王彥昕 李學(xué)哲 王 菲 欒昊林

（1.華北科技學(xué)院應(yīng)急裝備學(xué)院，河北 廊坊 065201；2.河北省礦山設(shè)備安全監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065201）

0 引言

機(jī)械故障監(jiān)測(cè)，可以實(shí)時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，預(yù)測(cè)故障發(fā)生的可能性和時(shí)間，為維護(hù)保養(yǎng)提供依據(jù)，同時(shí)也可以優(yōu)化設(shè)備的運(yùn)行方式，延長設(shè)備使用壽命，提高生產(chǎn)效率和設(shè)備可靠性[1-3]，因此機(jī)械故障監(jiān)測(cè)與分析具有重要意義和價(jià)值。

機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障診斷與分析的難度大[4-5]。目前，振動(dòng)分析是最常用的機(jī)械故障檢測(cè)方法，通過測(cè)量機(jī)器設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)，分析振動(dòng)信號(hào)的頻率、幅值、相位等參數(shù)，可以判斷設(shè)備是否存在故障和故障的類型[6]。

機(jī)械故障檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)取得了長足進(jìn)步[7-9]，但在如下方面依然面臨挑戰(zhàn)[10]：1）傳感器體積較大，采用磁吸式接觸安裝，限制了測(cè)量的適應(yīng)性，難以解決復(fù)雜機(jī)械內(nèi)部振動(dòng)信息的采集問題；2）僅能檢測(cè)振動(dòng)參數(shù)，指標(biāo)單一，數(shù)據(jù)采集不全面，無法感知靜態(tài)位移信息和溫度信息，難以綜合判斷故障類型及位置；3）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不聯(lián)網(wǎng)，僅僅用于本地預(yù)警，數(shù)據(jù)共享困難，無法深入挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值。

針對(duì)傳統(tǒng)故障檢測(cè)技術(shù)存在的問題，本文提出了一種光學(xué)非接觸式機(jī)械故障檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)方案，該裝置采用激光三角法、紅外測(cè)溫和無線通信等技術(shù)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)、位移、溫度等多參數(shù)的免約束采集及無線互聯(lián)，具有較好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

1 裝置的總體設(shè)計(jì)與分析

1.1 裝置的硬件結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的非接觸式機(jī)械故障檢測(cè)裝置，主要由STM32核心系統(tǒng)、振動(dòng)檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、TFT液晶屏、本地報(bào)警電路、藍(lán)牙通信模塊等幾部分組成。

圖1 裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖

1）STM32核心系統(tǒng)，負(fù)責(zé)振動(dòng)、溫度等機(jī)械故障信息的采集、處理。采用STM32F407設(shè)計(jì)，該芯片集成了通信接口、定時(shí)器、ADC/DAC等眾多外設(shè)和接口，資源豐富，可以滿足各種應(yīng)用開發(fā)的需求。本設(shè)計(jì)中，振動(dòng)檢測(cè)、溫度檢測(cè)及無線通信都是利用串口通信完成的，STM32F407有6個(gè)串口，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

2）TFT液晶屏，負(fù)責(zé)人機(jī)交互與信息顯示。選用ATK-MD0350模塊設(shè)計(jì)，該模塊采用NT35310作為LCD的驅(qū)動(dòng)芯片，是一款高性能3.5′TFT LCD電阻觸摸屏模塊，具有精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

3）振動(dòng)檢測(cè)模塊，負(fù)責(zé)振動(dòng)信息的感知和預(yù)處理。選用一款基于激光三角法原理的非接觸式光學(xué)傳感器設(shè)計(jì)，該傳感器工作距離30 mm，測(cè)量范圍±4 mm，采樣周期500 μs，可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)、位移等多種參數(shù)的免約束采集、預(yù)處理。

4）溫度檢測(cè)模塊，負(fù)責(zé)溫度信息的感知和預(yù)處理。選用一款基于紅外測(cè)溫原理的非接觸式傳感器設(shè)計(jì)，該傳感器測(cè)溫范圍0～900 ℃，測(cè)量精度±1 ℃，測(cè)量距離0～1 m。

5）本地報(bào)警電路，負(fù)責(zé)故障報(bào)警。采用LED多層預(yù)警燈進(jìn)行設(shè)計(jì)，該預(yù)警燈具有常亮、閃亮等多種工作模式，并有蜂鳴功能，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)靈活的報(bào)警需求。

6）藍(lán)牙通信模塊，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)短距離數(shù)據(jù)無線傳輸和控制。選用DX-BT22藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)，采用nRF52832射頻芯片，自帶高性能ARM CORTEX-M4內(nèi)核，具有功耗低、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，并擁有豐富的外設(shè)資源。

光學(xué)非接觸式機(jī)械故障檢測(cè)裝置可以進(jìn)行振動(dòng)、溫度、位移等多參數(shù)采集，顯著提高了設(shè)備的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力。

1.2 激光三角法測(cè)振原理分析

激光三角法振動(dòng)檢測(cè)的幾何光學(xué)模型如圖2所示，光路系統(tǒng)主要包括半導(dǎo)體激光器、匯聚透鏡、成像透鏡、CMOS感光器件等關(guān)鍵部件。為了實(shí)現(xiàn)大景深精確聚焦，各光學(xué)部件的空間位置關(guān)系必須滿足沙姆定律，即入射激光、CMOS光電中心線匯聚于成像透鏡主平面上方的C點(diǎn)處。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的平行光束經(jīng)匯聚透鏡聚焦照射在被測(cè)對(duì)象表面，形成物光點(diǎn)；物光點(diǎn)經(jīng)成像透鏡成像于CMOS光電中心，形成像光點(diǎn)；被測(cè)對(duì)象振動(dòng)引起物光點(diǎn)位置不斷變化，基于透鏡成像定理，會(huì)引起像光點(diǎn)在CMOS上發(fā)生相應(yīng)的位置變化；精確測(cè)量像光點(diǎn)在CMOS上的位移變化，就可以計(jì)算得到被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)信息，這就是激光三角法振動(dòng)檢測(cè)器的基本測(cè)量原理。

