shè)備以圓軌跡運(yùn)動(dòng)。建立的無(wú)線設(shè)備旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)多普勒頻移理論模型如圖2所示。圖2中，D為無(wú)線設(shè)備擺動(dòng)圓直徑 (m)；v為軸轉(zhuǎn)速(單位r/min，順時(shí)針旋轉(zhuǎn))；x, y為無(wú)線采集發(fā)射設(shè)備在不同時(shí)刻T1, T2的兩個(gè)位置; θ1, θ2為對(duì)應(yīng)于兩個(gè)時(shí)刻T1, T2的電磁波入射角；ΔL為電磁波路徑差。無(wú)線采集發(fā)射設(shè)備A隨軸以速度v順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，T2時(shí)刻在y位置，T1時(shí)刻在x位置，在時(shí)間間隔Δt(Δt= T1-T2，單位min)內(nèi)無(wú)線采集發(fā)射設(shè)備向無(wú)線接收設(shè)備B發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)無(wú)線設(shè)備之間有一定距離且運(yùn)動(dòng)間隔距離d較小時(shí)，可以認(rèn)為電磁波入射角θ1=θ2=θ，根據(jù)式(1)求出電磁波路徑差ΔL。

圖2 多普勒頻移理論模型Fig.2 Theory model of doppler frequency shift ΔL=dcosθ=Dsin(10 800vΔt)cosθ

(1)

由路徑差造成的接收信號(hào)的相位變化值為

(2)

其中：λ為電磁波波長(zhǎng)。

電磁波波長(zhǎng)λ為

(3)

其中：c為電磁波速度，3×108m/s；f為電磁波頻率(即無(wú)線設(shè)備通信頻率，433 MHz)。

由式(2)求得多普勒頻移fd為

(4)

其中：fmax為最大多普勒頻移；vd為無(wú)線設(shè)備相對(duì)轉(zhuǎn)速。

2.2 影響因素分析

由式(4)可知，多普勒頻移fd由無(wú)線設(shè)備擺動(dòng)圓直徑D、軸轉(zhuǎn)速v以及電磁波入射角θ所確定。理想情況下，D不變，θ變化微小(cosθ≈1)，fd主要與軸轉(zhuǎn)速v有關(guān)，轉(zhuǎn)速越大，頻移越大，相應(yīng)的無(wú)線設(shè)備收發(fā)信息頻率差距增大。軸轉(zhuǎn)速v由式(5)確定，對(duì)式(5)進(jìn)行變換得到轉(zhuǎn)速v的變化范圍如式(6)所示。

0≤sin(10 800vΔt)≤1

(5)

(6)

由式(6)可知，軸轉(zhuǎn)速v是有上限的。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)制造時(shí)或者在工程應(yīng)用中，均有額定轉(zhuǎn)速限制，因此軸轉(zhuǎn)速變化有一定范圍。由式(3)可得λ≈0.69 m，不失一般性，假定時(shí)間間隔Δt變化范圍為0.000 1～0.5 min，擺動(dòng)圓直徑D的變化范圍為(0.1～200)×10-3m。擺動(dòng)圓直徑D>20×10-3m時(shí)，對(duì)應(yīng)圖1(a)無(wú)線設(shè)備安裝方式，擺動(dòng)圓直徑近似為軸徑，電磁波入射角cosθ=0.98。基于以上參數(shù)，對(duì)軸系運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)周期內(nèi)(即軸轉(zhuǎn)一圈，vΔt≤1) fd與v之間的變化關(guān)系進(jìn)行仿真，如圖3所示。

圖3 多普勒頻移隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系Fig.3 Relationships between Doppler frequency shift and rotating speed

