基于紅外陣列的溫控器膜片突跳檢測裝置設(shè)計(jì)

楊昊宇 ，張春富 ，王鵬 ，楊佳武 ，談格 ，彭華偉 ，許杰

(1.鹽城工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2.鹽城市計(jì)量測試所，江蘇 鹽城 224008)

溫控器是機(jī)電產(chǎn)品過熱過載保護(hù)的典型器件，其核心元件是熱脹系數(shù)相異的雙金屬膜片。雙金屬膜片的溫度特性檢測，即檢測雙金屬膜片在設(shè)定溫度下能否發(fā)生突跳，是溫控器產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要手段。目前行業(yè)內(nèi)對雙金屬膜片的主流檢測方法有如下幾種：（1）基于圖像處理的雙金屬膜片突跳檢測方法［1］，由于雙金屬膜片尺寸較小，需要使用精密卡具固定待測膜片，工裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。（2）利用雙金屬膜片突跳時的聲學(xué)信號檢測膜片跳變的方法［2］，對膜片同步突跳的辨識存在困難。（3）基于測力機(jī)構(gòu)檢測雙金屬膜片突跳的方法［3］，通過檢測膜片突跳時的推力推算膜片的突跳溫度。該方法無需加熱裝置，但雙金屬膜片的加工精度、材質(zhì)一致性等因素均會影響最終的檢測效果，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。（4）基于雙金屬膜片突跳動作的檢測方法［4］，屬于定溫測試，突跳后膜片從工裝上掉落。該方法僅能判斷在設(shè)定溫度下膜片是否發(fā)生突跳，無法確定膜片的突跳溫度。為了確保雙金屬膜片突跳后能從工裝上掉落，膜片的初始安裝難度較高，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。（5）通過高溫油源加熱篩板的雙金屬膜片篩選方法［5］，突跳動作由人工完成判定，自動化程度較低。

本文提出了一種溫控器雙金屬膜片突跳檢測裝置，利用紅外線組成正交紅外檢測陣列［6-7］，當(dāng)雙金屬膜片發(fā)生突跳時，通過陣列中的節(jié)點(diǎn)識別突跳膜片的位置，并通過微處理器記錄突跳溫度。該裝置無需精密夾具裝卡，結(jié)構(gòu)簡單，具有耐用、成本低、適合批量檢測的優(yōu)點(diǎn)［8］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

溫控器的核心器件是單端固定的雙金屬膜片，其動端為電氣觸點(diǎn)。當(dāng)風(fēng)電裝備保護(hù)點(diǎn)溫度低于突跳溫度時，電氣回路為閉合狀態(tài)，風(fēng)電裝備正常工作；當(dāng)風(fēng)電裝備保護(hù)點(diǎn)溫度高于突跳溫度時，電氣回路斷開，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電裝備的安全保護(hù)。

基于雙金屬膜片的工作原理，設(shè)計(jì)了一款檢測裝置。該裝置由微處理器、加熱模塊和紅外線模塊三大部分組成。加熱模塊由雙金屬膜片加熱板、電加熱單元和溫控儀表組成。其作用是實(shí)現(xiàn)待檢測雙金屬膜片的裝夾，在溫控儀表的控制下電加熱單元對雙金屬膜片加熱板加熱，雙金屬膜片同步升溫。紅外線模塊由紅外線發(fā)射模塊和紅外線接收處理模塊組成。其作用是構(gòu)造紅外線檢測陣列，并將紅外陣列的信號轉(zhuǎn)換為邏輯狀態(tài)輸入微處理器。微處理器作為檢測系統(tǒng)的核心元件，負(fù)責(zé)設(shè)定加熱截止溫度、記錄膜片的突跳溫度、控制紅外線發(fā)射模塊、對紅外線接收處理模塊的信號做出處理，判斷定位槽中雙金屬膜片的狀態(tài)并完成突跳膜片的位置檢測。該檢測裝置的整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 檢測裝置設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 Block diagram of detection device design scheme

2 突跳檢測裝置硬件設(shè)計(jì)

