張雙喜，林金表，陳 武

(集美大學輪機工程學院，福建廈門 361021)

1 新型智能曲軸臂距差測量儀的硬件設(shè)計

文中設(shè)計的無線曲軸臂距差測量儀系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)將微位移傳感器、AD574A、單片機1和無線模塊一端組成臂距差測量儀的微位移數(shù)據(jù)采集端；角度檢測模塊、單片機2、無線模塊一端及液晶顯示等作為臂距差信號分析處理端。臂距差測量的是曲柄臂處在0°、90°、165°、195°、270° 5個位置臂距差數(shù)值，單片機2根據(jù)檢測到的曲柄角度，通過無線模塊來通知數(shù)據(jù)采集端進行臂距差采集；單片機1控制微位移傳感器進行數(shù)據(jù)采集，信號通過調(diào)理電路以及AD模數(shù)轉(zhuǎn)換進入單片機；單片機1將采集到的臂距差信號與其角度一一對應(yīng)暫存；待收到單片機2的發(fā)送臂距差指令時，單片機1將臂距差值通過無線模塊發(fā)送給單片機2；再由單片機2進行數(shù)據(jù)分析處理以及顯示。[1-3]

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1．1測量儀的數(shù)據(jù)采集端

1．1．1 霍爾傳感器的機械設(shè)計

霍爾傳感器的機械結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。傳感器部分的設(shè)計選用了1片AH49E線性霍爾元件和2塊Φ3 mm的磁鋼，兩塊磁鋼同極性相對放置。其他結(jié)構(gòu)選用鋁質(zhì)材料進行設(shè)計，避免對磁鋼產(chǎn)生干擾。設(shè)計了調(diào)距螺栓，以滿足不同結(jié)構(gòu)的曲軸臂距差的測量要求。

圖2 霍爾傳感器機械結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

1．1．2 測量儀的數(shù)據(jù)采集端硬件電路

測量儀的數(shù)據(jù)采集端電路如圖3所示。測量儀的數(shù)據(jù)采集端電路包括信號放大和濾波、AD轉(zhuǎn)換以及無線模塊。信號放大選用TL071，采用差動放大。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。傳感器工作在比較復雜和惡劣的環(huán)境，系統(tǒng)選用濾波器LTC1569對放大器輸出的信號進行濾波。經(jīng)濾波器輸出的電壓信號需要加電壓跟隨器，這是因為LTC1569芯片輸出的阻抗比較高，需要電壓跟隨器進行緩沖，從而降低輸出阻抗提高負載[5]。

AD轉(zhuǎn)換器件選用的是12位逐次逼近型AD574A。AD574A芯片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖電路，因而可直接與單片機的數(shù)據(jù)總線相連，而無須附加邏輯接口電路。單片機控制 AD574A的讀出、啟動轉(zhuǎn)換控制線R/C以及控制片選線CS，WR、RD引腳經(jīng)過與非門74HC00接到 AD574A的使能端CE引腳，任意有效信號使能 AD芯片。

圖3 數(shù)據(jù)采集端電路

無線模塊選用NORDIC生產(chǎn)的nRF24L01。無線模塊nRF24L01的外接引腳CE、CSN、SCK、MISO、MOSI分別與單片機的P1．0-P1．4引腳相連，IRQ引腳與單片機的INT0口連接。nRF24L01正常工作電壓在3.3 V左右，系統(tǒng)采用直流5 V電源供電，所以需要將5 V電源轉(zhuǎn)換成3.3 V左右。在nRF24L01電源引腳前加3個串聯(lián)的二極管，利用二極管正向壓降，可以將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3 V左右，以滿足nRF24L01正常工作電壓。

1．2測量儀信號分析處理段

1．2．1 曲柄角度檢測模塊

曲柄角度檢測模塊示意圖如圖4所示。該模塊主要利用開關(guān)型霍爾傳感器在磁鋼的作用下會輸出數(shù)字脈沖信號，將該數(shù)字信號傳輸給單片機，單片機根據(jù)這個信號來控制是否對曲軸臂距差進行采集。在檢測柴油機某一缸的臂距差時，將5個磁鋼固定安裝在主機的盤車機上，這5個磁鋼的位置與曲柄臂所處的臂距差測量位置相對應(yīng)，即曲柄臂處在0°、90°、165°、195°、270° 5個角度。開關(guān)型霍爾元件安裝在盤車機臺上，當磁鋼轉(zhuǎn)到與霍爾開關(guān)相近的位置時，霍爾開關(guān)就會輸出數(shù)字脈沖信號，將該信號傳輸給單片機2。單片機2將角度信號發(fā)射給單片機1，單片機1根據(jù)角度信號采集對應(yīng)的臂距差數(shù)據(jù)。

