本发明专利技术涉及一种旋转振荡热管传热多物理场测试装置及其操作方法，用于实现旋转振荡热管运行过程中的多物理场监测。通过磁耦合谐振无线供电系统和加热元件，为振荡热管的蒸发端提供稳定可控的热载荷，采用热电偶，压力探头等传感器探测旋转振荡热管的温度，内部压力等多元物理信息，通过跟随振荡热管旋转的信号处理模块和微控制器实现信号的处理和转化，并以无线通讯的方式将数据发送至PC端的数据采集系统。由于本发明专利技术的装置中的旋转部分与外部环境不存在物理接触，可降低设备磨损，减轻信号干扰，实现旋转振荡热管内部的温度、压力分布和传热性能等多元物理场稳定可靠采集。和传热性能等多元物理场稳定可靠采集。和传热性能等多元物理场稳定可靠采集。
【技术实现步骤摘要】
一种旋转振荡热管传热多物理场测试装置及其操作方法
[0001]本专利技术涉及一种旋转振荡热管传热多物理场测试装置及其操作方法。应用于旋转条件下的强化传热领域，可满足旋转振荡热管的状态监测需求，简化实验流程、避免装置磨损、降低试验成本、降低信号干扰影响。
技术介绍
[0002]振荡热管是一种由毛细管弯折而成，依靠毛细力，不平衡压力，重力等驱动管内气液塞进行振荡和循环运动而实现高效换热的新型热管。由于其具有结构简单，体积小，成本低，换热性能好等特点，在强化换热领域取得广泛应用。
[0003]传统的重力热管和旋转热管在高速旋转的条件下内部工质的核态沸腾被抑制，传热性能下降。而振荡热管具有显热传热、潜热传热、膨胀功等多种传热方式，在高旋转离心加速度下仍可以实现强化换热。因此，在旋转零部件的强化散热领域，振荡热管具有明显优势。例如在钻孔，铣削，磨削等机械加工的过程中，引进振荡热管技术对刀具进行散热，可显著提高刀具寿命，提高加工质量和加工效率。
[0004]从以往对旋转振荡热管的试验研究来看，振荡热管加热元件的供电和传感器信号的传导皆是通过电刷滑环来实现的，这种方法在高速旋转的条件下容易出现滑环磨损，信号干扰等问题，限制试验开展。例如在已经公开的专利CN110160812A(一种振荡热管、回转式测试平台及换热性能评价方法)、专利CN111060557A(一种轴向旋转振荡热管试验装置及其使用方法)中，都实现了旋转振荡热管热载荷的稳定加载和温度信号的采集，但是这两种装置中，振荡热管加热元件的供电和传感器信号的传输皆是通过接触式传导实现的，这种方式无法应对在高转速的试验环境下触点的机械磨损问题。另外，传感器产生的信号一般是微弱的模拟信号，这种信号通过滑环等方式进行传输，容易产生信号干扰，造成测量结果不佳。
[0005]现有的基于无线通讯的信号采集器，例如在专利CN103801985A(一种内置式实时连续测温刀柄)、CN110091215A(一种实时监测铣削力、振动的无线传输智能刀柄检测系统)、CN114323340A(一种旋转机械体的无线测温装置)中，都通过无线通讯实现了传感器信号的数据传输，但这类无线信号采集器不具备大功率的无线供电功能，无法满足旋转振荡热管热载荷的加载需求。因此需要一种能够实现大功率无线供电和无线信号传输的旋转振荡热管多物理场监测装置。
技术实现思路
[0006]专利技术目的：针对现有的旋转振荡热管测试装置存在的信号干扰，机械磨损，转速限制等问题，本专利技术提供一种基于无线供电和无线通讯的旋转振荡热管传热多物理场测试装置及其操作方法，利用装置中的磁耦合谐振无线供电系统，为振荡热管的蒸发端提供稳定并且大小可控的热载荷。通过旋转端的信号采集系统完成信号的采集和转化，形成数据包并以无线的方式进行数据传输，通过PC端的数据采集系统实现数据的获取和存储。
[0007]技术方案：为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供一种通过磁耦合谐振无线供电技术和无线通讯技术，实现旋转振荡热管传热多物理场测试的方案。其主要由磁耦合谐振无线供电系统，基于微控制器的旋转端信号采集系统，基于射频通讯的无线数据传输系统，PC端的数据采集系统，以及主轴转接头，振荡热管支架，振荡热管，盖板等附件构成，装置的整体示意图如图1所示。
[0008]其中，无线供电系统的旋转端电路、微控制器、无线通讯模块和信号处理电路安装于非金属外壳中；
[0009]非金属外壳，振荡热管支架通过主轴转接头安装至旋转轴，旋转振荡热管通过盖板安装于振荡热管支架。无线供电系统的静止端电路安装于旋转轴上，并通过导线连接直流电源，旋转端电路连接振荡热管的加热元件。安装在振荡热管上的多种传感器接入基于微控制器的旋转端信号采集系统，无线通讯模块系统通过数据线从微控制器获取信息，通过射频通讯将数据发送至PC端的数据采集系统。通过磁耦合谐振无线供电系统为振荡热管加热元件供电，实现振荡热管热载荷的加载，通过跟随振荡热管旋转的多种传感器，信号处理模块、微控制器和无线通讯模块，实现旋转振荡热管的内部压力，温度等信息的获取。
[0010]利用旋转轴，主轴转接头，振荡热管支架，盖板和绝热材料等部件，实现旋转振荡热管的固定和旋转。
[0011]磁耦合谐振无线供电线系统总体分为三部分：发射端电路2，谐振线圈3，接收端电路4，如图2所示。磁耦合谐振无线供电系统的输入功率由直流电源13提供，电源的直流输出经过发射端电路2的转换，形成满足磁耦合谐振系统工作要求的高频电流，输出到由发射端电路2中的补偿电路和谐振线圈3构成的谐振回路，激发接收端谐振回路发生磁耦合谐振，产生高频交变电流，经过接收端电路4的调理后，形成直流输出为振荡热管的加热元件供电。由于无线供电系统的输入功率和输出功率具有较高的线性度，振荡热管的加热功率的控制可以通过调整直流电源13实现。
