丁彥芳，楊 欣

(1.鄭州科技學院信息工程學院,河南鄭州 450064；2.鄭州大學信息工程學院,河南鄭州 450001)

0 引言

葉片是汽輪機的主要零部件之一，葉片上的汽道決定著汽輪機的發(fā)電功率。葉片的設(shè)計日益復(fù)雜且精度要求也越來越高，為了確保汽輪機安全可靠的運行，對汽輪機汽道的測量必不可少[1]。傳統(tǒng)的汽道測量方法是利用鋼制梯形斜尺來進行測量，此種方法不僅測量精度低、誤差大而且耗時費力，因此本文設(shè)計了一種便攜式汽輪機汽道寬度測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)將嵌入式技術(shù)和集成傳感器技術(shù)結(jié)合，利用位移傳感器檢測汽輪機的汽道，將采集到的數(shù)據(jù)利用液晶屏實時顯示，該系統(tǒng)具有體積小、便攜帶以及智能化程度高等優(yōu)點[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)主要由微型位移傳感器、汽道數(shù)據(jù)采集裝置、LCD顯示屏等組成[3]。將位移傳感器放置在汽輪機的葉片上，利用其檢測葉片間汽道的寬度，傳感器將檢測到的汽道的寬度值轉(zhuǎn)換為電壓信號，再利用信號調(diào)理電路對信號進行濾波放大處理，利用A/D采樣芯片對傳感器輸出的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，計算得到汽輪機的汽道寬度。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路主要包括位移傳感器數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)處理電路、數(shù)據(jù)傳輸電路以及LCD顯示電路等[4]。當按下外部按鍵啟動系統(tǒng)時，系統(tǒng)開始采集汽輪機的汽道寬度數(shù)據(jù)，傳感器將檢測到的寬度值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓量輸出，利用A/D轉(zhuǎn)換芯對電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，計算得到相應(yīng)的汽道寬度值。該系統(tǒng)具有體積小、便攜式的優(yōu)點，系統(tǒng)采用獨立的鋰電池供電，通過外接LCD屏實時顯示測得的數(shù)據(jù)，可通過預(yù)留的串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機中顯示，硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 電位器式位移傳感器工作原理

電位器式傳感器測量位移的原理是：當旋轉(zhuǎn)電位器或滑動滑線變阻器的滑動臂時，其輸出的阻值就會變化，利用電阻分壓的方法就可以將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化[5-6]。電位器式位移傳感器位移-電壓轉(zhuǎn)換原理圖如圖3所示。

圖3 電位器式位移傳感器位移-電壓轉(zhuǎn)換原理圖

設(shè)傳感器中電阻體的長度為L，電阻阻值為R，x為位移量，兩端的輸出電壓為U1，則滑動端的輸出電壓U為

(1)

由式(1)可知，電位器式位移傳感器可將測得的位移量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓量輸出。本文選用的位移傳感器的型號為KTR，該型傳感器的電阻值為1 kΩ，量程為0～15 mm，傳感器的線性度為±0.05%，采用5 V供電。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路

由于傳感器輸出的模擬電壓信號比較微弱且夾雜著噪聲信號，此信號并不能直接送入A/D轉(zhuǎn)換器中進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，必須先進行濾波放大[7]。系統(tǒng)選用低噪聲、低溫漂高精度的運算放大器AD8610實現(xiàn)微弱電信號的放大，再利用運算放大器AD817組成的二階低通濾波電路濾除信號的高頻干擾信號后再送入A/D轉(zhuǎn)換器中，計算得到汽輪機的汽道寬度值。數(shù)據(jù)采集硬件電路圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集電路圖

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)選用16位高精度A/D轉(zhuǎn)換器AD7606。AD7606具有8路模擬信號采樣通道，采樣頻率最高可達200 kHz，采用5 V供電[8]。AD7606還具有豐富的數(shù)據(jù)接口，可以通過SPI或FSMC接口與單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，CONVSTA引腳置高表示正在進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后BUSY引腳置高。A/D采樣電路圖如圖5所示。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換電路圖

AD7606通過SPI接口與TM4C129進行數(shù)據(jù)交互，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到TM4C129內(nèi)部進行處理，將數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD屏上實時顯示。

