基于電磁法的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件角應(yīng)變檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

田志勇，金文兵浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)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(jī)械設(shè)備運(yùn)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(jī)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(shí)定子、轉(zhuǎn)子發(fā)熱會導(dǎo)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(biāo)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(shí)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(dāng)旋轉(zhuǎn)軸勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)，H1和H2同時(shí)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(shí)，則H1和H2經(jīng)過磁鋼a和b的時(shí)間將產(chǎn)生先后，導(dǎo)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(jì)

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(jià)格不高（10～100日元），性價(jià)比較高。

3 信號預(yù)處理電路

實(shí)驗(yàn)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(jìn)行放大，同時(shí)還要對THS103A的不等位電勢和溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)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(yù)處理電路中，采用恒流源補(bǔ)償法對溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償。即采用恒壓源供電，合理選取補(bǔ)償電阻，即可實(shí)現(xiàn)對HS103A的溫度補(bǔ)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(bǔ)償。放大器選用低噪聲高精度集成運(yùn)算放大器OP07，該運(yùn)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(jì)數(shù)法測量相位差

采用脈沖填充計(jì)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(jì)數(shù)脈沖，對脈寬t進(jìn)行計(jì)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(jì)

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(jī)系統(tǒng)組成，比較整形電路采用LM339。對于采用脈沖填充計(jì)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(shí)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(jī)，在設(shè)計(jì)中，將相位差脈沖作為計(jì)數(shù)器工作的門控，在相位差為高電平時(shí)對計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從AT89S51的INT0管腳輸入，而將計(jì)數(shù)脈沖從T0管腳輸入。設(shè)置門控位GATE0為1，使定時(shí)器T0的啟動受INT0的控制。這樣，當(dāng)TR0為1時(shí)，只有INT0管腳輸入高電平，T0才允許計(jì)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(shí)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(jī)并以非接觸方式來實(shí)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(jì)實(shí)用。

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