基于霍爾效應(yīng)的曲軸臂距差測(cè)量?jī)x的研究

黃玉燕，林金表

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院,福建廈門 361021)

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基于霍爾效應(yīng)的曲軸臂距差測(cè)量?jī)x的研究

黃玉燕，林金表

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院,福建廈門 361021)

柴油機(jī)曲軸臂距差信號(hào)檢測(cè)中，由于曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)使得有線測(cè)量很困難而且導(dǎo)致了較大的測(cè)量誤差。論文基于線性霍爾元件設(shè)計(jì)了臂距差信號(hào)傳感器，應(yīng)用無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)傳輸，并采用單片機(jī)作為核心器件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，有效地降低了測(cè)量成本，提高了測(cè)量精度。

霍爾效應(yīng)；臂距差；曲軸；無線傳輸

0 引言

曲軸是柴油機(jī)中的重要部件,曲軸一旦出現(xiàn)了故障必定會(huì)給柴油機(jī)帶來嚴(yán)重的損壞。柴油機(jī)曲軸臂距差是曲軸在工作時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)，可以反應(yīng)柴油機(jī)曲軸的整體性能和工作狀況。因此，曲軸臂距差的測(cè)量對(duì)于柴油機(jī)來說是非常必要的。國外瑞典PRISMA TEKNIK公司生產(chǎn)的 DI系列數(shù)顯式臂距差檢測(cè)儀，國內(nèi)的售價(jià)很高，一般在2萬元左右。國內(nèi)在這方面做過相關(guān)研究的主要有海軍工程大學(xué)劉伯運(yùn)、朱寶成等提出運(yùn)用線性CCD位移測(cè)量系統(tǒng)來測(cè)量臂距差[1]；集美大學(xué)的鄭和東等提出：采用差動(dòng)式變壓式位移傳感器采集曲軸臂距變化信號(hào)[2]。這些臂距差測(cè)量采用的都是有線傳輸信號(hào)的方式。在測(cè)量中仍會(huì)出現(xiàn)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)信號(hào)傳輸線繞動(dòng)產(chǎn)生的測(cè)量不方便，造成誤差；不能連續(xù)測(cè)量，只能逐點(diǎn)測(cè)量等缺點(diǎn)。為此，作者提出了一種基于霍爾效應(yīng)的無線曲軸臂距差測(cè)量系統(tǒng)。

1 測(cè)量?jī)x的硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的無線曲軸臂距差測(cè)量?jī)x系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)將位移傳感器、單片機(jī)1和無線模塊一端集成一體組成臂距差測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù)采集端，將角度檢測(cè)傳感器、單片機(jī)2、無線模塊一端及液晶顯示作為臂距差信號(hào)分析處理端。臂距差測(cè)量的是曲柄臂處在0°、90°、165°、195°、270° 5個(gè)位置數(shù)值，單片機(jī)2檢測(cè)曲柄角度，通過無線模塊來通知數(shù)據(jù)采集端進(jìn)行臂距差采集。單片機(jī)1將采集到的臂距差信號(hào)與其角度一一對(duì)應(yīng)暫存，待收到單片機(jī)2的發(fā)送臂距差指令時(shí)，單片機(jī)1根據(jù)角度將與其對(duì)應(yīng)的臂距差值通過無線模塊發(fā)送給單片機(jī)2，單片機(jī)2進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理及顯示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 微位移傳感器的設(shè)計(jì)

根據(jù)霍爾效應(yīng)原理有：電位差UH與電流強(qiáng)度IH成正比,與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，與薄片的厚度d成反比，即：

式中RH為霍爾系數(shù)。

根據(jù)永磁體的磁場(chǎng)分布,兩磁鋼同極相對(duì)放置時(shí),極間的磁強(qiáng)度分布與距離有某一段具有較好因?yàn)長(zhǎng)TC1569芯片輸出的阻抗比較高，如果后級(jí)電路的輸?shù)木€性關(guān)系[3]。若令霍爾元件的工作電流保持不變,在一個(gè)均勻梯度磁場(chǎng)中移動(dòng)即dB/dz=k,令RH·IH/d=M(M為定值),則dUH/dz=MdB/dz,積分得UH=Mkz。即霍爾元件輸出的霍爾電壓UH值只由它在該磁場(chǎng)中的位移量z來決定[4]。

