发明内容
本发明所要解决的技术问题是研制一种工作可靠、抗干扰能力强、可长期免于维护，
能对旋转件进行监测和控制的非接触式双向多路信号与功率同步传输系统及方法，以满
足各种旋转机械结构的健康监测、闭环振动主动控制和其它闭环主动控制的需要。为解
决上述技术问题，本系统的组成包括固定于旋转件上随转轴一起转动的旋转件上的综合
信号调理电路，包括传感器连于信号放大器后再连于与非接触信号耦合器下行通道动圈
相连的调制器和驱动器连于功率放大器后再连于与非接触信号耦合器上行通道动圈相
连的调制器，信号放大器，功率放大器还分别连于电源耦合系统副边；与置于固定件或
壳体上的不能旋转的固定件上的综合信号调理电路，包括计算机数据采集及控制系统分
别连于与非接触信号耦合器上、下两个不动圈相连的解调器和调制器及与电源耦合系统
原边相连；以及置于旋转件与固定件之间的包括上行耦合通道、下行耦合通道和功率耦
合通道所组成的非接触信号耦合器所构成。
多路基带信号，包括测量信号和控制信号，经过调制和多路复用，变成适合于在一
个物理通道上进行耦合传输的信号进行传输，从而将多路测量信号从旋转件传至固定件
上或将多路控制信号作反向传输，这是本系统采用的基本方法。
本系统采用频率调制方式(FM)进行信号的调制，而采用频分多路复用的方式在一个物
理通道上进行多路信号的传输。调制是指使一个高频信号的幅值、频率和相角随低
频信号幅值变化而变化。调制方法一般分为幅值调制方式(AM)，频率调制方式(FM)
和脉冲编码调制方式(PCM)等。
PCM编码方式是比较先进的信号传输方式，但PCM系统复杂，造价高。调幅(AM)
方式的抗干扰能力和传输精度比较低，因而本系统中测量信号传输采用调频方式，为了
发挥AM方式电路简单，信号传输中的相位滞后小，容易实现的优点，本系统控制信号
的传输采用AM方式。因为在电磁耦合系统中，传输信号强、磁路封闭，因而信噪比高，
解决3使传输精度和抗干扰能力都得到较大提高。
本系统的工作原理是：埋入旋转件上的传感器的多路输出信号，经过旋转件上的综
合信号调理电路进行放大、滤波、调制和多路复用后，通过非接触信号耦合器的下行耦
合通道耦合至固定件上，固定件上的信号调理电路将信号进行解调分路后，还原成原多
路测量信号；计算机将多路信号进行采集，经过自适应控制运算后输出多路控制信号，
该控制信号通过固定件上的综合调理电路进行调制和多路复用后，通过非接触耦合器的
上行通道耦合至旋转件上综合信号调理电路上，在该处经过解调、分路、放大(通常是
高压放大)后，驱动旋转件上的执行器，完成对旋转件上的主动控制；另一方面旋转件
上所需的所有电源，都通过功率耦合通道提供；这样就组成了一个基于非接触信号传输
的旋转机械的多路测量与控制系统。
由于非接触信号传输系统没有滑动触点，因而不需要经常维护更换，对环境条件要
求不高，可以长期可靠运行。
本系统的核心部件是非接触信号耦合器，需要同时传输高压功率信号和多路低压高
频测量和控制信号。它包括耦合线圈和相应磁路两部份，需要通过耦合传输信号有低压
测控信号和高压功率信号。具体的结构是，在外壳与旋转中心轴之间装有三组非接触耦
合通道，由上磁罐对和动圈与不动圈组成的上耦合线圈对构成的上行耦合通道，由下磁
罐对和动圈与不动圈组成的线圈对构成的下行耦合通道和由电源磁路内、外磁环及电源
耦合系统原、副边所构成的功率耦合通道；每组可分为两部分，一部分与旋转中心轴相
连，并与之一起旋转，另一部分与外壳相连，它相对于外壳静止。该两部分实际上是耦
合通道的原边和副边，它们互相配对，该三组耦合通道的基本原理相同，但根据不同的
要求，要选择合适的磁芯材料，磁路结构和线圈参数。
附图说明
图1、旋转件非接触式双向多路信号和功率同步传输系统的组成框图。
图2、非接触信号耦合器结构示意图。
图3、(a)功率放大器组成框图，(b)功率放大器实施电路原理图。
图4、调制电路的原理图。
图5、线性检波原理图。
图6、利用非接触耦合电路实现频分多路信号传输的原理框图。
图7、本系统及方法用于直升机智能旋翼模型试验系统。
图1中标号名称：1、传感器，2、驱动器，3、信号放大器，4、功率放大器，5、
调制器和多路复用器，6、电源，7、解调器和分路器，8、非接触信号耦合器，9、解调
器和分路器，10、电源，11、调制器和多路复用器，12、计算机数据采集及控制系统。
图2中标号说明：21、外壳，22、上磁罐对，23、上耦合线圈对，24电源磁路外
