基于自供能技术的磁流变阻尼器参数检测系统设计

论文摘要

磁流变阻尼器是一种采用磁流变液作为工作介质的可控阻尼器件,具有响应迅速、动态范围宽、低功耗等优点,在汽车、土木工程、国防工业等振动控制领域具有广泛的应用前景。由于材料和结构的原因,阻尼器在服役期间可能出现性能衰减甚至失效,如不及时处理会造成灾难性后果,因此对其进行在线监测和控制补偿十分必要。本文提出了基于自供电技术的磁流变阻尼器状态参数无线传感系统方案的设计思想和实现方法,系统以内嵌51单片机的单片射频收发芯片nRF9E5为核心,应用模拟电子技术、传感技术和无线收发技术实现温度数据的采集和短距离无线数据传输。论文首先介绍了课题的研究意义及自供能磁流变阻尼器参数检测系统设计中所涉及到的核心技术,包括能量采集和管理方法、计算机技术和无线数据传输技术。详细分析了能量采集和管理系统的原理,提出一种电磁式机械能量采集器的新型结构,将磁流变阻尼器工作缸内活塞运动的机械能转换为电能。在此基础上以超级电容作为储能器件,设计了相应的能量管理电路,以合理利用能量采集系统产生的微弱电能,实现温度传感器和无线传感模块的能量供给。其次详细介绍了无线传感系统的具体设计,以模块化的设计思想,根据各个模块的特点完成了无线收发硬件平台的芯片选型和外围电路设计,利用RS-232串口总线进行硬件平台与计算机的数据交换;软件在Keil C开发环境下用C语言编程,完成数据采集和传输系统设计,保证了软件系统的可读性和可维护性。最后基于能量采集和管理电路,对自供能系统进行了测试,实验结果表明:自供能装置能产生高达4.64V的开路电压,在管理电路的约束下,合理实现了能量存储和释放,所设计的能量管理系统可以驱动无线传感模块正常工作,同时无线传感系统能够准确采集环境中的温度数据并发送到上位机。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 磁流变液技术简介
• 1.1.1 磁流变液及磁流变效应
• 1.1.2 磁流变阻尼器的应用研究
• 1.2 国内外现状
• 1.2.1 阻尼器自供能研究现状
• 1.2.2 阻尼器参数自传感研究现状
• 1.3 课题研究意义
• 1.4 本课题的研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 磁流变阻尼器参数检测系统的总体设计原理
• 2.1 系统设计要求
• 2.2 系统方案的确定
• 2.2.1 无线通信技术的选择
• 2.2.2 无线传感系统组成
• 2.2.3 能量采集和管理方案设计
• 2.3 器件的选用
• 2.3.1 无线收发芯片的选择
• 2.3.2 传感器的选型
• 2.4 能量采集系统原理与设计
• 2.4.1 能量采集系统设计原理
• 2.4.2 能量采集系统设计
• 2.5 能量管理电路设计
• 2.5.1 电路设计原理
• 2.5.2 电路原理图及PCB 图
• 2.6 本章小结
• 3 无线传感系统硬件设计
• 3.1 无线传感硬件系统的总体设计
• 3.2 无线数据收发芯片
• 3.2.1 无线收发芯片基本构成
• 3.2.2 无线收发芯片通信方式
• 3.3 核心电路设计
• 3.3.1 上位机电源电路设计
• 3.3.2 EEPROM 程序接口电路设计
• 3.3.3 串口通信接口设计
• 3.3.4 信号采集接口设计
• 3.4 无线数据传送系统整体电路设计
• 3.4.1 硬件电路设计
• 3.4.2 电路的抗干扰措施设计
• 3.5 本章小结
• 4 无线传感系统软件设计
• 4.1 系统的软件总体设计
• 4.2 系统通信协议
• 4.2.1 SPI 读写指令
• 4.3 无线收发程序
• 4.3.1 A/D 转换程序
• 4.3.2 无线数据发送程序
• 4.3.3 无线数据接收程序
• 4.4 本章小结
• 5 实验测试与分析
• 5.1 实验平台搭建
• 5.2 能量采集和管理实验
• 5.2.1 能量采集系统实验
• 5.2.2 能量管理电路实验
• 5.2.3 能量管理电路实验分析
• 5.3 无线传感系统实验
• 5.3.1 无线传感系统测温实验
• 5.3.2 阻尼器温度测试实验
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目及所获奖项