具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种针对于航空发动机的无线自供能测温系统，所述系统包括测温终端、供能模块和能量管理模块，所述供能模块将能量输入至能量管理模块，所述能量管理模块将能量输入至测温终端，所述测量终端与Zigbee协调器节点之间无线传输，所述Zigbee协调器节点将信号传输至上位机。

测温终端，测温终端由K型热电偶堆热电偶堆和zigbee测温终端节点构成。选热电偶堆由测温范围在0℃-1050℃的十个K型热电偶串联而成的。当热电偶感受到具体温度时，会由于热电效应产生电势差，通过将热电偶串联，会将热电偶堆正负两侧采集到放大10倍的热电偶输出信号通过信号线传输给终端节点的P06采集电压端口。Zigbee测温终端，主要由CC2530芯片及底板构成，这里选用由亿佰特公司制作的E18-MS1-PCB测试板硬件。通过Smarf04EB仿真器将ADC采集电压代码烧录到测试板硬件中。测温终端通过具体的采集代码实现下列功能：(1)通过采集端口P06采集来自热电偶堆的电压信号，(2)通过所在的zigbee网络以终端的身份将电压数据发给PC机相连的协调器节点。

供能模块，本供能模块是利用航空发动机工作时内壁面与外涵道来流存在的温差进行发电，选用材料为碲化铋，型号为SP1848-27145的耐高温发电片，考虑到搭载到发动机的实际需求，发电片尺寸选择20mm×20mm×6mm。在冷热面两端温差为150摄氏度以上时，发电片可以稳定输出2V以上电压，为无线测温终端节点及能量管理系统中的蓄电池供能。

能量管理模块，本能量模块通过将温差发电片输入的2-3V电压信号，升压到稳定的5V作为供电电源，正常工作下，电源在保证zigbee测量终端工作的同时以10ma左右的充电电流为蓄电池充电，当温差供电侧停止供电时，能量管理模块通过连接的蓄电池为zigbee终端节点供电。上述供能的实现先是通过SX1308模块对供电电压进行升压，而后通过设置隔离二极管避免用电侧对供电侧造成影响，最后利用RT9193芯片对4.5V左右的电压转换为3.3V稳定输出，为zigbee供电。

进一步的，所述能量管理模块包括蓄电池模块与充放电转换电路，所述测温终端包括K型热电偶堆与Zigbee终端模块，所述供能模块包括温差发电片，所述温差发电片将能量输入充放电转换电路，所述充放电转换电路与蓄电池模块进行能量转换，所述充放电转换电路将能量输入Zigbee终端模块，所述K型热电偶堆将采集的电压型传输至Zigbee终端模块，所述Zigbee终端模块与Zigbee协调器节点之间无线传输。

进一步的，所述充放电转换电路包括接口P1，所述接口P1的1号端分别与电容C3的一端、电容C6的一端、芯片U2的4号端、芯片U2的5号端、工作电压VCC与电感L1的一端相连接，所述电感L1的另一端分别与芯片U2的1号端与二极管D1的正极相连接，所述二极管D1的负极分别与电阻R2的一端、电容C9的一端、电容C10的一端、电容C11的一端、电容C7的一端与二极管D2的正极相连接，所述二极管D1的负极分别与电源BT1的一端、电容C8的一端、电容C4的一端、芯片U1的1号端和芯片U1的3号端相连接，所述芯片U1的5号端分别与电容C2的一端、电容C5的一端、电阻R1的一端、工作电压3.3V和接口P1的1号端；

所述芯片U2的5号端分别与电容R2的另一端和电容R3的一端，所述电容R1的另一端与发光二极管D3的正极；

所述接口P1的2号端分别与电容C3的另一端、电容C6的另一端、芯片U2的2号端、电容R3的另一端、电容C9的另一端、电容C10的另一端、电容C11的另一端、电容C7的另一端、电源BT1的另一端、电容C8的另一端、电容C4的另一端、芯片U1的2号端、电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C5的另一端、发光二极管D3的负极和接口P2的2号端。

一种针对于航空发动机的无线自供能测温系统的测试方法，所述测试方法包括以下步骤：

步骤1：将加热板和水冷片打开工作，温差发电片上下表面形成150-200℃的温差；

步骤2：将步骤1的温差发电片与充放电转换电路相连接，充放电转换电路上插接蓄电池；

步骤3：将步骤2的充放电转换电路连接zigbee终端工作节点；

步骤4：将步骤3的zigbee终端工作节点与zigbee协调器节点无线连接，并通过上位机显示串口接收界面。

航空发动机在具体工作的过程中，由于其燃烧室工作时会发出大量的热量，燃烧室内部核心温度会到达1300℃，而其与外涵道的温差也较大。因此在发动机壁面会有大量较难利用的热量，这些热量对于发动机不仅不会对动力增加产生较大的作用，还会给发动机的正常工作带来影响，为发动机的冷却带来问题。因此本自供能无线测温系统的构建需求是在利用发动机工作过程中的余热为温差发电片提供温差。根据相关资料调研，40mm*40mm左右材料为碲化铋的温差发电片在高低温侧温差为180℃左右时，电压可到2.5V左右，因此本发明利用壁面高温的实际情况来对传感器进行供能。

