田志勇，金文兵浙江機電職業(yè)技術(shù)學院，浙江 杭州 310053

旋轉(zhuǎn)構(gòu)件在工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛，角應(yīng)變作為旋轉(zhuǎn)構(gòu)件受力狀態(tài)和形變的主要參數(shù)，成為機械設(shè)備運行狀態(tài)在線監(jiān)測和故障診斷的重要依據(jù)。隨著高精密的機電一體化設(shè)備的出現(xiàn)與應(yīng)用，對旋轉(zhuǎn)構(gòu)件角應(yīng)變的在線檢測勢在必行。

傳統(tǒng)的應(yīng)變檢測方法是采用電阻應(yīng)變片法，這種方法工作原理明確、結(jié)構(gòu)簡單、使用廣泛，但是需要通過集流器將應(yīng)變信號傳送至測量電路。常用的集流器有拉線式、電刷式和感應(yīng)式，拉線式集流器是一次性集流器，適用于低速測量；電刷式集流器工作時定子、轉(zhuǎn)子發(fā)熱會導致信號漂移，會出現(xiàn)測量誤差；感應(yīng)式集流器動靜線圈之間的間隙和變壓器損耗會引起標定值變化而引起測量誤差。因此，提出一種基于電磁法的角應(yīng)變在線檢測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件角應(yīng)變的非接觸式檢測。

1 工作原理

基于電磁法的角應(yīng)變在線檢測的工作原理如圖1所示，在旋轉(zhuǎn)軸的a、b兩處沿徑向貼上磁鋼，在對應(yīng)于兩磁鋼的軸測放置線性霍爾元件H1、H2，用以測量磁場的變化。

圖1 工作原理

當旋轉(zhuǎn)軸勻速旋轉(zhuǎn)時，H1和H2將產(chǎn)生一系列近似的正弦波信號，信號的頻率只與轉(zhuǎn)速有關(guān)。如果旋轉(zhuǎn)軸不受扭應(yīng)力，即不存在角應(yīng)變時，H1和H2同時經(jīng)過磁鋼a和b，兩路信號的頻率相同且相位差為0；如果旋轉(zhuǎn)軸受到扭應(yīng)力而存在角應(yīng)變時，則H1和H2經(jīng)過磁鋼a和b的時間將產(chǎn)生先后，導致兩路信號的相位差不再為0，顯然相位差的大小同旋轉(zhuǎn)軸受扭的程度有關(guān)。如果能夠測量出兩路信號的相位差，則可獲得旋轉(zhuǎn)軸的角應(yīng)變。

2 檢測器的設(shè)計

檢測器外殼用耐磨、絕緣的非磁性材料做成封閉良好的剖分式結(jié)構(gòu)，環(huán)抱著旋轉(zhuǎn)軸，如圖2所示?；魻栐胖迷趦蓚€半體內(nèi)部的溝槽（B槽）內(nèi)，并通過電路板（電路板插在A槽內(nèi)）與信號測量電路相連接。H1和H2布置在與旋轉(zhuǎn)軸軸線平行的一條直線上，其間距為180mm。

圖2 檢測器的結(jié)構(gòu)

霍爾元件選用日本產(chǎn)THS103A型砷化鎵霍爾傳感器。THS103A型霍爾元件體積小、輸出電壓為毫伏級、非線性度＜2%、工作溫度在-55～125℃之間、熱穩(wěn)定性好、價格不高（10～100日元），性價比較高。

3 信號預處理電路

實驗證明，旋轉(zhuǎn)軸件上的磁跡使霍爾元件輸出的信號非常微弱，THS103A的輸出電壓一般不大于3mV，必須對HS103A的輸出電壓進行放大，同時還要對THS103A的不等位電勢和溫度誤差進行補償。

由于THS103A霍爾元件的熱穩(wěn)定性很好，在霍爾元件信號前級預處理電路中，采用恒流源補償法對溫度誤差進行補償。即采用恒壓源供電，合理選取補償電阻，即可實現(xiàn)對HS103A的溫度補償。這樣，霍爾電勢的變化就可以反映出磁場的變化。

對于不等位電勢，由兩個電阻和THS103A組成電橋來補償。放大器選用低噪聲高精度集成運算放大器OP07，該運放具有較高的穩(wěn)定性和共模抑制比，而且溫飄很小。

4 脈沖填充計數(shù)法測量相位差

采用脈沖填充計數(shù)法測量相位差。對于兩路信號，先采用過零比較電路將其分別轉(zhuǎn)換成脈沖信號，然后將其中一路取反，與另一路信號相與，則得到一等脈寬的脈沖信號，脈寬t，即是兩路正弦信號的相位差。

處理后的信號如圖3所示，Ua和Ub分別是H1和H2的磁場檢測信號，Ta和Tb分別為Ua和Ub經(jīng)過整形和處理后的脈沖信號，t是信號相位差，T是正弦波信號的周期。以Ta作為基頻，經(jīng)鎖相環(huán)倍頻得到計數(shù)脈沖，對脈寬t進行計數(shù)即可得相位差。

圖3 相位差檢測信號

5 檢測電路的設(shè)計

檢測系統(tǒng)硬件電路由比較整形電路、信號倍頻電路和單片機系統(tǒng)組成，比較整形電路采用LM339。對于采用脈沖填充計數(shù)法，倍頻系數(shù)越大，測量精度越高，采用3600倍頻，其測量精度為0.1o，可以滿足實際需要，倍頻電路鎖相環(huán)集成電路CD4046組成。

檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和顯示采用AT89S51單片機，在設(shè)計中，將相位差脈沖作為計數(shù)器工作的門控，在相位差為高電平時對計數(shù)脈沖進行計數(shù)，從AT89S51的INT0管腳輸入，而將計數(shù)脈沖從T0管腳輸入。設(shè)置門控位GATE0為1，使定時器T0的啟動受INT0的控制。這樣，當TR0為1時，只有INT0管腳輸入高電平，T0才允許計數(shù)，從而完成為相位差脈沖寬度的測量。

6 結(jié)論

本文所研究的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件角應(yīng)變的檢測技術(shù)與方法，在原理上和實用上均優(yōu)于傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片法，基于電磁檢測、信號處理與轉(zhuǎn)換技術(shù)，利用單片機并以非接觸方式來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)構(gòu)件角應(yīng)變的在線檢測，既簡單易行、又經(jīng)濟實用。

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