圖2 激光三角法振動(dòng)檢測(cè)的幾何光學(xué)模型

設(shè)入射激光、感光器件CMOS與成像透鏡主光軸的夾角分別為θ、φ，基準(zhǔn)位置處物光點(diǎn)O、像光點(diǎn)O′到成像透鏡的距離分別為L、L′，物光點(diǎn)、像光點(diǎn)的位置變化量分別為X、X′，采用幾何解析法求解振動(dòng)測(cè)量模型，依據(jù)公式（1）可以精確求解被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)信息。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了減小非線性誤差，通過景深控制，選擇在基準(zhǔn)位置附近小范圍內(nèi)采集振動(dòng)信息，以提高測(cè)量的精度。

高潮的心情極度壓抑，辦公桌上的煙灰缸里，橫七豎八地躺滿了煙屁股。高潮繼續(xù)瀏覽那帖子的跟帖。跟帖很多，已經(jīng)蓋了五百多層樓，有艾詩虹的同事同學(xué)朋友等熟人寫的，也有毫不相干的壇友和游客寫的，內(nèi)容都是表達(dá)對(duì)英年早逝的艾詩虹的追思之情。尤其是詩友們的跟帖更是搶眼，或古體詩詞，或現(xiàn)代詩歌，仿佛艾詩虹的離去，一下子激發(fā)了大家的創(chuàng)作靈感和激情，都寫得感情真摯情緒飽滿。

2 核心電路模塊設(shè)計(jì)

2.1 振動(dòng)和溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

振動(dòng)檢測(cè)傳感器和紅外溫度傳感器均采用RS485通信方式傳輸檢測(cè)結(jié)果，因此設(shè)計(jì)了如圖3所示的電路，用于實(shí)現(xiàn)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的采集。該電路采用TPT8485芯片作為收發(fā)器，TPT8485芯片支持3.3 V供電，有輸出短路保護(hù)。本設(shè)計(jì)中，STM32F407的串口2實(shí)現(xiàn)微控制器與振動(dòng)傳感器之間的RS485通信，串口3實(shí)現(xiàn)微控制器與溫度傳感器之間的RS485通信。

圖3 RS485通信電路設(shè)計(jì)圖

2.2 藍(lán)牙通信電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，本設(shè)計(jì)選擇藍(lán)牙技術(shù)解決故障檢測(cè)裝置的無線互聯(lián)問題。藍(lán)牙通信選用DX-BT22模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，技術(shù)參數(shù)如表1所示，該模塊為智能無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，支持藍(lán)牙5.0協(xié)議，工作頻率2.4 GHz，工作電源3.3 V，通信距離20 m。利用微控制器的串口1與模塊進(jìn)行透?jìng)魍ㄐ牛瑢?shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高效無線互聯(lián)。

表1 DX-BT22技術(shù)參數(shù)

圖4 藍(lán)牙通信電路設(shè)計(jì)圖

2.3 本地報(bào)警電路設(shè)計(jì)

本地報(bào)警電路負(fù)責(zé)故障報(bào)警，采用LED多層警示燈進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制電路如圖5所示。系統(tǒng)正常時(shí)，STM32F407微控制器的NORMAL引腳輸出低電平，信號(hào)通過光耦耦合，控制三極管Q4導(dǎo)通，繼電器K1吸合，警示燈綠燈亮，指示系統(tǒng)正常；系統(tǒng)故障時(shí)，STM32F407微控制器的ALARM引腳輸出低電平，信號(hào)通過光耦耦合，控制三極管Q5導(dǎo)通，繼電器K2吸合，警示燈紅燈閃爍并蜂鳴預(yù)警。

圖5 本地報(bào)警電路設(shè)計(jì)圖

3 實(shí)驗(yàn)與分析

如圖6所示，利用本裝置監(jiān)測(cè)某型電動(dòng)機(jī)的輸出軸，采集被測(cè)軸的絕對(duì)位置偏差、溫度及振動(dòng)數(shù)據(jù)，并利用MATLAB軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到機(jī)軸的溫度曲線和振動(dòng)頻譜如圖7、圖8所示。

圖6 某型電動(dòng)機(jī)故障監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)圖

圖7 機(jī)軸的溫度曲線

圖8 機(jī)軸的振動(dòng)頻譜

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該電動(dòng)機(jī)的絕對(duì)位置偏差、溫度、振動(dòng)頻譜等均在合理范圍內(nèi)，運(yùn)行狀態(tài)綜合判定為正常。

本文設(shè)計(jì)的機(jī)械故障檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)、位移、溫度等多參數(shù)的非接觸采集，為智能化機(jī)械故障監(jiān)測(cè)提供了一種有效的技術(shù)手段。

4 結(jié)束語

目前，機(jī)械故障檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)取得了長足進(jìn)步，但依然面臨挑戰(zhàn)。為了解決傳統(tǒng)故障檢測(cè)技術(shù)存在的約束條件復(fù)雜、檢測(cè)參數(shù)單一的問題，本文提出了一種光學(xué)非接觸式機(jī)械故障檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)方案，分析了該裝置的工作原理和電路結(jié)構(gòu)，完成了關(guān)鍵電路模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)。該裝置采用激光三角法、紅外測(cè)溫和無線通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)、位移、溫度等多參數(shù)的免約束采集、處理及無線互聯(lián)，具有較好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。