用加热板和水冷片代替了高温热源和低温冷却源。

由于发动机在初始启动过程中，测控系统要先于压气机和燃烧室运转，因此为了保证发动机的正常工作，在本系统节点中，准备了蓄电池模块，并根据zigbee采集模块的具体功耗给出了蓄电池容量的具体曲线，如图6。

应保证温差发电片两侧存在150℃以上温差或蓄电池中有一定电量，开启zigbee终端模块，将测温热电偶堆放置在待测温度平面上，确保十个测温节点充分接触待测平面。

看到zigbee模块工作指示灯亮起，打开上位机串口接收界面，通过Usb连接协调器模块，即可在串口界面读取到待测温度所转换的具体电压值。

图8和图9证明整个温差供电系统的设计满足无线测量传感器的供能需求。

通过对zigbee终端工作时的最高电流进行测算，可以得到zigbee的最大电流来源于其发包时的波峰变化，电流大小为36mA左右，其峰值最大功率为0.1188w，而电路管理模块作为转换电路在电压转换时，势必会引入一定的损失。此外电路管理模块在转换时，为了指示电源工作，也需要引入电路指示灯，会给整个系统增加额外的功耗，这里为了增加余量保证系统工作，对正常供电的效率因数取0.8左右，则zigbee侧所需做大功耗为0.1485W，结合发动机的实际启动过程，自供能无线测量传感器应先于发动机工作运行，考虑到民用发动机启动时间在2-3min，军用发动机一般更快，这里为了拓宽裕度，取前置工作时间(即发电片未供电时间)为10min，结合航空发动机的实际壁温需求，取发动机最小工作时间为10min，发动机停机，壁面高于200摄氏度的可充电冷却时间为20min，则发电片的输出功率W，应满足：

(W-0.1485)×10+20W＞10×0.1485 (1)

可解W应大于0.099w，得到发电片的最大输出功率下面给出温差发电片的具体选择。

选择温差发电片势必要选择合适的发电片材料以及发电片的面积，而评估发电片热电性能的重要参数，一个是作为衡量电压输出的塞贝克系数α，其单位为v/K，表征热电材料热电效应的大小，根据塞贝克效应，热电材料的输出电压值满足如下公式：

因为温差发电片最高温度为220℃，考虑到发电片自身温度限制及实际能提供的稳定温差，取ΔT＝150。根据输出功率随负载电阻变化规律可知，随着负载电阻的增加，输出功率在负载电阻与内阻相等时，取最大输出，令负载电阻与内阻阻值相等，可得不等式：

根据发电片内阻实测值，取r＝5可得，发电片的总α系数，应大于0.0094，确定发电片的总塞贝克系数后，还应考虑影响发电片实际效率的优值Z。

取温差发电片的实际工作效率为η，则η可得：

P为发电片实际输出功率，上式已有提及，Q总包含温差发电片从热端到冷端导热量、温差发电片在热端的帕尔贴效应产生的热量，以及与电流产生的焦耳热之差，计算可得

其中T_a为发电片热端温度，T_b为发电片冷端温度，λ半导体器件的总导热系数，m为负载电阻与内阻的比值，r为发电片内阻。为了更好的说明影响效率的因素，这里热电优值Z，其定义为：

Z＝α²/λr (6)

α为塞贝克系数，λ为导热率，r为发电片内阻，将优值系数Z代入，可以发现发电片的热电效率随优值Z的增加而增加，因此为了提高发电片的热电效率，在选择较大塞贝克系数发电片的同时，还应选择Z值较大的发电片。此外考虑到集成时的面积需求，尽量需要30*30mm及以下面积的发电片。

通过上述条件，选择型号为SP1848系列的温差发电片，温差片面积选择20×20mm和30×30mm两种，并对发电片的在不同温差下的开路电压和负载电阻为10欧时输出功率进行测试。如图2所示。

发电片具体测试方法为，选用电加热温控仪控制加热板温度，并用水冷片控制温差发电片冷端温度，利用电压表测量开路电压，实验过程中，通过水冷装置，低温侧温度始终在20℃左右，上图为发电片测试时的具体实验装置图。

通过图10-11中的实验数据，可知当输出电压随温度的不断升高而升高，在高温侧温度在190℃，即温差为170℃时，发电片输出电压为2.6V，根据实验数据曲线，得到20×20mm发电片塞贝克系数为0.0153，满足发电片的具体需求。并对不同温度下的输出电压与输出电流进行计算，得到其内阻在5Ω左右。