一种研究多参数对磁耦合无线传输影响的实验装置

本发明涉及实验装置，尤其是涉及一种研究多参数对磁耦合无线传输影响的实验装置。

背景技术：

1、在无线电能传输技术中，利用传输线圈和接收线圈这两个线圈之间磁耦合谐振式传输方式因其传输距离更远、传输效率更高等优点，且可以额外实现信号传输，同时解决电子产品的能量供应以及信号传输需求，得到了广泛应用。在旋转设备中，其轴系结构作为核心结构之一，用于实现旋转，其工作状态直接影响着旋转设备的工作性能。故此，现有的一些旋转设备会在工作过程中，通过传感器实时检测其轴系结构的旋转状态，然后后端处理器基于传感器的检测信号来确认其轴系结构是否处于正常运行状态，对轴系结构进行适应性控制。轴系结构的旋转状态是在旋转的工况下在线检测，而传感器安装在轴系结构上，会随轴系结构同步旋转，当前通常采用基于磁耦合谐振式的无线能量及信号传输装置来满足传感器的供电与信号传输需求。但是，旋转的轴系结构会带入转速变量，此转速变量会给磁耦合谐振式的无线能量及信号传输装置产生的磁场带来外部干扰，而磁场的变化会影响信号传输的质量。同时，基于磁耦合谐振式的无线能量及信号传输装置在实际应用时，其线圈直径以及线圈之间的距离也会对无线能量以及信号传输造成影响。

2、很显然，现有的磁耦合谐振式的无线能量及信号传输装置设计时，如果没有考虑转速变量对其产生的磁场的影响、其传输线圈和接收线圈的直径以及两线圈之间的距离对无线能量以及信号传输造成的影响，在后续应用于旋转设备时，将会对传感器的供电稳定性以及信号传输精度造成不良影响，导致传感器的工作稳定性以及后端处理器对轴系结构控制精度的下降。为了解决上述问题，当前在设计磁耦合谐振式的无线能量及信号传输装置时，设计人员会根据经验来判断转速变量、传输线圈和接收线圈直径以及两线圈之间的距离这些参数对磁耦合无线传输的影响，在设计过程中基于预判的影响调整磁耦合谐振式的无线能量及信号传输装置，提高磁耦合谐振式的无线能量及信号传输装置的设计精度，降低磁耦合谐振式的无线能量及信号传输装置用于旋转设备时造成的不良影响。但是设计人员的判断存在很大的主观性以及局限性，不能为磁耦合谐振式的无线能量及信号传输装置的设计提供准确有效的参考数据，难以保证磁耦合谐振式的无线能量及信号传输装置的的质量可靠性。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种研究多参数对磁耦合无线传输影响的实验装置，该实验装置能够为磁耦合谐振式的无线能量及信号传输装置的设计提供准确有效的参考数据，保证磁耦合谐振式的无线能量及信号传输装置的的质量可靠性，使其用于旋转设备时，能够保证传感器的工作稳定性和后端处理器对轴系结构控制精度均较高。

2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于测试多参数对磁耦合无线传输影响的测试装置，包括旋转驱动机构、转子、定子、信号发射装置、信号接收装置和信号显示装置，所述的转子安装在所述的旋转驱动机构上，所述的旋转驱动机构用于驱动所述的转子转动，所述的定子与所述的转子并行间隔设置同轴设置，所述的定子上设置有直径可调的第一线圈骨架，所述的转子上设置有直径可调的第二线圈骨架，所述的第一线圈骨架用于安装接收线圈，所述的第二线圈骨架用于安装发射线圈，所述的信号发射装置安装在所述的转子上，用于产生数字信号驱动发射线圈产生电磁场，所述的信号接收装置用于接收接收线圈通过磁感应效应从发射线圈处感应到的电信号，所述的信号接收装置和所述的信号显示装置连接，所述的信号显示装置用于显示所述的信号接收装置接收的信号。

