基于電磁感應原理的自供電轉速監測系統設計

摘 要：隨著工業生產的自動化水平不斷提高，對傳感器的需求日益增長，導致工業設備的電路系統愈加復雜，供電負擔也不斷增加。針對該問題，本文設計了一種基于電磁感應原理的自供電轉速監測系統。該系統集成了轉速傳感器、儲能模塊和無線傳輸模塊，能夠在測量轉速信號的同時，將機械能轉換為電能進行存儲與利用，通過這種設計，系統能夠實時將轉速數據實時上傳至云端，提高了旋轉設備運轉的可靠性和安全性。

關鍵詞：電磁感應；轉速監測；無線傳輸；自供電

中圖分類號：TP 212 " " " " " " 文獻標志碼：A

在工業生產過程中，傳感器作為設備控制與監測的核心前端組件，發揮著至關重要的作用。轉速傳感器，作為精確測量旋轉速度的關鍵部件，廣泛應用于機械加工、汽車制造和航空航天等多個工業領域。傳統轉速傳感器，例如磁電式、霍爾式和磁阻式等[1]，在采集轉速信息時依賴外部電源供電，并且轉速數據的傳輸須通過數據線完成。目前，無線傳輸技術的快速發展為優化轉速傳感器工作模式帶來了新的契機[2]。本文提出了一種融合電磁感應原理和無線傳輸技術的轉速監測系統設計方案。該系統不僅能夠測量設備的轉速，還融入了能量回收功能，能夠進行自供電傳感，為轉速監測提供長期穩定的解決方案。該系統能夠降低成本，減少維護需求，適用于各種復雜環境和場景，具有環保和工作穩定的優勢。

1 監測系統功能設計

本文設計的轉速檢測系統主要具備轉速信號采集、信號處理、能量收集和無線傳輸功能，具體設計要求如下。1）采集轉速信號。本文基于電磁感應原理設計了一種旋轉式結構，利用轉子和定子的相對運動，將旋轉運動轉換為電信號。2）信號的無線傳輸。采用ZigBee模塊進行信號無線傳輸，將測得的轉速信號傳輸給計算機。3）信號的分析與處理。在計算機上編寫程序，接收轉速信號，并對其進行頻域分析，得到實時轉速，以監測轉速并進行數據備份。4）收集能量。本文設計的轉速傳感器還具有能量收集功能，可以將旋轉運動的機械能轉化為電能，并加以儲存和利用，實現自供電傳感。整個系統的工作框架如圖1所示。

2 監測系統的結構設計

本文設計的轉速監測系統主要由3個部分組成。1）轉速傳感器。該傳感器利用電磁感應原理，將輪胎的旋轉運動轉換為電信號，用于收集機械能和生成轉速信號。2）儲能與控制模塊。該模塊內置繼電器，能夠根據不同工況控制傳感器與電池之間電路的連通與斷開。3）無線傳輸模塊。該模塊將傳感器生成的轉速數據，通過無線方式發送給計算機端，便于后續的數據分析、處理與實時監控。

2.1 轉速傳感器設計

轉速傳感器主要由2個外殼、1個轉子、2組磁鐵和2組線圈構成，其裝置結構如圖2所示。圖2（a）為裝置的總體結構，其中2個結構相同的外殼將轉子罩在其中。圖2（b）為轉子結構，其內圈上有2個與軸連接的鍵槽，前、后兩側均勻分布了凹槽，用于安裝磁鐵。圖2（c）為外殼結構，其內壁上同樣均勻分布了凹槽，用于安裝銅線圈，這些凹槽與轉子上的磁鐵位置一一對應。此外，外殼外壁有4個凸臺，左右2個外殼通過螺栓緊密固定。

當傳感器工作時，軸通過鍵帶動轉子旋轉，在轉子兩側槽內的磁鐵隨之轉動。磁鐵的旋轉導致其與線圈的相對面積發生變化，進而引起線圈內磁通量的改變。利用COMSOL軟件對磁鐵和線圈進行仿真，通過磁感線的數量來表征磁感應強度，可以清晰地觀察到不同時刻下線圈內的磁場分布情況，如圖3所示。當磁鐵從正對線圈位置旋轉至遠離線圈時，線圈內磁通量減少，根據電磁感應原理，線圈中會產生感應電流[3]。當線圈位于2塊磁鐵中間位置時，磁通量最小，隨著下一塊磁鐵的靠近，磁通量再次增加，從而產生一個與先前電流方向相反的感應電流。

