一種光學非接觸式機械故障檢測裝置設計

王彥昕 李學哲 王 菲 欒昊林

（1.華北科技學院應急裝備學院，河北 廊坊 065201；2.河北省礦山設備安全監測重點實驗室，河北 廊坊 065201）

0 引言

機械故障監測，可以實時掌握設備的運行狀態，及時發現異常情況，預測故障發生的可能性和時間，為維護保養提供依據，同時也可以優化設備的運行方式，延長設備使用壽命，提高生產效率和設備可靠性[1-3]，因此機械故障監測與分析具有重要意義和價值。

機械設備的結構復雜，故障診斷與分析的難度大[4-5]。目前，振動分析是最常用的機械故障檢測方法，通過測量機器設備的振動信號，分析振動信號的頻率、幅值、相位等參數，可以判斷設備是否存在故障和故障的類型[6]。

機械故障檢測技術已經取得了長足進步[7-9]，但在如下方面依然面臨挑戰[10]：1）傳感器體積較大，采用磁吸式接觸安裝，限制了測量的適應性，難以解決復雜機械內部振動信息的采集問題；2）僅能檢測振動參數，指標單一，數據采集不全面，無法感知靜態位移信息和溫度信息，難以綜合判斷故障類型及位置；3）監測數據不聯網，僅僅用于本地預警，數據共享困難，無法深入挖掘數據價值。

針對傳統故障檢測技術存在的問題，本文提出了一種光學非接觸式機械故障檢測裝置設計方案，該裝置采用激光三角法、紅外測溫和無線通信等技術實現振動、位移、溫度等多參數的免約束采集及無線互聯，具有較好的應用和推廣價值。

1 裝置的總體設計與分析

1.1 裝置的硬件結構

本文設計了如圖1所示的非接觸式機械故障檢測裝置，主要由STM32核心系統、振動檢測模塊、溫度檢測模塊、TFT液晶屏、本地報警電路、藍牙通信模塊等幾部分組成。

圖1 裝置的硬件結構圖

1）STM32核心系統，負責振動、溫度等機械故障信息的采集、處理。采用STM32F407設計，該芯片集成了通信接口、定時器、ADC/DAC等眾多外設和接口，資源豐富，可以滿足各種應用開發的需求。本設計中，振動檢測、溫度檢測及無線通信都是利用串口通信完成的，STM32F407有6個串口，可以滿足設計要求。

2）TFT液晶屏，負責人機交互與信息顯示。選用ATK-MD0350模塊設計，該模塊采用NT35310作為LCD的驅動芯片，是一款高性能3.5′TFT LCD電阻觸摸屏模塊，具有精度高、穩定性好等特點。

3）振動檢測模塊，負責振動信息的感知和預處理。選用一款基于激光三角法原理的非接觸式光學傳感器設計，該傳感器工作距離30 mm，測量范圍±4 mm，采樣周期500 μs，可實現振動、位移等多種參數的免約束采集、預處理。

4）溫度檢測模塊，負責溫度信息的感知和預處理。選用一款基于紅外測溫原理的非接觸式傳感器設計，該傳感器測溫范圍0～900 ℃，測量精度±1 ℃，測量距離0～1 m。

5）本地報警電路，負責故障報警。采用LED多層預警燈進行設計，該預警燈具有常亮、閃亮等多種工作模式，并有蜂鳴功能，可以滿足現場靈活的報警需求。

6）藍牙通信模塊，主要負責實現短距離數據無線傳輸和控制。選用DX-BT22藍牙模塊設計，采用nRF52832射頻芯片，自帶高性能ARM CORTEX-M4內核，具有功耗低、穩定性高的特點，并擁有豐富的外設資源。