由圖3看出，多普勒頻移fd隨著軸轉(zhuǎn)速v的增大而增大，轉(zhuǎn)速越高，多普勒頻移變化越大。由圖3(a)可知，軸轉(zhuǎn)速在0～8kr/min時(shí)，多普勒頻移變化范圍為0～2Hz；軸轉(zhuǎn)速在8 000～9 500 r/min時(shí)，多普勒頻移變化范圍為3～10 Hz。由圖3(b)可知，當(dāng)軸轉(zhuǎn)速超過(guò)9.5kr/min，特別是在9.5～10kr/min之間，多普勒頻移快速增大，超過(guò)50 Hz，最高可達(dá)300 Hz。可見，多普勒頻移受轉(zhuǎn)速的影響主要表現(xiàn)在軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況，當(dāng)軸轉(zhuǎn)速v≤8kr/min時(shí)，軸轉(zhuǎn)速對(duì)多普勒頻移的影響較小。另外，圖2中的點(diǎn)劃線與擺動(dòng)圓交于兩點(diǎn)，表示無(wú)線采集發(fā)射設(shè)備距離無(wú)線接收設(shè)備的近點(diǎn)N與遠(yuǎn)點(diǎn)F。如果無(wú)線采集發(fā)射設(shè)備朝著電磁波入射方向運(yùn)動(dòng)，即離無(wú)線接收設(shè)備距離越近(從F點(diǎn)開始，沿著上半圓周運(yùn)動(dòng)到N點(diǎn))。由式(4)可知，fd逐漸減小，接收頻率上升；反之，如果無(wú)線采集發(fā)射設(shè)備背離電磁波入射方向運(yùn)動(dòng)，即離無(wú)線接收設(shè)備距離越遠(yuǎn)(從N點(diǎn)開始，沿著下半圓周運(yùn)動(dòng)到F點(diǎn))，則fd逐漸增大，接收頻率下降。這說(shuō)明無(wú)線設(shè)備之間的相對(duì)位置與運(yùn)動(dòng)方向也影響無(wú)線通信質(zhì)量，而這正是多普勒效應(yīng)的內(nèi)涵所在。

需注意的是，實(shí)際應(yīng)用中無(wú)線設(shè)備擺動(dòng)圓直徑對(duì)多普勒頻移的影響主要與無(wú)線設(shè)備安裝方式有關(guān)。由式(4)可知，其他參數(shù)不變時(shí)，多普勒頻移與擺動(dòng)圓直徑成正比關(guān)系。根據(jù)仿真參數(shù)的假設(shè)，如果擺動(dòng)圓直徑大于20×10-3m，無(wú)線設(shè)備采用的應(yīng)是圖1(a)的安裝方式(此時(shí)擺動(dòng)圓直徑近似為軸徑)，但由于多普勒頻移與擺動(dòng)圓直徑成正比，軸徑越大，影響越大。因此，在試驗(yàn)條件允許的情況下，應(yīng)盡量采用圖1(b)的無(wú)線設(shè)備安裝方式，減小擺動(dòng)圓直徑對(duì)多普勒頻移帶來(lái)的影響。

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

圖4 水潤(rùn)滑軸承試驗(yàn)臺(tái)Fig.4 Test rig of water-lubricated bearing

通過(guò)在水潤(rùn)滑軸承試驗(yàn)臺(tái)[7-8]上對(duì)水膜壓力的無(wú)線采集與傳輸試驗(yàn)，驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)機(jī)械無(wú)線監(jiān)測(cè)中的多普勒頻移理論模型以及對(duì)無(wú)線設(shè)備性能進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)采用誤碼率(bit error rate，簡(jiǎn)稱BER)和丟包率(packet loss rate，簡(jiǎn)稱PLR)。誤碼率和丟包率是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)傳輸精確性和準(zhǔn)確性的指標(biāo)，表示數(shù)據(jù)通信質(zhì)量。水潤(rùn)滑軸承試驗(yàn)臺(tái)如圖4所示，由圖可知，無(wú)線采集發(fā)射設(shè)備安裝采用圖1(b)方式。試驗(yàn)對(duì)象為八縱向溝槽平面橡膠軸承，應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，簡(jiǎn)稱WSNs)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)對(duì)橡膠軸承徑向截面全周連續(xù)水膜壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。水膜壓力無(wú)線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)之前，已經(jīng)對(duì)整個(gè)軸系進(jìn)行對(duì)中和平衡調(diào)整，但試驗(yàn)過(guò)程中還是發(fā)現(xiàn)無(wú)線采集發(fā)射設(shè)備存在小幅圓周擺動(dòng)，即無(wú)線設(shè)備之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，存在多普勒效應(yīng)。試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，沒有電磁干擾。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：無(wú)線設(shè)備通信頻率為433 MHz；軸轉(zhuǎn)速v為0～1kr/min；四通道同時(shí)采樣；采樣頻率為1 024 Hz；采樣點(diǎn)數(shù)為256；每個(gè)通道每次發(fā)送4個(gè)數(shù)據(jù)(1個(gè)數(shù)據(jù)包)，每個(gè)數(shù)據(jù)2個(gè)字節(jié)，共8個(gè)字節(jié)。因此，無(wú)線設(shè)備每個(gè)通道在一個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)發(fā)送的總字節(jié)數(shù)是固定的，即512個(gè)字節(jié)，發(fā)送的總數(shù)據(jù)包為64。誤碼率和丟包率的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)是針對(duì)兩次試驗(yàn)周期進(jìn)行的，即對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)取平均值。無(wú)線設(shè)備之間的距離為3 m，無(wú)線接收設(shè)備距離地面0.5 m，軸徑為100 mm。無(wú)線設(shè)備的擺動(dòng)圓直徑D隨載荷的增大而減小，經(jīng)過(guò)測(cè)試其變化范圍為(0.04～0.5)×10-3m。當(dāng)無(wú)線采集發(fā)射設(shè)備分別運(yùn)動(dòng)到擺動(dòng)圓頂部與底部位置時(shí)，電磁波入射角θ將達(dá)到兩個(gè)極限值，即當(dāng)D=0.5×10-3m時(shí)，電磁波入射角將有兩個(gè)變化范圍，θ分別為0～3.33×10-5(o)，0～2.22×10-5(o)。可見，θ變化非常微小，cosθ≈1。

