航空发动机和燃气轮机在工业领域中占有及其重要的地位。作为航空发动机和
燃气轮机的重要部件之一，涡轮叶片在运行过程中面临高温，强气流以及强振动等恶
劣环境，这些条件极易导致疲劳断裂、热损伤和磨损等问题。然而，在高速旋转设备
中，传统的接触式测量已无法满足需求。因此，为了确保设备的安全运行和性能优化，
开发适用于旋转环境的无线应变/温度采集系统至关重要。

应变、温度参数同步采集系统专门设计用于获取、处理和转换应变和温度信号。

其主要功能是实时采集结构或材料在受力和温度变化下的响应，从而分析其力学性

能和热稳定性。系统通过应变传感器测量材料或结构的形变程度，并使用热电偶监测

温度变化。同步这两种数据后，可以准确评估测试件在不同环境条件下的性能。本章

将通过分析和研究电阻应变片和热电偶及其测量方法，实现对应变信号和温度信号

准确稳定的采集。

2.3 系统总体方案设计

2.3.1 系统硬件方案设计

面对旋转环境下的任务要求，应变/温度同步信号采集系统分为了转子部分和定

子部分，其结构框图如图 2.5 所示。定子组件主要是无线供电发射模块，而转子组件

主要由控制板卡，信号调理板卡和无线充电接收模块组成。8 通道的温度和应变信号

经过信号调理板卡对其进行放大和滤波后，由 ZYNQ 芯片控制的 ADC 完成信号的

模数转换。控制板卡上搭载了 QSPI Flash、SD 卡、DDR3 和 USB 等外设，并运行

Linux 操作系统。控制板卡通过 USB 与 Wi-Fi 模块相连并与上位机组成了一个局域

网实现数据的无线传输。

2.3.1.1 ZYNQ-7000 架构

ZYNQ-7000 系列芯片是一种高度集成的片上系统，它将一个双核 ARM Cortex

A9 处理器和一个传统的现场可编程门阵列逻辑部件集成到了单个芯片中，分为处理

系统部分（Processing System）和可编程逻辑部分（Programmable Logic），ZYNQ 芯

片的架构简化模型如图 2-6 所示。在 ZYNQ 上，ARM Cortex-A9 是一个应用级的处

理器，能运行像 Linux 这样的操作系统，而可编程逻辑部分是基于 Xilinx7 系列的

FPGA 架构。

2.3.2 系统软件方案设计

应变/温度同步信号采集系统的软件设计主要包括两个部分：转子组件中的

ZYNQ 芯片的逻辑与 Linux 软件设计，以及上位机软件设计。在转子组件的程序设计

中，由 ZYNQ 芯片的 PL 端和 PS 端两部分程序组成。PL 端的程序负责 ADC 的逻辑

控制，PS 端移植了 Linux 操作系统。在配置 Linux 内核时，需要同时配置 Wi-Fi 芯

片的驱动程序[39]，并设计编写 DMA 中断驱动程序[40]、基于 UDP 协议的网络通信服

务端应用程序[41]和数据读取应用程序。上位机软件开发选择 Microsoft Visual Studio

集成开发环境，基于.NET 框架进行开发。尽管 Microsoft Visual Studio 对编程人员的

要求较高，但课题组在该开发环境中开发上位机软件已有一定的成果，可以较为容易

地完成新上位机的开发，实现通过 UDP 协议接收数据和波形显示等功能。

2.3.3 系统指标设计

针对高速旋转环境下应变、温度信号采集的实际需求，本文综合调查了国内外产

品的工作参数，从而明确设计采集系统电路的性能指标。

①通道数：8

②信号测量精度：热电偶信号±0.2％FS、应变信号±0.1％FS

③支持标准热电偶类型：K 型，S 型

④应变测量范围：±5000με

⑤电桥激励电压：+2.5V

⑥无线供电距离：5mm~10mm

⑦无线充电功率：≥9W

⑧最高转速：≥8000RPM