3、所述的旋转驱动机构包括电机、旋转轴和齿轮，所述的旋转轴同轴固定在所述的电机的输出轴上，所述的齿轮同轴固定在所述的旋转轴上，所述的转子为圆盘状，所述的转子的中心处同轴设置有安装孔，所述的齿轮嵌入所述的安装孔内，且与所述的安装孔过盈配合。

4、将所述的转子的轴向定义为前后方向，靠近所述的定子的端面为其前端面，靠近所述的电机的端面为其后端面，所述的转子的前端面上设置有n个第一安装凹槽，n个第一安装凹槽沿所述的转子的周向均与间隔分布，且每个第一安装凹槽均沿所述的转子的径向延伸，n为大于等于8的整数，所述的转子上设置有沿其径向间隔分布的m圈螺纹孔，m为大于等于2的整数，每圈螺纹孔均包括沿所述的转子的周向均匀间隔分布的n组螺纹孔，且n组螺纹孔与n个第一安装凹槽一一对应，每组螺纹孔均包括前后贯穿所述的转子的两个第一螺纹孔，相对应的一组螺纹孔与一个第一安装凹槽中，该组螺纹孔的两个第一螺纹孔位于第一安装凹槽的左右两侧，所述的第二线圈骨架包括n个第一支撑杆，n个第一支撑杆与n个第一安装凹槽一一对应，相对应的一个第一支撑杆与一个第一安装凹槽中，该第一支撑杆的后端插入该第一安装凹槽内，且能够通过两个螺钉固定在任何一圈螺纹孔中与该第一安装凹槽对应的一组螺纹孔的两个第一螺纹孔中；所述的定子位于所述的转子的前侧，所述的定子的后端面上设置有n个第二安装凹槽，n个第二安装凹槽沿所述的定子的周向均与间隔分布，且每个第二安装凹槽均沿所述的定子的径向延伸，所述的定子上设置有沿其径向间隔分布的m圈螺纹孔，每圈螺纹孔均包括沿所述的定子的周向均匀间隔分布的n组螺纹孔，且n组螺纹孔与n个第二安装凹槽一一对应，每组螺纹孔均包括前后贯穿所述的定子的两个第二螺纹孔，相对应的一组螺纹孔与一个第二安装凹槽中，该组螺纹孔的两个第二螺纹孔位于该第二安装凹槽的左右两侧，所述的第一线圈骨架包括n个第二支撑杆，n个第二支撑杆与n个第二安装凹槽一一对应，相对应的一个第二支撑杆与一个第二安装凹槽中，该第二支撑杆的前端插入该第二安装凹槽内，且能够通过两个螺钉固定在任何一圈螺纹孔中与该第二安装凹槽对应的一组螺纹孔的两个第二螺纹孔中；

5、所述的测试装置还包括外部框架，所述的外部框架包括底座和防护罩，所述防护罩安装在所述的底座上，所述的防护罩与所述的底座之间形成防护区域，所述的转子、所述的定子、所述的旋转轴和所述的信号发射装置均位于所述的防护区域内，所述的电机采用可拆卸方式安装在所述的防护罩上，所述的旋转轴的前端从后向前穿过所述的定子，所述的旋转轴的前端设置有止推轴承，所述的止推轴承安装在所述的防护罩上。

6、所述的信号发射装置包括电源模块、单片机微处理器模块、信号保护模块和信号调制模块；所述的电源模块用于为所述的单片机微处理器模块、所述的信号保护模块和所述的信号调制模块提供工作电压；所述的单片机微处理器模块用于将预存的方波信号输出至所述的信号保护模块，所述的信号保护模块用于对所述的单片机微处理器模块输出至其处的方波信号进行整形，消除信号抖动后输出至所述的信号调制模块，所述的信号调制模块用于将所述的信号保护模块的输出至其处的方波信号进行调制，得到带有正负的方波信号，即预设的数字信号输出至所述的发射线圈。