霍爾傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。傳感器部分的設(shè)計(jì)選用了一片AH49E線性霍爾元件和兩塊Φ3 mm的磁鋼，兩塊磁鋼同極性相對(duì)放置。其他結(jié)構(gòu)選用鋁質(zhì)的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免對(duì)磁鋼產(chǎn)生干擾。設(shè)計(jì)了調(diào)距螺栓，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的曲軸進(jìn)行臂距差測(cè)量的要求。

1、3、5、8—磁鋼；2—調(diào)距螺栓；4—線性霍爾元件；6—鋁質(zhì)外殼；7—伸縮彈簧；9—邊桿系統(tǒng)圖2 霍爾傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

1.3 信號(hào)的處理

信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。信號(hào)放大采用差動(dòng)放大，因霍爾傳感器靜態(tài)輸出電壓是2.5 V左右，需去除靜態(tài)輸出電壓,只放大信號(hào)微變部分。圖中Vin是AH49E在磁鋼作用下輸出電壓值，Vi為AH49E在無磁鋼作用輸出的靜態(tài)工作電壓值。傳感器的工作環(huán)境比較復(fù)雜和惡劣，須采取濾波措施,將雜散的干擾信號(hào)抑制掉，提高系統(tǒng)信噪比。系統(tǒng)選用濾波器LTC1569對(duì)放大器輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波。經(jīng)過濾波器LTC1569輸出的電壓信號(hào)需要加電壓跟隨器。這是因?yàn)長(zhǎng)TC1569芯片輸出的阻抗比較高，如果后級(jí)電路的輸入阻抗比較小，那么信號(hào)就會(huì)有相當(dāng)一部分消耗在前級(jí)的輸出電阻中，需要電壓跟隨器進(jìn)行緩沖從而降低輸出阻抗[5]。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路

1.4 無線模塊

本文無線模塊選用nRF24L01芯片。nRF24L01與單片機(jī)相連組成的無線發(fā)射、接收模塊原理圖如圖4所示。 nRF24L01模塊與無線模塊的外接引腳CE、CSN、SCK、MISO、MOSI分別與單片機(jī)的P1.0～P1.4引腳相連，IRQ引腳與單片機(jī)的INT0口連接。CE為片選端，與CONFIG寄存器的PWR_UP和PRIM_RX組合用于選擇模塊的工作方式；CSN是SPI片選信號(hào)，低電平有效，使能芯片；SCK是串行時(shí)鐘線；MISO、MOSI分別是SPI口的數(shù)據(jù)輸入端和數(shù)據(jù)輸出端；IRQ是模塊的中斷請(qǐng)求信號(hào)，當(dāng)nRF24L01產(chǎn)生中斷后IRQ將置低，單片機(jī)檢測(cè)到此中斷后通過程序得知與無線射頻nRF24L01模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)情況。

圖4 nRF24L01模塊與單片機(jī)連接圖

1.5 自動(dòng)控制數(shù)據(jù)采集

控制數(shù)據(jù)自動(dòng)采集模塊主要利用開關(guān)型霍爾傳感器在磁鋼的作用下會(huì)輸出數(shù)字脈沖信號(hào)，將此數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)這個(gè)信號(hào)來控制是否對(duì)曲軸臂距差進(jìn)行采集。

此模塊的示意圖如圖5所示，將5個(gè)磁鋼固定安裝在主機(jī)的盤車機(jī)上，這5個(gè)磁鋼的位置與曲柄臂所處的臂距差測(cè)量位置相對(duì)應(yīng)，即曲柄臂處在0°、90°、165°、195°、270° 5個(gè)角度[6]。開關(guān)型霍爾開關(guān)安裝在盤車機(jī)臺(tái)上，當(dāng)磁鋼轉(zhuǎn)到與霍爾開關(guān)相近的位置時(shí)，霍爾開關(guān)就會(huì)輸出數(shù)字脈沖信號(hào)，將此信號(hào)傳輸給單片機(jī)2。單片機(jī)2將角度信號(hào)傳輸給單片機(jī)1，單片機(jī)1根據(jù)角度信號(hào)采集臂距差數(shù)據(jù)。