磁鐵和線圈的數量不僅影響了發電量，還與傳感精度相關。以磁鐵從正對一個線圈旋轉到正對下一個線圈為1個信號周期，磁鐵每轉過1個線圈，就會產生1個完整的正弦波信號。該信號的頻率越高，表明磁通量的變化率越高，所產生的電量也就越多。因此選取適宜數量的磁鐵和線圈能夠使傳感器具精度提高，同時還有助于產生盡可能多的電量。為了使磁通量變化更明顯，設定轉子外徑為100 mm，磁鐵選用直徑為15 mm、厚度為3 mm的釹鐵硼磁鐵，線圈選用直徑為15 mm、線徑為3 mm的銅線圈。磁鐵和線圈分別均勻分布在轉子和外殼上，不同數量的布置方式如圖4所示。圖4（a）為4塊磁鐵的布置方式，雖然能產生均勻的正弦波，但是信號分辨率較低，并且從能量回收的角度考慮，該布置方式對轉子的空間利用率較低，因此發電量較少。

圖4（b）為6塊磁鐵的布置情況，此時信號的分辨率和結構整體發電量比圖4（a）有所提高，但仍未達到轉子空間利用率的最大化。圖4（c）為8塊磁鐵的布置方式，此時相鄰2塊磁鐵間的間隙恰好能容下1塊磁鐵，因此線圈在運動過程中能夠與磁鐵錯開位置，使線圈里的磁通量變化幅度達到最大，所產生的信號的電壓幅值最高，抗干擾能力較好。同時由于增加了磁鐵數量，因此轉子整體磁通量增加，發電量明顯增加。圖4（d）為12塊磁鐵的布置方式，此時雖然轉子整體的磁通量最大，但是磁鐵排布過于緊密，導致線圈同時對應2塊磁鐵，線圈里的磁通量變化幅度是4種布置方式中最小的，因此產生的電壓幅值最低。從傳感的角度考慮，低電壓幅值易受干擾，因此在轉子每側設置8對磁鐵線圈更能夠兼容傳感器的傳感精度和能量俘獲效率。

當選用8對磁鐵和線圈的布置方案時，相鄰2個線圈間的角度為22.5°，即轉子每轉過22.5°，信號就會產生一個波峰，這將直接決定傳感器的傳感精度。轉子每轉過1圈，就會產生8個波峰。該信號被單片機采集，并被處理為方波信號，由無線傳輸模塊發送至計算機。計算機對一定時間內的波峰進行計數，并除以相對應的時間，即可得到該時間段內信號的頻率，再根據磁鐵數量推導出此時的轉速。信號頻率和轉速的對應關系如圖5所示。

2.2 無線傳輸模塊設計

無線傳輸模塊的硬件設計基于ZigBee節點，其中信號發送端采用了ZigBee CC2530F256作為主控芯片，該芯片不僅兼容IEEE802.15.4協議，還內置了一個高性能、高度集成的RF收發器以及一個8051微處理器。其配置包括8 kB的內存和256 kB的閃存，此外，它還配備了多種輔助功能和外設，能夠滿足低功耗無線通信的一般需求。在信號接收端，數據通過USB線進行傳輸，為此設計了USB轉串口電路，該電路能夠將計算機的USB接口轉換為串口，便于進行串口調試。

系統軟件設計主要分為2個部分，即無線發送節點軟件設計與協調器軟件設計。無線發送節點負責信號的采集、處理與傳輸任務，而協調器則承擔無線數據的接收、顯示及存儲工作。

構建無線傳感系統涉及組網過程。在協調器節點上電并激活后，會開始掃描可用的信道，并選擇干擾最小的信道作為通信信道。確定通信信道后，協調器節點會初始化一個唯一的網絡標識符（PANID），并以廣播的方式發送信標幀。系統內的終端節點在上電后會主動搜尋周邊的網絡信標幀。一旦檢測到協調器節點發送的信標幀，終端節點便會向協調器節點發起入網請求。

協調器節點在接收到入網請求后，會檢查當前網絡中的地址資源是否充足。如果資源充足，協調器節點會為終端節點分配一個16 bit的短地址，并發送連接成功的響應幀給終端節點。終端節點在接收到連接成功的響應幀后，即成功加入網絡。如果入網未成功，終端節點會重復上述流程，直到成功加入網絡為止。

當無線發送節點與協調器成功組網后，協調器便能夠接收無線發送節點發送的轉速數據，并通過USB線將這些數據傳輸至計算機進行進一步處理或顯示。

在進行數據傳輸的基礎上，使用盡可能低的功耗工作是維持轉速監測系統穩定運作的重要手段。在該系統中，作為數據接收端的ZigBee協調器由于有穩定的電源供電，暫不考慮低功耗設置。信號發射端依賴監測系統內的儲能模塊供電，因此其功耗管理非常重要，需要對ZigBee終端節點進行低功耗配置。考慮終端節點采用自供電方式，合理管理電量成為設計中的核心要素。由于ZigBee終端節點在組網過程中會消耗大量電能，而組網是節點進入工作狀態前的必要步驟，因此簡單地在非工作狀態下切斷終端電源會導致節點從網絡中斷開。為了既保持節點與網絡的連接，又降低電量損耗，節點應在非活躍狀態下進入睡眠模式，使節點在避免組網時電量浪費的同時，還能有效延長設備的待機時間[4]。ZigBee終端在主動模式下運行一段時間后，應自動轉入低功耗睡眠模式，以降低功耗。當電池電量充足時，節點應能通過激發器自主喚醒并恢復工作狀態。無線傳輸模塊具體工作流程如圖6所示。