2.4 系統(tǒng)供電電路

系統(tǒng)的供電采用便攜式的鋰離子電池[9]。系統(tǒng)選用的鋰離子電池具有可循環(huán)充電使用的優(yōu)點，其具有9 V的電壓輸出。系統(tǒng)需要用到3.3 V和5 V兩種直流電。3.3 V主要是給單片機供電，而5 V主要是給運算放大器以及A/D轉(zhuǎn)換芯片供電。鋰離子輸出的9 V電壓經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換芯片TPS7350后轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的5 V電壓，該電源芯片的輸出電流高達800 mA，滿足系統(tǒng)的使用要求。而單片機供電所需的3.3 V是由穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3V轉(zhuǎn)換得到，其具有低壓降以及高達500 mA持續(xù)輸出的優(yōu)點。系統(tǒng)供電電路如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)供電電路圖

2.5 數(shù)據(jù)傳輸電路

為了便于將系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機進行深度分析和處理，系統(tǒng)預(yù)留RS232通訊接口電路。由于RS232電平和TTL電平不兼容，因此用到了電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232。RS232通訊電路如圖7所示。

圖7 RS232通訊電路

2.6 LCD顯示電路

系統(tǒng)通過外接2.4英寸(1英寸=2.54 cm)的LCD屏來實時顯示測量結(jié)果。該屏幕采用I2C接口與單片機進行通信，采用3.3 V供電，分辨率達128×64，LCD顯示電路如圖8所示。

圖8 LCD顯示電路

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括外部按鍵輸入程序、啟動A/D轉(zhuǎn)換程序、汽道值計算程序、數(shù)據(jù)傳輸程序以及LCD顯示程序等。系統(tǒng)上電后先進行單片機復(fù)位，LCD屏上顯示Ready指令，當接收到外部輸入指令后，系統(tǒng)開始啟動測量，采集的數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送到單片機中進行計算處理，然后將計算結(jié)果發(fā)送到LCD屏上實時顯示。軟件流程圖如圖9所示。

圖9 軟件流程圖

4 實驗數(shù)據(jù)分析

完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計后，開始對系統(tǒng)進行性能測試，主要測試系統(tǒng)的重復(fù)性以及數(shù)據(jù)采集的準確性。先進行重復(fù)性測試，在測量時先選定系統(tǒng)的量程，量程為15.000 mm。選用高精度的坐標測量機來驗證系統(tǒng)位移測量的重復(fù)性。測量過程中使坐標測量機的滑軌來回移動，每次都停留在相同的位置，即坐標測量機輸出同一數(shù)值。當坐標測量機分別輸出4.768 mm、6.881 mm、12.651 mm固定不變時，記錄此時系統(tǒng)LCD顯示屏輸出的數(shù)值是否也保持不變。數(shù)據(jù)記錄如表1、表2、表3所示。

表1 坐標測量機固定讀數(shù)為4.768 mm時的數(shù)據(jù)表

表2 坐標測量機固定讀數(shù)為6.881 mm時的數(shù)據(jù)表

表3 坐標測量機固定讀數(shù)為12.651 mm時的數(shù)據(jù)表

由上述3組測試數(shù)據(jù)可知，當坐標測量機的讀數(shù)不變時，系統(tǒng)LCD顯示上的讀數(shù)也保持不變，因此系統(tǒng)的重復(fù)性誤差為零，系統(tǒng)具有良好的重復(fù)性。驗證完系統(tǒng)的重復(fù)性性能之后，開始驗證系統(tǒng)測量的精度。利用標準試件作為測試對象，先利用千分尺測量標準試件的長度，再利用系統(tǒng)的位移傳感器來檢測試件的長度，將系統(tǒng)測得的值與千分尺測得的值做標記，來驗證系統(tǒng)的檢測精度，測試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 實驗對比測試

由表4可知，系統(tǒng)測得數(shù)據(jù)值與千分尺測得數(shù)據(jù)基本保持一致，絕對誤差小于0.05 mm，且相對誤差小于2%，由此可見，系統(tǒng)具有良好的精度，可準確測量汽輪機葉片汽道的寬度值。

5 結(jié)束語

為了解決傳統(tǒng)汽輪機汽道寬度測量存在的一些弊端，本文設(shè)計了一種便攜式汽輪機汽道寬度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)將嵌入式技術(shù)與微傳感器技術(shù)結(jié)合，利用電位器式位移傳感器將汽輪機汽道的寬度值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號輸出，采用高精度16位A/D轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采樣，利用相關(guān)算法計算得到汽輪機汽道的寬度值，將寬度值發(fā)送到LCD顯示屏上實時顯示。除此之外，系統(tǒng)還預(yù)留RS232通訊接口，可將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機中。實際測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能有效檢測汽輪機葉片汽道的寬度值，且檢測絕對誤差小于0.05 mm。