3.1 誤碼率與軸轉(zhuǎn)速關(guān)系

誤碼率定義為無(wú)線傳輸中無(wú)線設(shè)備接收到的錯(cuò)誤比特?cái)?shù)與發(fā)送總比特?cái)?shù)的百分比，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(7)

其中：Be為錯(cuò)誤比特?cái)?shù)；Bs為無(wú)線設(shè)備發(fā)送總比特?cái)?shù)。

試驗(yàn)中，在每個(gè)轉(zhuǎn)速v下都會(huì)對(duì)每個(gè)通道接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，誤碼率統(tǒng)計(jì)如表1所示，表中誤碼率的計(jì)算取4個(gè)通道的平均值。圖5為誤碼率隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系圖。由表1與圖5可以看出，轉(zhuǎn)速對(duì)無(wú)線設(shè)備的誤碼率是有影響的，軸轉(zhuǎn)速?gòu)?40 r/min開始，每個(gè)通道接收到的錯(cuò)誤字節(jié)數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增加而逐漸增大，只是各個(gè)通道的變化幅度稍有不同。相應(yīng)的整個(gè)無(wú)線設(shè)備的誤碼率也隨轉(zhuǎn)速的增加而增大，但誤碼率最大不超過(guò)1.37%，在可接受范圍對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響不大。

表1 不同轉(zhuǎn)速下的誤碼率

圖5 誤碼率隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系Fig.5 Relationships between BER and rotating speed

3.2 丟包率與軸轉(zhuǎn)速關(guān)系

丟包率定義為無(wú)線傳輸中丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)量與無(wú)線設(shè)備發(fā)送的總數(shù)據(jù)包的比率，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(8)

其中：Pe為丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)；Ps為無(wú)線設(shè)備發(fā)送的總數(shù)據(jù)包數(shù)。

丟包率統(tǒng)計(jì)如表2所示。丟包率隨轉(zhuǎn)速v變化曲線如圖6所示。可以看出，軸轉(zhuǎn)速對(duì)丟包率也是有影響的，軸轉(zhuǎn)速?gòu)?80 r/min開始，每個(gè)通道丟失的數(shù)據(jù)包數(shù)基本隨著轉(zhuǎn)速的增大而增加，總的丟包率則是一直隨轉(zhuǎn)速的增大而增加，最大丟包率不超過(guò)2.34%。將表2與表1比較看出，轉(zhuǎn)速對(duì)丟包率的影響大于誤碼率(丟包率是誤碼率的2～3倍)，即隨著軸的轉(zhuǎn)速增大，數(shù)據(jù)丟失的幾率比接收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的幾率大。

