基于電磁法的旋轉構件角應變檢測系統的設計

田志勇，金文兵浙江機電職業技術學院，浙江 杭州 310053

旋轉構件在工業上應用最為廣泛，角應變作為旋轉構件受力狀態和形變的主要參數，成為機械設備運行狀態在線監測和故障診斷的重要依據。隨著高精密的機電一體化設備的出現與應用，對旋轉構件角應變的在線檢測勢在必行。

傳統的應變檢測方法是采用電阻應變片法，這種方法工作原理明確、結構簡單、使用廣泛，但是需要通過集流器將應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定子、轉子發熱會導致信號漂移，會出現測量誤差；感應式集流器動靜線圈之間的間隙和變壓器損耗會引起標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變在線檢測系統，可以實現旋轉構件角應變的非接觸式檢測。

1 工作原理

基于電磁法的角應變在線檢測的工作原理如圖1所示，在旋轉軸的a、b兩處沿徑向貼上磁鋼，在對應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

當旋轉軸勻速旋轉時，H1和H2將產生一系列近似的正弦波信號，信號的頻率只與轉速有關。如果旋轉軸不受扭應力，即不存在角應變時，H1和H2同時經過磁鋼a和b，兩路信號的頻率相同且相位差為0；如果旋轉軸受到扭應力而存在角應變時，則H1和H2經過磁鋼a和b的時間將產生先后，導致兩路信號的相位差不再為0，顯然相位差的大小同旋轉軸受扭的程度有關。如果能夠測量出兩路信號的相位差，則可獲得旋轉軸的角應變。

2 檢測器的設計

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構，環抱著旋轉軸，如圖2所示。霍爾元件放置在兩個半體內部的溝槽（B槽）內，并通過電路板（電路板插在A槽內）與信號測量電路相連接。H1和H2布置在與旋轉軸軸線平行的一條直線上，其間距為180mm。

圖2 檢測器的結構

霍爾元件選用日本產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、熱穩定性好、價格不高（10～100日元），性價比較高。

3 信號預處理電路

實驗證明，旋轉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的輸出電壓進行放大，同時還要對THS103A的不等位電勢和溫度誤差進行補償。

由于THS103A霍爾元件的熱穩定性很好，在霍爾元件信號前級預處理電路中，采用恒流源補償法對溫度誤差進行補償。即采用恒壓源供電，合理選取補償電阻，即可實現對HS103A的溫度補償。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組成電橋來補償。放大器選用低噪聲高精度集成運算放大器OP07，該運放具有較高的穩定性和共模抑制比，而且溫飄很小。

4 脈沖填充計數法測量相位差

采用脈沖填充計數法測量相位差。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，經鎖相環倍頻得到計數脈沖，對脈寬t進行計數即可得相位差。

圖3 相位差檢測信號

5 檢測電路的設計

檢測系統硬件電路由比較整形電路、信號倍頻電路和單片機系統組成，比較整形電路采用LM339。對于采用脈沖填充計數法，倍頻系數越大，測量精度越高，采用3600倍頻，其測量精度為0.1o，可以滿足實際需要，倍頻電路鎖相環集成電路CD4046組成。

檢測系統的數據處理和顯示采用AT89S51單片機，在設計中，將相位差脈沖作為計數器工作的門控，在相位差為高電平時對計數脈沖進行計數，從AT89S51的INT0管腳輸入，而將計數脈沖從T0管腳輸入。設置門控位GATE0為1，使定時器T0的啟動受INT0的控制。這樣，當TR0為1時，只有INT0管腳輸入高電平，T0才允許計數，從而完成為相位差脈沖寬度的測量。

6 結論

本文所研究的旋轉構件角應變的檢測技術與方法，在原理上和實用上均優于傳統的電阻應變片法，基于電磁檢測、信號處理與轉換技術，利用單片機并以非接觸方式來實現旋轉構件角應變的在線檢測，既簡單易行、又經濟實用。

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