便攜式汽輪機(jī)汽道寬度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁彥芳，楊 欣

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

0 引言

葉片是汽輪機(jī)的主要零部件之一，葉片上的汽道決定著汽輪機(jī)的發(fā)電功率。葉片的設(shè)計(jì)日益復(fù)雜且精度要求也越來(lái)越高，為了確保汽輪機(jī)安全可靠的運(yùn)行，對(duì)汽輪機(jī)汽道的測(cè)量必不可少[1]。傳統(tǒng)的汽道測(cè)量方法是利用鋼制梯形斜尺來(lái)進(jìn)行測(cè)量，此種方法不僅測(cè)量精度低、誤差大而且耗時(shí)費(fèi)力，因此本文設(shè)計(jì)了一種便攜式汽輪機(jī)汽道寬度測(cè)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(cè)汽輪機(jī)的汽道，將采集到的數(shù)據(jù)利用液晶屏實(shí)時(shí)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(diǎn)[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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(jī)的葉片上，利用其檢測(cè)葉片間汽道的寬度，傳感器將檢測(cè)到的汽道的寬度值轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再利用信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波放大處理，利用A/D采樣芯片對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，計(jì)算得到汽輪機(jī)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(jì)

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(dāng)按下外部按鍵啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始采集汽輪機(jī)的汽道寬度數(shù)據(jù)，傳感器將檢測(cè)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(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，計(jì)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(diǎn)，系統(tǒng)采用獨(dú)立的鋰電池供電，通過(guò)外接LCD屏實(shí)時(shí)顯示測(cè)得的數(shù)據(jù)，可通過(guò)預(yù)留的串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)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(cè)量位移的原理是：當(dāng)旋轉(zhuǎn)電位器或滑動(dòng)滑線變阻器的滑動(dòng)臂時(shí)，其輸出的阻值就會(huì)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(zhǎng)度為L(zhǎng)，電阻阻值為R，x為位移量，兩端的輸出電壓為U1，則滑動(dòng)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(cè)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(hào)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(hào)比較微弱且?jiàn)A雜著噪聲信號(hào)，此信號(hào)并不能直接送入A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，必須先進(jìn)行濾波放大[7]。系統(tǒng)選用低噪聲、低溫漂高精度的運(yùn)算放大器AD8610實(shí)現(xiàn)微弱電信號(hào)的放大，再利用運(yùn)算放大器AD817組成的二階低通濾波電路濾除信號(hào)的高頻干擾信號(hào)后再送入A/D轉(zhuǎn)換器中，計(jì)算得到汽輪機(jī)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(hào)采樣通道，采樣頻率最高可達(dá)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(guò)SPI或FSMC接口與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，CONVSTA引腳置高表示正在進(jìn)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(guò)SPI接口與TM4C129進(jìn)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(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD屏上實(shí)時(shí)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(diǎn)，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(jī)供電，而5 V主要是給運(yùn)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(guò)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(dá)800 mA，滿足系統(tǒng)的使用要求。而單片機(jī)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(dá)500 mA持續(xù)輸出的優(yōu)點(diǎn)。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(jī)進(jìn)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(guò)外接2.4英寸(1英寸=2.54 cm)的LCD屏來(lái)實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果。該屏幕采用I2C接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，采用3.3 V供電，分辨率達(dá)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(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括外部按鍵輸入程序、啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換程序、汽道值計(jì)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(jìn)行單片機(jī)復(fù)位，LCD屏上顯示Ready指令，當(dāng)接收到外部輸入指令后，系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)測(cè)量，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送到單片機(jī)中進(jìn)行計(jì)算處理，然后將計(jì)算結(jié)果發(fā)送到LCD屏上實(shí)時(shí)顯示。軟件流程圖如圖9所示。

圖9 軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)后，開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，主要測(cè)試系統(tǒng)的重復(fù)性以及數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。先進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，在測(cè)量時(shí)先選定系統(tǒng)的量程，量程為15.000 mm。選用高精度的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)位移測(cè)量的重復(fù)性。測(cè)量過(guò)程中使坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的滑軌來(lái)回移動(dòng)，每次都停留在相同的位置，即坐標(biāo)測(cè)量機(jī)輸出同一數(shù)值。當(dāng)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)分別輸出4.768 mm、6.881 mm、12.651 mm固定不變時(shí)，記錄此時(shí)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(biāo)測(cè)量機(jī)固定讀數(shù)為4.768 mm時(shí)的數(shù)據(jù)表

表2 坐標(biāo)測(cè)量機(jī)固定讀數(shù)為6.881 mm時(shí)的數(shù)據(jù)表

表3 坐標(biāo)測(cè)量機(jī)固定讀數(shù)為12.651 mm時(shí)的數(shù)據(jù)表

由上述3組測(cè)試數(shù)據(jù)可知，當(dāng)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的讀數(shù)不變時(shí)，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(yàn)證完系統(tǒng)的重復(fù)性性能之后，開(kāi)始驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量的精度。利用標(biāo)準(zhǔn)試件作為測(cè)試對(duì)象，先利用千分尺測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)試件的長(zhǎng)度，再利用系統(tǒng)的位移傳感器來(lái)檢測(cè)試件的長(zhǎng)度，將系統(tǒng)測(cè)得的值與千分尺測(cè)得的值做標(biāo)記，來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的檢測(cè)精度，測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)對(duì)比測(cè)試

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

5 結(jié)束語(yǔ)

為了解決傳統(tǒng)汽輪機(jī)汽道寬度測(cè)量存在的一些弊端，本文設(shè)計(jì)了一種便攜式汽輪機(jī)汽道寬度測(cè)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(jī)汽道的寬度值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)輸出，采用高精度16位A/D轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采樣，利用相關(guān)算法計(jì)算得到汽輪機(jī)汽道的寬度值，將寬度值發(fā)送到LCD顯示屏上實(shí)時(shí)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(jī)中。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能有效檢測(cè)汽輪機(jī)葉片汽道的寬度值，且檢測(cè)絕對(duì)誤差小于0.05 mm。