光學非接觸式機械故障檢測裝置可以進行振動、溫度、位移等多參數采集，顯著提高了設備的監測預警能力。

1.2 激光三角法測振原理分析

激光三角法振動檢測的幾何光學模型如圖2所示，光路系統主要包括半導體激光器、匯聚透鏡、成像透鏡、CMOS感光器件等關鍵部件。為了實現大景深精確聚焦，各光學部件的空間位置關系必須滿足沙姆定律，即入射激光、CMOS光電中心線匯聚于成像透鏡主平面上方的C點處。半導體激光器發出的平行光束經匯聚透鏡聚焦照射在被測對象表面，形成物光點；物光點經成像透鏡成像于CMOS光電中心，形成像光點；被測對象振動引起物光點位置不斷變化，基于透鏡成像定理，會引起像光點在CMOS上發生相應的位置變化；精確測量像光點在CMOS上的位移變化，就可以計算得到被測對象的振動信息，這就是激光三角法振動檢測器的基本測量原理。

圖2 激光三角法振動檢測的幾何光學模型

設入射激光、感光器件CMOS與成像透鏡主光軸的夾角分別為θ、φ，基準位置處物光點O、像光點O′到成像透鏡的距離分別為L、L′，物光點、像光點的位置變化量分別為X、X′，采用幾何解析法求解振動測量模型，依據公式（1）可以精確求解被測對象的振動信息。

在實際應用中，為了減小非線性誤差，通過景深控制，選擇在基準位置附近小范圍內采集振動信息，以提高測量的精度。

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2 核心電路模塊設計

2.1 振動和溫度檢測電路設計

振動檢測傳感器和紅外溫度傳感器均采用RS485通信方式傳輸檢測結果，因此設計了如圖3所示的電路，用于實現傳感器測量數據的采集。該電路采用TPT8485芯片作為收發器，TPT8485芯片支持3.3 V供電，有輸出短路保護。本設計中，STM32F407的串口2實現微控制器與振動傳感器之間的RS485通信，串口3實現微控制器與溫度傳感器之間的RS485通信。

圖3 RS485通信電路設計圖

2.2 藍牙通信電路設計

如圖4所示，本設計選擇藍牙技術解決故障檢測裝置的無線互聯問題。藍牙通信選用DX-BT22模塊進行設計，技術參數如表1所示，該模塊為智能無線數據傳輸模塊，支持藍牙5.0協議，工作頻率2.4 GHz，工作電源3.3 V，通信距離20 m。利用微控制器的串口1與模塊進行透傳通信，實現監測數據的高效無線互聯。

表1 DX-BT22技術參數

圖4 藍牙通信電路設計圖

2.3 本地報警電路設計

本地報警電路負責故障報警，采用LED多層警示燈進行設計，控制電路如圖5所示。系統正常時，STM32F407微控制器的NORMAL引腳輸出低電平，信號通過光耦耦合，控制三極管Q4導通，繼電器K1吸合，警示燈綠燈亮，指示系統正常；系統故障時，STM32F407微控制器的ALARM引腳輸出低電平，信號通過光耦耦合，控制三極管Q5導通，繼電器K2吸合，警示燈紅燈閃爍并蜂鳴預警。

圖5 本地報警電路設計圖

3 實驗與分析

如圖6所示，利用本裝置監測某型電動機的輸出軸，采集被測軸的絕對位置偏差、溫度及振動數據，并利用MATLAB軟件處理實驗數據，得到機軸的溫度曲線和振動頻譜如圖7、圖8所示。

圖6 某型電動機故障監測實驗圖

圖7 機軸的溫度曲線

圖8 機軸的振動頻譜

實驗結果表明：該電動機的絕對位置偏差、溫度、振動頻譜等均在合理范圍內，運行狀態綜合判定為正常。

本文設計的機械故障檢測裝置，實現了振動、位移、溫度等多參數的非接觸采集，為智能化機械故障監測提供了一種有效的技術手段。

4 結束語

目前，機械故障檢測技術已經取得了長足進步，但依然面臨挑戰。為了解決傳統故障檢測技術存在的約束條件復雜、檢測參數單一的問題，本文提出了一種光學非接觸式機械故障檢測裝置設計方案，分析了該裝置的工作原理和電路結構，完成了關鍵電路模塊的詳細設計。該裝置采用激光三角法、紅外測溫和無線通信等技術，實現振動、位移、溫度等多參數的免約束采集、處理及無線互聯，具有較好的應用和推廣價值。