本文突跳檢測裝置以STC89C52單片機(jī)作為微處理器，以安東電子生產(chǎn)的LU-926U記憶型溫控器作為溫控儀表，采用6×300 W加熱管作為電加熱單元，溫控儀表通過MTC25A型可控硅控制加熱管的加熱能力；采用LTE-302型二極管作為紅外線發(fā)射管，其峰值波長為940 nm；采用PT333-3B型二極管作為紅外線接收管，峰值波長為940 nm，套接長度20 mm導(dǎo)光管，導(dǎo)光管軸向沿紅外線光路方向；采用6×6雙金屬膜片定位槽陣列，每個定位槽的尺寸為11 mm×7 mm×5 mm（長×寬×深），透光狹縫寬1 mm，深2.5 mm；采用中健電子生產(chǎn)的LM358型運(yùn)算放大器和維普芯生產(chǎn)的74HC14型施密特觸發(fā)器搭建紅外線邏輯運(yùn)算處理單元，通過運(yùn)放LM358將紅外光產(chǎn)生的光電流轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大，通過施密特觸發(fā)器74HC14整形成數(shù)字信號，再次經(jīng)74HC14轉(zhuǎn)換為同相數(shù)字信號。

2.1 紅外線發(fā)射模塊

雙金屬膜片加熱板紅外線光路方向上的截面如圖2所示。通過銑削加工出雙金屬膜片的定位槽陣列，定位槽的輪廓與待測雙金屬膜片的外形一致，但尺寸略大一些。沿各定位槽的水平中線和垂直中線加工透光狹縫，該透光狹縫深度小于定位槽的深度，以確保待測雙金屬膜片平置在定位槽中不會遮擋透光狹縫的紅外線光路。耐熱玻璃覆蓋在雙金屬膜片加熱板上方，用來限制雙金屬膜片的突跳高度，且透過耐熱玻璃可以觀察定位槽陣列中各雙金屬膜片的狀態(tài)。

圖2 雙金屬膜片加熱板紅外線光路方向截面示意圖Fig. 2 Cross section diagram of infrared light path direction for bimetallic diaphragm heating plate

紅外線發(fā)射模塊在檢測過程中發(fā)出水平方向和垂直方向的紅外線，構(gòu)成正交的紅外線檢測陣列，紅外線發(fā)射平面布局如圖3所示，紅外線發(fā)射電路如圖4所示。在初始狀態(tài)下，紅外接收管能夠從透光狹縫接收到對應(yīng)紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外線。

圖3 紅外線發(fā)射平面布局圖Fig. 3 Layout plan of infrared emission

2.2 紅外線接收處理模塊

紅外線接收處理模塊包括紅外線接收管和邏輯運(yùn)算處理單元。紅外線接收處理電路如圖5所示。

圖5 紅外線接收處理電路Fig. 5 Infrared receiving and processing circuit

將水平方向的6路接收信號經(jīng)74HC11進(jìn)行與運(yùn)算后接單片機(jī)外部中斷輸入INT0引腳。單片機(jī)通過INT0引腳的輸入狀態(tài)判斷定位槽中是否有膜片發(fā)生突跳。

3 突跳檢測裝置軟件設(shè)計(jì)

初始狀態(tài)下，各路紅外線未被遮擋。隨著溫度升高，當(dāng)某個雙金屬膜片受熱達(dá)到上行突跳溫度時，雙金屬膜片會從當(dāng)前的彎曲狀態(tài)突跳為反弓狀態(tài)，瞬間釋放的能量會使膜片從定位槽向上彈出。在耐高溫玻璃的限制下，膜片以反弓狀態(tài)平置在定位槽內(nèi)。在此過程中雙金屬膜片遮斷對應(yīng)方向的兩路紅外線，向單片機(jī)發(fā)送外部中斷請求。單片機(jī)通過中斷檢測程序確定突跳膜片的位置和突跳溫度。

3.1 突跳檢測主程序

單片機(jī)突跳檢測工作流程為：單片機(jī)初始化，打開紅外驅(qū)動，形成紅外線檢測陣列，并打開中斷允許。讀取膜片型號通過溫控儀表設(shè)定截止溫度，開始加熱，放置于定位槽中的待測雙金屬膜片同步升溫。