圖4 曲柄角度檢測模塊示意圖

1．2．2 信號分析處理端硬件電路

信號分析處理端電路圖如圖5所示，包括無線模塊、單片機2(AT89C52)、曲柄角度采集模塊、液晶顯示、功能按鍵以及串口通信模塊。曲柄采集模塊即通過霍爾開關(guān)A3144E采集曲柄的角度，將數(shù)字信號傳輸給單片機2的P1．7引腳。單片機2采用定時1 ms中斷，檢測霍爾開關(guān)是否采集到角度，若傳感器已采集到角度數(shù)據(jù)，立刻執(zhí)行無線模塊發(fā)射程序，將角度信號傳送給單片機1進行臂距差數(shù)據(jù)采集。為了能直接的觀察和記錄測得數(shù)據(jù)，系統(tǒng)選用LCD12864液晶顯示模塊作為人機交互界面，同時設(shè)計了4個按鍵：返回鍵、上翻建、下翻鍵以及確定鍵。單片機定時中斷掃描鍵盤模塊，檢測到哪個功能鍵按下，單片機執(zhí)行相應(yīng)的操作并且通LCD12864進行相應(yīng)的顯示操作。設(shè)計了RS-232通訊接口的目的是方便將采集到數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C進行數(shù)據(jù)的分析處理和存儲。

2 新型智能曲軸臂距差測量儀的軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件流程圖如圖6、圖7所示。該系統(tǒng)的程序流程圖分為單片機1端和單片機2端兩部分。系統(tǒng)上電后，單片機2端通過霍爾開關(guān)檢測角度信號，利用無線模塊將角度信號發(fā)送給單片機1端。5點角度傳輸完成后，等待接收單片機1端傳送回來的臂距差信號。單片機2端收到臂距差信號后進行相關(guān)數(shù)據(jù)的處理及顯示。

單片機1端在系統(tǒng)上電后檢測是否收到單片機2端傳送的角度信號。在收到角度信號時，即采集該角度對應(yīng)的臂距差數(shù)據(jù)并暫存。5點采集完成后，單片機1通過無線模塊將五點臂距差數(shù)據(jù)傳輸給單片機2端。

3 誤差分析

造成實驗誤差有很多情況，文中出現(xiàn)誤差的情況有：機械制造工藝不高導致兩塊磁鋼不能精準的相對放置，致使線性霍爾元件兩邊磁場分布不勻稱；霍爾元件是由半導體制作而成，溫度的變化會對其精準測量造成影響；當霍爾元件通控制電流時，電流會產(chǎn)生自激磁場，若電極引線不對稱，霍爾元件兩邊磁感應(yīng)強度不同，將有自激場的零位電勢輸出。

圖5 信號分析處理端電路

圖6 單片機1端程序流程圖

圖7 單片機2端程序流程圖

4 測試數(shù)據(jù)分析

通過實驗測試，該系統(tǒng)自行設(shè)計的線性霍爾微位移傳感器，在單片機的控制下能采集到的微位移數(shù)據(jù)。無線射頻模塊nRF24L01能夠準確的將位移數(shù)據(jù)發(fā)送到主控單片機上，并進行顯示。圖8是實驗得到的線性霍爾傳感器的電壓與位移的關(guān)系變化圖。從圖中可以直觀的看出霍爾元件的電壓變化與位移是按照近似線性關(guān)系變化的，且測量精度可以達到0.005 mm．

圖8 位移與霍爾元件輸出電壓變化的關(guān)系圖

5 結(jié)束語

文中設(shè)計的無線曲軸臂距差測量儀，在實驗測試過程中工作性能穩(wěn)定，無線傳輸距離能夠滿足臂距差測量要求；自行設(shè)計的微位移霍爾傳感器測量精度能夠達到0.005 mm；曲柄角度檢測，實現(xiàn)了臂距差的連續(xù)測量，解決了有線數(shù)顯式測量儀的缺陷。為輪機員進行曲軸臂距差測量工作帶來方便，提高了工作效率。測量儀選用常用低成本元器件，產(chǎn)品具有較高的性價比和應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]JUNG Do-Hyun，KIM Hong-Jin，PYOUN Young-Shik，et al．Reliability prediction of the fatigue life of a crankshaft．Journal of Mechanical Science and Technology，2009，23：1071-1074．

[2]石磊，薛冬新，宋希庚，等．基于數(shù)值模擬的主機曲軸臂距差計算方法研究．船舶工程，2010，32(6)：13-16．

[3]劉伯運，朱寶成，李發(fā)光，等．線陣CCD在機械微變距離測量中的應(yīng)用．海軍工程大學學報，2002，14(2)：85-92．

[4]鄭和東，林金表，蔡振雄，等．船舶柴油機曲軸臂距差電子測量儀的研制．集美大學學報，自然科學版，2010，15(5)：369-371．

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

作者簡介：張雙喜(1987—)，碩士研究生，主要從事現(xiàn)代輪機管理工程的研究。E-mail：zhangsx_anhui@126．com