[0012]旋转端信号采集系统由热电偶，压力探头等传感器，信号处理模块18，微控制器6以及无线通讯模块17构成，如图3所示。根据传感器输出的电压信号的分度和微控制器6的模拟量输入范围，按照式(1)调整信号处理模块18的增益，补偿等参数。
[0013][0014]式中Gain为信号处理模块的增益，V
i
为微控制器的识别精度，V
c
为传感器的分度值。信号处理模块的补偿则根据试验环境和传感器类型通过标定获得。
[0015]经过信号处理模块18处理后的信号读入微控制器6，微控制器6通过算法完成数据转化后，按照数据的通道来源，数据长度等信息对获得的数据进行打包，再通过SPI将打包好的数据传输至无线通讯模块进行传输。通过微控制器芯片的波特率，采样耗时，数据包大小等参数按照式(2)计算旋转端信号采集系统的极限采样频率，并将结果反馈至PC端的数据采集系统14的操作界面。
[0016][0017]式中，f为信号采集系统的极限采样频率，n为传感器个数，t
d
为微控制器的单次采样耗时，bit为数据包的总字节数，B为波特率。
[0018]PC端的数据采集系统14通过串口协议与信号接收端电路15建立通讯，信号接收端电路15将从旋转端信号采集系统接收到的数据包传输至PC端的数据采集系统14，PC端的数据采集系统14对数据包进行解码，实现传感器信息的实时显示和存储。试验装置中信号的流程如图4所示。另外，在PC端的数据采集系统中还可通过信号接收端电路15中的无线通讯模块对旋转端信号采集系统下达指令，进行采样频率，偏置值，数据通道等参数设置。
[0019]本专利技术涉及的旋转振荡热管传热多物理场测试装置的操作方法包括以下步骤:
[0020]步骤1：按照试验需求制作振荡热管腔体，利用真空泵抽真空并按照设定的充液率注入工质，封口，制成满足试验需求的振荡热管10，如图5所示。为振荡热管喷涂绝缘漆，缠绕加热丝19，布置传感器，使用绝热材料11包裹其蒸发端10
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1和绝热端10
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2后，装入振荡热管支架9，使用螺钉压紧盖板12，实现振荡热管的固本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种旋转振荡热管传热多物理场测试装置，其特征在于：包括:无线供电系统，数据传输系统，旋转端信号采集系统，PC端的数据采集系统，以及主轴转接头，振荡热管支架，振荡热管，盖板；部分无线供电系统的组件安装于非金属外壳（8）中；上述非金属外壳、振荡热管支架（9）通过主轴转接头（5）安装至旋转轴（1）构成旋转部分，旋转振荡热管（10）通过盖板（12）安装于振荡热管支架（9）；无线供电系统为磁耦合谐振无线供电系统，通过磁耦合谐振无线供电系统为振荡热管加热元件供电，实现振荡热管热载荷的热加载；其静止端电路（2）安装于测试装置的旋转轴（1）上，并通过导线连接直流电源（13）；无线供电系统的旋转端电路（4）连接振荡热管的加热元件；安装在振荡热管上的传感器接入基于微控制器（6）的旋转端信号采集系统，无线通讯模块系统通过数据线从微控制器（6）获取信息，通过射频通讯将数据发送至PC端的数据采集系统（14）。2.根据权利要求1所述的旋转振荡热管传热多物理场测试装置，其特征在于：所述的无线供电系统分为三部分：静止端电路（2），谐振线圈（3）和接收端电路（4），无线供电系统的输入功率由直流电源（13）提供，电源的直流输出经过发射端电路（2）的转换，形成满足磁耦合谐振系统工作要求的高频电流，输出到由发射端电路（2）中的补偿电路和谐振线圈（3）构成的谐振回路，激发接收端谐振回路发生磁耦合谐振，产生高频交变电流，经过接收端电路（4）的调理后，形成直流输出为振荡热管的加热元件供电；无线供电系统的旋转端电路（4）、微控制器（6）、无线通讯模块（17）和信号处理电路（18）均安装于非金属外壳（8）中。3.根据权利要求1所述的旋转振荡热管传热多物理场测试装置，其特征在于：旋转端信号采集系统由传感器，信号处理模块（18），微控制器（6）以及无线通讯模块（17）构成，根据传感器输出的电压信号的分度和微控制器（6）的模拟量输入范围，按照式（1）调整信号处理模块（18）的参数：
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（1）式中Gain为信号处理模块的增益，V
i
为微控制器的识别精度，V
c
为传感器的分度值；信号处理模块的补偿则根据试验环境和传感器类型通过标定获得。4.根据权利要求3所述的旋转振荡热管传热多物理场测试装置，其特征在于：经过信号处理模块（18）处理后的信号读入微控制器（...
【专利技术属性】
技术研发人员：钱宁，张新鹏，傅玉灿，张靖周，徐九华，赵彪，丁文锋，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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