基于无线LC传感技术的智能轴承转速测量方法研究

Smart bearing is the key element in "Industry 4.0", the indispensable part in aerospace, wind-power and rail transportation. Rotational speed is the essential parameter of bearings, and reflects the basic situation. However, the existing rolling sensor cannot meet the developing requirements in cost, size, and power dissipation. By combining MEMS and passive wireless LC sensors, we propose a rotational speed sensor based on the centripetal force on rotation part. The main innovations include:(1) rolling measurement based on centripetal force; (2) embedded passive wireless sensors. The core content of our research is the design method and theory of LC rotational speed sensor, including: (1) capacitive sensing structure; (2) design the embedded LC sensor; (3) LC sensor's working model in metal rotational environment. With the study of theory and fabrication, it will promote the development of rolling sensors in smart bearings.

智能轴承是“工业4.0”发展的关键部件之一，是航空航天、风力发电、轨道交通等重大装备智能化不可或缺的部件。转速是轴承运行的核心参数之一，它反映了轴承的基础运行状态，而现有智能轴承转速传感器的成本、体积、功耗等不能满足发展需求。本项目将微机电系统（MEMS）的微型化特征与LC（电感-电容）传感器无线、无源特征相结合，创新性地提出通过旋转部件向心力来测量智能轴承转速的方法。预期实现基于LC传感技术的智能轴承转速测量，主要创新点包括：（1）利用向心力测量轴承转速；（2）嵌入式无源传感器节点以及无线信号传输。本项目的核心研究内容是建立完整的LC转速传感器的设计方法和设计理论，包括：（1）测量向心力的敏感单元的设计；（2）嵌入式LC传感器的结构设计；（3）金属、旋转环境中LC传感器的工作模型。通过理论分析，研制出原理样机，为智能轴承转速传感器的设计和实际应用奠定基础。

转速是轴承运行的核心参数之一，它反映了轴承的基础运行状态，而现有智能轴承转速传感器的成本、体积、功耗等不能满足发展需求。本项目将微机电系统（MEMS）的微型化特征与LC（电感-电容）传感器无线、无源特征相结合，创新性地提出通过旋转部件向心力来测量智能轴承转速的方法。.本项目研究了LC转速传感器，利用向心加速度敏感电容的电容值产生变化，将敏感电容转换为传感器的谐振频率，利用无线磁耦合的方式进行信号读取，解决了工业应用中轴承转速探测无线、低成本、易集成的难题。研究的LC传感器探测上限达到了5000r/m，分辨率达到了200r/m，最高灵敏度达到了7.8kHz/(r/m)。.解决了工业应用中金属背景带来的无线信号传输削弱问题，通过利用铁氧体提升了信号传输强度，为未来实际应用打下基础。