磁环，25、电源耦合系统原边，26、下磁罐对，27、下耦合线圈对，28、旋转轴，29、
电源耦合副边，30、电源磁路内磁环，31、引线槽。
图7(a)中标号说明：1、旋转件上的综合信号调理电路，2、非接触信号耦合器，
3、基座，4、旋转轴，5、变速箱，6、调速电机，7、电机控制器，8、系统总控制台，
9、测控计算机，10、旋转件试件，压电传感元件及压电驱动元件
具体实施方式
图1所示的是本系统的原理框图。包括传感器，驱动器，信号放大器，功率放大器，
调制器和多路复用器，解调器和分路器，电源，计算机控制器，自适应算法等。下面分
别叙述：
(1)传感器和驱动器是两个功能元件，作为功能元件的压电材料，要求同时具有
正逆压电效应、频响宽、易于在复合材料中布置，相容性好。因此，可采用压电陶瓷材
料，这种材料具有上述特点。功率元件在旋转件中如何布置是非常重要的，如果被布置
在节点或节线上，振动控制就不会达到很好的效果。另外，为了综合考虑控制系统的重
量，成本及控制的复杂程度，还必须对压电传感元件和压电驱动元件的数量进行优化设
计。在扭转驱动的旋转件中，应把分布式压电传感元件与压电驱动元件，粘贴在同一部
位的两侧表面，构成模态传感/驱动器。利用这种组合元件，对结构的振动实现同位控
制，可避免控制溢出。
(2)信号放大器
传感器一般采用压电传感元件，这类元件受力后表面产生电荷，因此最好采用电荷
放大器将电荷转化为标准电压信号，提供给调制器。
(3)功率放大器
驱动器最好采用压电陶瓷片，在压电陶瓷片两个电极上加上一定电压后，由于逆压
电效应的的作用，在压电片的某一方向上会产生变形。实验表明在一定的驱
动电压下，变形与驱动电压之间存在很好的线性，施加的电压值越大，所产生的
变形也越大。压电作动器必须用高电压来激励，但是，控制电路的输出电压一般
在0-5V，-5～5V，0～10V，-10～10V等范围内，因而需要设计高压功率放大器
将控制信号进行电压放大。为满足驱动压电陶瓷驱动的需要，对高压功率放大器
的最基本的要求应是：
(a)、能够将控制器输出的低电压信号放大成满足要求的信号，而且要有
较好的精度；
(b)、放大后的信号应有较小的相位失真，这一点对高频信号的放大更为重
要。
本功率放大器的组成原理框图如图3(a)所示，它由低压电源、高压电源、
浮动电源、前置放大级、高低压隔离级和高压功率放大等组成。
(3.1)、低、高电源：
高压功率放大器是将低压信号放大成高压信号的放大器，对低压放大部分，
必须提供低压电源，该电源幅值为-15V和+15V。而对高压放大部分，必须提供
高压电源，该电源幅值为-600及+600V。高、低电源之间还必须采用光电隔离器
进行隔离，以防高压部分对低压部分的漏电造成干扰甚至破坏。同时高压功率管
上必须加上浮动的偏置电压以使其正常工作，也必须提供两个浮动的电源，该电
源幅值为10V。
(3.2)、前置放大及功率放大：
高压功率放大器的放大部分原理图如图3(b)所示。图中，运放U5：A的
同相输入端接功率放大器的输入，并有两只背靠背放置的稳压管用来提供输入保
护，限制过高的输入电压。其反向输入端通过相应电路与功放的输出端形成反馈。
两只光耦H11B1完成高低压之间的电气隔离和电平转换。DC-DC变换器给三极管
提供偏置电压。对管T5、T6组成推挽输出，T3、T4提供了过流保护功能。另外，
在三极管的散热片上还安装有热保护继电器，以提供三极管的过热保护。
(3.3)、调制电路：
调幅电路采用MC1596的平衡调制解调器，其电原理如图4所示。MC1596相
当于一个乘法器。需要+12V电源和-8V的偏置电压。图中C2将载波信号耦合到
调制器的载波输入端，并进行电平移动，C3隔离输出端的直流分量，使输出得到
对称的交流信号。为了能驱动耦合线圈，输出经过一个由运算放大器和两个推挽
三极管组成的功率放大器进行适当的功率放大。R1控制调制器的增益。为了避免
在一定的输入信号范围内出现过调幅现象。可用电位器P1进行输出波形的零点
调整。图中左半部分由双运放O3和相应元件组成的电路是一个正弦波发生器，
用来给MC1596提供载波信号。其中R22、C8、C7、R21组成正反馈选频网络。二极
管D3、电阻R19、电容器C6和电位器P3控制工作在可变电阻状态的场效应管的漏
源电阻达到自动稳定输出正弦波幅值的目的。
(3.4)、线性检波器：
信号的解调也可用MC1596来实现，电路形式与调幅电路相似，只不过后面
加了一级滤波器用来滤除无用载波分量。