表2 不同轉(zhuǎn)速下的丟包率

圖6 丟包率隨轉(zhuǎn)速變化關(guān)系Fig.6 Relationships between PLR and rotating speed

由多普勒頻移理論模型的分析可知，轉(zhuǎn)速對(duì)與丟包率和誤碼率有顯著影響。由于無(wú)線設(shè)備之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了多普勒效應(yīng)，而多普勒效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致無(wú)線設(shè)備間收發(fā)數(shù)據(jù)的頻率不一致，即存在多普勒頻移，影響無(wú)線數(shù)據(jù)通信，因此才出現(xiàn)了數(shù)據(jù)的誤碼以及丟包的現(xiàn)象。由誤碼率、丟包率與軸轉(zhuǎn)速之間關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，多普勒頻移理論模型得到了較好的驗(yàn)證。軸轉(zhuǎn)速相對(duì)較高時(shí)，由于多普勒效應(yīng)的存在，數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸將受到一定影響，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)的錯(cuò)傳及誤傳。但在本次水潤(rùn)滑橡膠軸承水膜壓力試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)軸速最高不超過(guò)1kr/min，由圖3(a)及理論分析可知，軸轉(zhuǎn)速≤1kr/min時(shí)，多普勒頻移不到1 Hz。將試驗(yàn)參數(shù)代入式(4)可得，試驗(yàn)中的最大多普勒頻移fmax≈0.72Hz。因此，水膜壓力測(cè)試試驗(yàn)中，多普勒效應(yīng)對(duì)無(wú)線通信影響較小。從試驗(yàn)結(jié)果看，數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)恼`碼率和丟包率較低，最大誤碼率與丟包率分別為1.37%與2.34%，此結(jié)果對(duì)水膜壓力數(shù)據(jù)的采集與分析影響不大，數(shù)據(jù)的傳輸誤差可以接受。另外，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水膜壓力數(shù)據(jù)的重復(fù)性較好。由于水膜壓力監(jiān)測(cè)試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，沒有電磁干擾，因此無(wú)線設(shè)備運(yùn)行情況及無(wú)線設(shè)備性能良好。

3.3 改善多普勒效應(yīng)影響的措施

由多普勒頻移理論模型與試驗(yàn)結(jié)果可知，軸轉(zhuǎn)速是影響無(wú)線通信質(zhì)量的主要因素，因此在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，在滿足測(cè)試條件的前提下，可通過(guò)控制軸轉(zhuǎn)速來(lái)降低多普勒效應(yīng)帶來(lái)的影響。此外，無(wú)線設(shè)備之間的相對(duì)位置與運(yùn)動(dòng)方向也是影響無(wú)線通信質(zhì)量的因素，分別與無(wú)線設(shè)備擺動(dòng)圓直徑與電磁波入射角相關(guān)，這兩個(gè)因素是可以人為控制的。無(wú)線設(shè)備的擺動(dòng)圓與安裝方式、軸系對(duì)中與平衡相關(guān)，電磁波的入射角與無(wú)線設(shè)備相對(duì)位置相關(guān)，因此在試驗(yàn)前通過(guò)選擇合適的無(wú)線設(shè)備安裝方式以及對(duì)試驗(yàn)臺(tái)與無(wú)線設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，盡量減小這兩個(gè)因素在試驗(yàn)中對(duì)無(wú)線通信質(zhì)量的影響。最后，應(yīng)進(jìn)一步研究多普勒頻移校正/補(bǔ)償算法和無(wú)線傳輸中的時(shí)間同步問題，從數(shù)據(jù)處理方面減小誤差，提高數(shù)據(jù)傳輸精度。

4 結(jié) 論

1) 多普勒頻移與無(wú)線設(shè)備擺動(dòng)圓直徑、軸轉(zhuǎn)速以及電磁波的入射角有關(guān)，軸轉(zhuǎn)速是主要影響因素。轉(zhuǎn)速越大，頻移越大，相應(yīng)的無(wú)線設(shè)備收發(fā)信息頻率差距增大，無(wú)線傳輸中的誤碼率和丟包率也增大。

2) 多普勒頻移受軸轉(zhuǎn)速的影響顯著地發(fā)生在旋轉(zhuǎn)機(jī)械高速運(yùn)行時(shí)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸速度超過(guò)8 kr/min，多普勒頻移大于2 Hz，隨著速度的繼續(xù)增大迅速上升，最高可達(dá)300 Hz，此時(shí)無(wú)線通信將受到很大影響。在433 MHz通信頻率下，無(wú)線監(jiān)測(cè)方法不能很好地用于轉(zhuǎn)速接近或超過(guò)10 kr/min的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。

3) 轉(zhuǎn)速對(duì)丟包率的影響大于誤碼率(丟包率是誤碼率的2～3倍)，即隨著軸的轉(zhuǎn)速增大，數(shù)據(jù)丟失的幾率比接收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的幾率大。

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陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(14JK1142);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275380)

2014-11-19；

2015-06-16

TH39

王楠，男，1983年12月生，博士、講師。主要研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用、機(jī)械設(shè)備監(jiān)測(cè)及診斷。曾發(fā)表《水潤(rùn)滑軸承水膜壓力無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)研究》(《振動(dòng)、測(cè)試與診斷》2014年第34卷第5期)等論文。

E-mail：heroyoyu@126.com.