7、所述的单片机微处理器模块采用型号为stm32f103c8t6的单片机及其外围电路实现，所述的单片机的第26脚为所述的单片机微处理器模块的第一输出端，所述的单片机的第29脚为所述的单片机微处理器模块的第二输出端，所述的单片机的第一输出端和第二输出端之间输出预存的方波信号。

8、所述的信号保护模块包括型号为sn74lvc2g17dbvr的缓冲器、第一电阻、第二电阻、第一电容和第二电容，所述的第一电阻的一端和所述的缓冲器的第3脚连接，且其连接端为所述的信号保护模块第一输入端，所述的缓冲器的第2脚接地，所述的第二电阻的一端和所述的缓冲器的第1脚连接，且其连接端为所述的信号保护模块的第二输入端，所述的第一电阻的另一端和所述的第二电阻的另一端均接地，所述的信号保护模块的第一输入端和所述的单片机微处理器模块的第一输出端连接，所述的信号保护模块的第二输入端和所述的单片机微处理器模块的第二输出端连接，所述的缓冲器的第5脚、所述的第一电容的一端和所述的第二电容的一端连接，且其连接端为所述的信号保护模块的电源端，所述的信号保护模块的电源端与所述的电源模块连接，接入5v电压，所述的第一电容的另一端和所述的第二电容的另一端均接地，所述的缓冲器的第4脚为所述的信号保护模块的第一输出端，所述的缓冲器的第6脚为所述的信号保护模块的第二输出端，所述的信号保护模块的第一输出端和第二输出端之间输出方波信号。

9、所述的信号调制电路包括型号为dgd21904ms14-13的驱动芯片、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第三电容、第四电容法、第五电容、第六电容、第七电容、第八电容、第九电容、第十电容、第十一电容、第十二电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第一场效应晶体管和第二场效应晶体管；所述的驱动芯片的第1脚为所述的信号调制电路的第一输入端，所述的驱动芯片的第2脚为所述的信号调制电路的第二输入端，所述的信号调制电路的第一输入端与所述的信号保护模块的第一输出端连接，所述的信号调制电路的第二输入端与所述的信号保护模块的第二输出端连接，所述的驱动芯片的第3脚和第5脚均接地，所述的驱动芯片的第6脚、所述的第七电阻的一端和所述的第五二极管的阴极连接，所述的驱动芯片的第7脚、所述的第三电容的一端、所述的第四电容的一端、所述的第三电阻的一端、所述的第七电容的一端、所述的第四二极管的阴极、所述的第一场效应晶体管的源极、所述的第八电容的一端和所述的第九电容的一端连接，且其连接端为所述的信号调制电路的电源端，所述的信号调制电路的电源端与所述的电源模块连接，接入12v电压，所述的第三电容的另一端、所述的第四电容的另一端、所述的第八电容的另一端和所述的第九电容的另一端均接地，所述的第三电阻的另一端和所述的第一二极管的阳极连接，所述的第一二极管的阴极、所述的驱动芯片的第13脚和所述的第五电容的一端连接，所述的第五电容的另一端和所述的驱动芯片的第11脚连接，所述的驱动芯片的第12脚、所述的第二二极管的阴极和所述的第四电阻的一端连接，所述的第二二极管的阳极和所述的第五电阻的一端连接，所述的第五电阻的另一端、所述的第四电阻的另一端、所述的第六电阻的一端、所述的第三二极管的阴极、所述的第六电容的一端和所述的第一场效应晶体管的栅极连接，所述的第五二极管的阳极和所述的第八电阻的一端连接，所述的第八电阻的另一端、所述的第七电阻的另一端、所述的第九电阻的一端、所述的第六二极管的阴极、所述的第十电容的一端和所述的第二场效应晶体管的栅极连接，所述的第六电阻的另一端、所述的第三二极管的阳极、所述的第六电容的另一端、所述的第一场效应晶体管的漏极、所述的第二场效应晶体管的源极、所述的第七电容的另一端、所述的第四二极管的阳极、所述的第十一电容的一端、所述的第七二极管的阴极和所述的第十二电容的一端连接，所述的第十二电容的另一端为所述的信号调制电路的输出端，所述的信号调制电路的输出端输出预设的数字信号，所述的第九电阻的另一端、所述的第六二极管的阳极、所述的第十电容的另一端、所述的第二场效应晶体管的漏极、所述的第十一电容的另一端和所述的第七二极管的阳极均接地。