对于普通调幅方式，可用二极管包迹检波和线性检波进行解调，其电路简单，
原理直观。其线性检波电路原理图如图5所示。当输入为正时，O2：A的输出为
负，D1截止、D2导通由R14形成负反馈，检波器的输出为负，当R12＝R14时，其值
等于输入值；当输入为负时，运放输出为正，D1导通、D2截止，此时也形成负反
馈，由于运放虚短路使运放负输入端电位为0，导致输出为零。因而调幅波经过
检波后输出波形的包迹就是被调制的低频信号，以上检波器的最低检波工作电压
可达几微伏。将该信号进行低通滤波，便可滤去高频信号，得到正比于调幅波包
迹的平均值，电位器P5分别与正电源和地相连，用来给运放提供直流偏置，同
时输出的零点也通过它调节。
(3.5)、调频及多路复用
本系统中采用FM技术进行信号的调制，采用频分复用(FDM)技术进行多路
信号的传输。FDM技术是指采用频率划分的方法，将多路信号复合在一个信道中
传送到接受端的技术。其基本原理是，采用某种信号的调制方式，将多路信号的
频谱搬移到互不重叠的频段上。
利用非接触耦合电路来实现FDM多路信号传输的原理框图如图6所示。
将N路信号选用N个不同频率的副载波分别进行调制，使得调制后的N路信
号都搬移到各副载波的频率上，然后送入复用器综合成复合信号进行传送。接受
端接到信号后，利用N个中心频率为相应副载波频率的带通分路器来分离各路信
号，分路器的带波器的带宽应大于或等到于各信号的带宽。最后，经过解调器进
行信号解调便得到基带信号。
本系统的非接触信号耦合器，是实现非接触信号传输的关键部件，对于功率
耦合而言，关键问题是保证小体积、大功率以及高传输效率。为此，将工频交流
电源通过AC-DC-AC变换成高频交流电，再通过线圈进行耦合，就能够减小耦合
器的体积，提高其效率。然而，高频信号的传输相应的高频磁性材料，要求导磁
率高、电阻率大，使高频信号通过时产生的涡流损耗小。但适合高频信号传输的
磁性材料难以保证足够的加工精度，因而不能保证足够小的气隙，也就不能保证
足够大功率传输比，为此采用纯铁作为非接触耦合器的磁芯材料。为了保证传输
高功率的需要，在设计加工中，要提高加工精度，减小磁隙；对于信号耦合，关
键要考虑信号传输的带宽和在旋转件主轴旋转时保证磁路不变，由于需要耦合的
信号是经过高频载波调制后的信号，因而选择铁氧体作为相应磁芯材料。要保证
信号的传输精度，还要求软磁材料的工作区在线性范围内，因此要对线圈的匝数
和磁路进行设计和试验。通过设计磁路结构，以保证在旋转件转动时不改变磁路
参数，为此设计了圆环型铁氧体磁芯和圆环型的耦合线圈，使得其磁力线关于旋
转轴对称。其具体结构如图2所示，包括3组由环形线圈和磁芯组成的电磁耦合
单元。每一组耦合单元包括一个动圈(与轴一起旋转)和不动圈(与机座相连)，
3组耦合单元中一组用于测量信号的传输，一组用于控制信号的传输，另一组用
于传输高压功率。
图7、是本系统及方法用于直升机智能旋翼振动与噪声主动控制试验系统。
该试验系统在浆叶上埋入有测量浆叶振动的压电传感器和驱动浆叶变形的驱动
器，还有为了进行数据采集、数据处理和自适应控制的计算机测控系统以及使旋
翼旋转的驱动机构，包括机座、电机、电机控制器和传动机构等。在系统中与埋
入浆叶上的压电传感器相连的电荷放大器，用以配合压电传感器元件进行旋转件
的应变测量，电荷放大器的输出接至信号调制器进行幅度调制，然后将信号通过
线圈和磁芯组成的电磁耦合系统传输到安装在机体上的信号解调器上，经过解调
后，进行滤波，得到被测信号，送至计算机数据采集卡。计算机通过一定的控制
策略，计算出相应的控制输出，将控制信号经过同样的方法传至旋转件上的高压
功率放大器，用来激励旋转件上的压电驱动元件，使旋转件产生周期性变形，改
变旋转件的气动载荷，抑制旋转件的振动。
调速电机经过减速换向后，驱动旋转件旋转，从旋转变压器可获得简谐信号，
提供给自适应控制器作为参考信号。
图7(b)所示的是本试验系统的组成框图，包括由压电传感器、压电驱动
器、电荷放大器、功率放大器、调制器、解调器、电源所组成的旋转件上的综合
信号调理电路，和由放大器、计算机控制器、解调器、电源、调制器等所组成的
固定件上的综合调理电路以及由上行耦合通道、下行耦合通道、功率耦合通道所
组成的非接触信号耦合器。
本发明用于旋转件系统的测量和控制，例如转矩测量、转子温度压力和动态
应变测量、振动主动控制、旋转机械的健康监控等。在军用和民用工业领域都有
很好的应用前景。