圖5 控制數(shù)據(jù)自動(dòng)采集模塊示意圖

2 測(cè)量?jī)x軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件流程圖如圖6、圖7所示。本系統(tǒng)的程序流程圖分為單片機(jī)1端和單片機(jī)2端兩部分。系統(tǒng)上電后，單片機(jī)2端通過開關(guān)型霍爾傳感器檢測(cè)角度信號(hào)。若檢測(cè)到角度信號(hào)，通過無線模塊將角度信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)1端。五點(diǎn)角度傳輸完成后，等待接收單片機(jī)1端傳送回來的臂距差信號(hào)。單片機(jī)2端收到臂距差的信號(hào)后進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的處理及顯示。

圖6 單片機(jī)1端程序流程圖

圖7 單片機(jī)2端程序流程圖

單片機(jī)1端在系統(tǒng)上電后檢測(cè)是否收到單片機(jī)2端傳送的角度信號(hào)。在收到角度信號(hào)時(shí)，即采集該角度對(duì)應(yīng)的臂距差數(shù)據(jù)并暫存。五點(diǎn)采集完成后，單片機(jī)1端通過無線模塊將五點(diǎn)臂距差數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)2端。

3 實(shí)驗(yàn)論證

通過數(shù)據(jù)的采集、記錄、分析計(jì)算，得出線性霍爾傳感器的電壓變化與位移的圖，如圖8所示。從圖中可以直觀的看出霍爾元件在此范圍內(nèi)是按照近似線性關(guān)系變化的，測(cè)量精度可以達(dá)到0.005 mm。

圖8 位移與霍爾元件輸出電壓變化的關(guān)系圖

4 結(jié)論

通過分析實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)的臂距差測(cè)量系統(tǒng)完全能滿足柴油機(jī)曲軸臂距差測(cè)量精度的要求。采用無線傳輸信號(hào)不僅避免了傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x因傳輸線造成測(cè)量?jī)x測(cè)量時(shí)的微移和人為誤差，而且它也能使測(cè)量者遠(yuǎn)離柴油機(jī)氣缸的臟污環(huán)境。

[1] 劉伯運(yùn),朱寶成,李發(fā)光，等.線陣CCD在機(jī)械微變距離測(cè)量中的應(yīng)用.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào),2002,4(2):85-92.

[2] 鄭和東,林金表,蔡振雄，等.船舶柴油機(jī)曲軸臂距差電子測(cè)量?jī)x的研制.集美大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,15(5):369-371.

[3] 王娟,莊楷賢,李潮杰,等.利用霍爾效應(yīng)測(cè)量微小位移.第六屆全國高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì),2010.

[4] 林游,張俊杰,易凡.霍爾傳感器信號(hào)采集與顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì).現(xiàn)代電子技術(shù),2009(4):191-194.

[5] 任勇峰，薛瑤，侯卓,等.LTC1569 濾波器在信號(hào)調(diào)理模塊中的應(yīng)用.電子設(shè)計(jì)工程,2009,17(7):119-123.

[6] 陳儀.關(guān)于柴油機(jī)曲軸臂距差測(cè)量的研究.裝備制造技術(shù),2008(7):41-42.

Study of Crankshaft Deflection Indicator for Marine Diesel Engine Based on Hall Effect

HUANG Yu-yan ,LIN Jin-biao

(Marine Engineering Institute,Jimei University,Xiamen 361021 ,China)

During the arm distance difference measuring for diesel engine,the crankshaft rotation makes the cable measurement difficult and leads to greater measurement deviation. In the article,a new arm distance difference measuring instrument was designed based on the linear hall elements. The signal transmission was achieved by the application of wireless technology. Data processing was finished based on the core device of single chip microcomputer. So the cost of measurement can be reduced and at the same time the accuracy of the measurement improved.

hall effect；arm distance difference；crankshaft；wireless transmission

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2012j01230)

2014-11-21 收修改稿日期：2015-06-25

TN92；TP39；TH7

A

1002-1841(2015)09-0044-03

黃玉燕(1965—)，副教授，學(xué)士。主要研究方向：船舶與海洋工程。E-mail:huangyuyan@jmu.edu.com 林金表(1966—)，教授，碩士。主要研究方向：船舶與海洋工程。E-mail:linjinbiao@jmu.edu.com