10、与现有技术相比，本发明的优点在于通过旋转驱动机构、转子、定子、信号发射装置、信号接收装置和信号显示装置构成用于测试多参数对磁耦合无线传输影响的测试装置，转子安装在旋转驱动机构上，旋转驱动机构用于驱动转子转动，定子与转子并行间隔设置同轴设置，定子上设置有直径可调的第一线圈骨架，转子上设置有直径可调的第二线圈骨架，第一线圈骨架用于安装接收线圈，第二线圈骨架用于安装发射线圈，信号发射装置安装在转子上，用于产生数字信号驱动发射线圈产生电磁场，信号接收装置用于接收接收线圈通过磁感应效应从发射线圈处感应到的电信号，信号接收装置和信号显示装置连接，信号显示装置用于显示信号接收装置接收的信号；在需要模拟不同转速对磁耦合无线传输影响时，将发射线圈安装在第二线圈骨架上，接收线圈安装在第一线圈骨架上，通过信号发射装置发射预设的数字信号至发射线圈，该数字信号驱动发射线圈产生相应的电磁场，接收线圈感应到发射线圈产生的电磁场，产生相应的电信号，信号接收装置接收到接收线圈产生的电信号并将其接收的电信号通过信号显示装置进行显示，旋转驱动机构驱动转子转动，并改变转子转速来模拟转子转速变换的旋转场景，通过观察不同转速下信号显示装置处显示的电信号与理论上应该接收到的电信号的区别，就可得出不同转速对磁耦合无线传输的影响；在需要模拟发射线圈和接收线圈之间不同距离对磁耦合无线传输影响时，将发射线圈安装在第二线圈骨架上，接收线圈安装在第一线圈骨架上，调整定子与转子的距离来调整发射线圈和接收线圈之间距离，通过观察不同距离下信号显示装置处显示的电信号与理论上应该接收到的电信号的区别，就可得出不同距离对磁耦合无线传输的影响；在需要模拟不同发射线圈直径对磁耦合无线传输影响时，将接收线圈安装在第一线圈骨架上，通过信号发射装置发射预设的数字信号至发射线圈，该数字信号驱动发射线圈产生相应的电磁场，接收线圈感应到发射线圈产生的电磁场，产生相应的电信号，信号接收装置接收到接收线圈产生的电信号并将其接收的电信号通过信号显示装置进行显示，旋转驱动机构驱动转子以恒定速度转动，将不同直径的发射线圈安装在第二线圈骨架上，通过观察不同直径的发射线圈下信号显示装置处显示的电信号与理论上应该接收到的电信号的区别，就可得出不同直径的发射线圈对磁耦合无线传输的影响；在需要模拟不同接收线圈直径对磁耦合无线传输影响时，将发射线圈安装在第二线圈骨架上，通过信号发射装置发射预设的数字信号至发射线圈，该数字信号驱动发射线圈产生相应的电磁场，接收线圈感应到发射线圈产生的电磁场，产生相应的电信号，信号接收装置接收到接收线圈产生的电信号并将其接收的电信号通过信号显示装置进行显示，旋转驱动机构驱动转子以恒定速度转动，将不同直径的接收线圈安装在第一线圈骨架上，通过观察不同直径的接收线圈下信号显示装置处显示的电信号与理论上应该接收到的电信号的区别，就可得出不同直径的接收线圈线圈对磁耦合无线传输的影响；由此本发明的测试装置能够为磁耦合谐振式的无线能量及信号传输装置的设计提供准确有效的参考数据，保证磁耦合谐振式的无线能量及信号传输装置的的质量可靠性，使其用于旋转设备时，能够保证传感器的工作稳定性和后端处理器对轴系结构控制精度均较高。