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基于无源无线声表面波技术的机床主轴热监测系统研究与实现

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致谢

摘要

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 国内外研究现状与发展趋势

1.2.1 机床主轴热监测技术的国内外研究现状与发展趋势

1.2.2 声表面波传感技术的研究现状与发展趋势

1.3 论文框架及主要研究内容

1.3.1 论文的总体框架

1.3.2 论文主要研究内容

第二章 无源无线声表面波温度传感技术理论基础

2.1 声表面波传感技术基本理论

2.1.1 声表面波概述

2.1.2 声表面波的传感原理

2.2 声表面波传感器结构与分类

2.2.1 声表面波传感器基本结构

2.2.2 声表面波传感器的分类

2.2.3 传感器类型的选择

2.3 单端谐振型声表面波温度传感器理论

2.3 单端谐振型声表面波温度传感器理论

2.3.1 单端谐振型声表面波温度传感原理

2.3.2 单端谐振型声表面波传感器频率响应特性

2.4 声表面波传感器的设计和制作

2.4.1 声表面波传感器的设计

2.4.2 声表面波传感器的制作

2.5 本章小结

第三章 无源无线声表面波热监测系统设计与实现

3.1 声表面波热监测系统的总体设计

3.1.1 系统的总体设计

3.1.2 阅读器整体设计方案

3.2 阅读器发射链路的设计与实现

3.2.1 本振模块

3.2.2 射频功放模块

3.2.3 射频开关模块

3.3 阅读器接收链路的设计与实现

3.4 声表面波热监测系统上位机软件开发

3.5 本章小结

第四章 声表面波热监测系统性能分析与优化

4.1 引言

4.2 天线理论基础

4.2.1 天线性能表征参数

4.2.2 传感器与阅读器的接收功率

4.2.3 平板反射器对天线的影响

4.2.4 热监测系统天线选择

4.3 声表面波热监测系统电磁信号传输质量的影响因素分析

4.3.1 传输距离对信号传输质量的影响

4.3.2 金属环境对信号传输质量的影响

4.3.3 天线间夹角对信号传输质量的影响

4.3.4 实验结论

4.4 声表面波热监测系统性能优化布置方案

4.5 本章小结

第五章 无源无线声表面波热监测实验与分析

5.1 实验平台与实验方案设计

5.1.1 主轴热监测实验平台构建

5.1.2 实验方案设计

5.2 热监测系统静态测温实验与分析

5.2.1 谐振频率和温度相关性实验

5.2.2 静态温升实验

5.3 主轴热监测实验与分析

5.3.1 主轴热监测系统优化配置

5.3.2 机床主轴热监测实验及其结果分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 课题展望

攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况

参考文献

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摘要

随着数控机床加工精度要求的提高,机床热误差问题的研究变得尤为重要。而主轴作为机床的核心功能部件,其热变形将影响整个机床的工作性能,因此对机床主轴的热监测技术研究具有十分重要的意义。论文在深入研究声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)温度传感技术相关理论的基础上,提出了一种基于无源无线SAW传感技术的机床主轴热监测方法,并针对该方法开展了相关的研究和实现工作。
  首先,阐述了研究工作的背景及意义,详细综述了机床主轴热监测技术和SAW传感技术的国内外研究现状。在此基础上,论文详细论述了无源无线SAW温度传感技术的相关理论基础,包括SAW传感器的结构和分类等。结合不同类型传感器的特点和论文的应用场合,选择了单端谐振型SAW温度传感器,同时对该类型传感器的测温原理和频率响应特性进行了讨论,为热监测系统的设计和实现提供了理论基础。
  其次,论文在SAW热监测系统总体设计的基础上对阅读器的射频发射链路和射频接收链路进行了详细的设计和制作。发射链路主要包括本振模块、射频功放模块和开关模块;接收链路主要为下变频模块。论文针对每个功能模块进行芯片的选型、电路的设计、制作和功能的测试等,最后完成了该系统阅读器的研制。同时论文完成了该系统上位机软件的设计与开发,该软件主要实现阅读器上传数据的接收、处理和显示等功能。
  最后,论文在天线设计理论的研究基础上,开展了SAW主轴热监测系统性能分析和优化研究。通过系列实验研究了不同因素对系统电磁信号传输质量的影响,包括信号传输距离、天线间夹角和周围的金属环境,根据实验结果设计了该系统的优化配置方案。基于该系统的优化配置方案,论文完成了热监测系统的静态测温实验和主轴热监测实验,通过静态测温实验验证了谐振频率与温度的近似线性关系,分析了系统的静态热监测性能;通过与传统的有线热监测系统对比完成了主轴热监测实验。结果表明SAW热监测系统可以更直接地获取主轴温度场的数据,更明显地反映主轴温度场的变化情况。证明了基于无源无线SAW传感技术的主轴热监测方法的有效性和优越性。

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