當(dāng)存在一個或多個雙金屬膜片發(fā)生突跳時，觸發(fā)中斷，中斷檢測程序讀取各數(shù)字輸入端口的電平狀態(tài)，通過低電平所在位，確定并記錄發(fā)生突跳的雙金屬膜片所在的定位槽位置信息及突跳溫度。

在持續(xù)加熱過程中，每次中斷返回后判斷當(dāng)前溫度與截止溫度是否相同。若相同，則檢測完成，停止加熱并輸出檢測結(jié)果；否則繼續(xù)加熱，等待下次突跳觸發(fā)中斷。突跳檢測主流程如圖6所示。

圖6 突跳檢測主流程圖Fig. 6 Main flow chart of jump detection

3.2 中斷檢測程序

在單片機(jī)收到中斷請求后，首先讀取I/O口的狀態(tài)，記錄對應(yīng)的定位槽位置信息和數(shù)量。

若檢測到1個定位槽節(jié)點(diǎn)，則該點(diǎn)坐標(biāo)就是突跳膜片的位置，將該節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為“確定”狀態(tài)，并記錄此時的溫度，作為該定位槽節(jié)點(diǎn)對應(yīng)雙金屬膜片的突跳溫度，中斷返回。

由于紅外陣列的特征，在檢測到多個定位槽節(jié)點(diǎn)時，無法確定突跳膜片的具體位置。因此，將其中未進(jìn)行狀態(tài)標(biāo)記的定位槽節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為“待定”狀態(tài)，并記錄此時的溫度。

在后續(xù)的溫度上升過程中，如果再次檢測到被標(biāo)記為“待定”狀態(tài)的定位槽節(jié)點(diǎn)發(fā)生了突跳，則將該定位槽節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為“確定”狀態(tài)，由當(dāng)前溫度更新上次記錄的溫度，作為該定位槽節(jié)點(diǎn)對應(yīng)雙金屬膜片的突跳溫度。

如果在檢測系統(tǒng)停止加熱后，仍有一部分定位槽節(jié)點(diǎn)被標(biāo)記為“待定”狀態(tài)，則可以確定這些節(jié)點(diǎn)在初次標(biāo)記時已發(fā)生突跳，初次記錄的突跳有效。將這些定位槽節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為“確定”狀態(tài)，以初次記錄溫度作為其突跳溫度，等待打印輸出。中斷檢測流程如圖7所示。

圖7 中斷檢測程序流程圖Fig. 7 Flow chart of interrupt detection program

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將跳變溫度區(qū)間為85～115 ℃、115～145 ℃、155～185 ℃、185～215 ℃的膜片分別取20個進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，記錄檢測系統(tǒng)和人工觀察得到的突跳溫度，將其繪制成折線圖進(jìn)行比較，比較結(jié)果如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)檢測與人工觀察突跳溫度對比圖Fig. 8 Comparison diagram of temperature jump between system detection and manual observation

通過實(shí)驗(yàn)檢測80個不同型號膜片的突跳溫度，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)檢測的突跳溫度與人工觀察的突跳溫度基本一致，大部分?jǐn)?shù)據(jù)誤差在±0.5 ℃以內(nèi)；少數(shù)幾個數(shù)據(jù)誤差在±1 ℃至±0.5 ℃之間；只有一個數(shù)據(jù)誤差超過1 ℃。因此，通過基于紅外陣列的溫控器膜片突跳檢測裝置能夠?qū)崿F(xiàn)膜片突跳溫度的自動化檢測。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對比可知，該檢測方法的檢測性能較好，檢測溫度與實(shí)際溫度誤差約±0.5 ℃，符合設(shè)計(jì)需求。

5 結(jié)論

本文根據(jù)溫控器雙金屬膜片的工作原理，設(shè)計(jì)了一款基于紅外陣列的雙金屬膜片突跳檢測裝置，對雙金屬膜片突跳檢測具有良好的效果，準(zhǔn)確度高，且成本低，具有較高的實(shí)用價值。