2.3 儲能模塊設計

儲能模塊需要具備存儲并分配轉速傳感器回收的電能的功能，既能夠儲存回收的電能，又能夠能為無線傳輸模塊供電，以便其將采集的轉速信號發送至計算機。同時，為了滿足傳感器不間斷工作的需求，本文在儲能電路中設計了2塊電池，實現交替工作。儲能模塊的工作原理如圖7所示。

在圖7中，儲能模塊由整流電路、穩壓電路、2個由繼電器控制的開關K1、K2和2塊電池組成。由于電磁發電產生的是交流電，須通過整流電路轉換為直流電以供電池充電，因此整流電路被置于模塊前端。同時，電磁發電的電壓會隨轉子轉速的加快而升高，為了避免電壓過高損害損傷電池，應設計穩壓電路，將電壓穩定在適合為電池充電的范圍內，因此需要在整流電路后端布置穩壓電路。繼電器能夠檢測2塊電池的電壓，并根據電壓的高、低控制開關閉合、斷開，實現2塊電池的交替工作[5]，具體工作流程如下。

初始狀態下，2塊電池均為滿電狀態，由電池一為負載供電，電池二處于備用狀態。當電池一的電壓降低至無法為負載提供足夠電力時，繼電器觸發開關動作，使K2與電池二接通，由電池二為負載供電。同時，K1與電池一接通，使轉速傳感器回收的電能為電池一充電。當電池二的電壓也降低至無法為負載供電時，繼電器再次觸發開關動作，此時K2與電池一接通，由電池一為負載供電。而K1則與電池二接通，為電池二充電。這樣循環往復，2塊電池交替進行充放電，保證了傳感器的不間斷工作。

3 監測系統的應用

本文設計的轉速檢測系統適用多種設備（例如汽車發動機、工業機械、風機、液壓泵以及機器人等），用于精確測量其轉速。在測量電機轉速的場景中，轉速監測系統與電機的裝配關系如圖8所示。具體來說，轉子通過鍵連接的方式安裝在轉軸上，并隨軸一同旋轉。外殼則固定在工作臺上，保證轉子與外殼內壁間保持適當的間隙。當系統工作時，轉速傳感器收集由轉子旋轉產生的能量，并將其儲存在儲能模塊中。儲能模塊隨后為無線發送模塊提供電力，保證無線發送模塊能夠實時、穩定地將轉速信號發送至計算機。在計算機接收到信號后，進行處理與分析，得出電機的準確轉速。

本文設計的自供電轉速監測系統具有以下2個優勢。

3.1 數據可視化與智能報警

該系統能夠實時獲取轉速信息，通過4G網絡上傳至AliCloud物聯網平臺，利用AliCloud提供的數據可視化界面設計工具，系統對ZigBee協調器上傳的數據進行封裝處理，以直觀、易懂的方式展示在計算機屏幕上[6]。這樣，每個被測物體的轉速信息都能與對應終端一一對應，并實時呈現。當轉速超出設備正常工作范圍時，系統會立即觸發屏幕閃爍和警報聲，以便工作人員迅速發現并響應，從而保障生產安全和人員健康。

3.2 多終端組網與自供電設計

ZigBee協調器具備與多個ZigBee終端組網的能力，這表明一臺計算機可以同時監測多個項目的轉速情況。每個項目的轉速數據均由監測系統獨立測量，并通過協調器統一發送至計算機進行處理。此外，監測系統還內置了自供電設計，無需額外供電設備，減輕了供電壓力，簡化了排線布局，優化了工作空間的整體布局。

4 結語

本文基于電磁感應原理，提出了一種自供電實時轉速監測系統，所設計的轉速傳感器能夠在采集轉速信號的同時將轉軸的機械能轉化為電能并進行存儲，便于為系統供電。系統利用ZigBee信號收發模塊進行轉速信號無線傳遞，并對轉速進行實時監測。該系統既能用于在廠房內對旋轉器械進行轉速監測，又能用于汽車、飛機等移動機械上，在一定程度上簡化了設備的線路布局。同時，該系統成本低，穩定性好，還降低了傳感系統成本，減少了維護需求。

參考文獻

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