基于电磁法的旋转构件角应变检测系统的设计

2010-04-17田志勇金文兵浙江机电职业技术学院浙江杭州310053

科技传播 2010年6期

田志勇，金文兵浙江机电职业技术学院，浙江杭州 310053

旋转构件在工业上应用最为广泛，角应变作为旋转构件受力状态和形变的主要参数，成为机械设备运行状态在线监测和故障诊断的重要依据。随着高精密的机电一体化设备的出现与应用，对旋转构件角应变的在线检测势在必行。

传统的应变检测方法是采用电阻应变片法，这种方法工作原理明确、结构简单、使用广泛，但是需要通过集流器将应变信号传送至测量电路。常用的集流器有拉线式、电刷式和感应式，拉线式集流器是一次性集流器，适用于低速测量；电刷式集流器工作时定子、转子发热会导致信号漂移，会出现测量误差；感应式集流器动静线圈之间的间隙和变压器损耗会引起标定值变化而引起测量误差。因此，提出一种基于电磁法的角应变在线检测系统，可以实现旋转构件角应变的非接触式检测。

1 工作原理

基于电磁法的角应变在线检测的工作原理如图1所示，在旋转轴的a、b两处沿径向贴上磁钢，在对应于两磁钢的轴测放置线性霍尔元件H1、H2，用以测量磁场的变化。

图1 工作原理

当旋转轴匀速旋转时，H1和H2将产生一系列近似的正弦波信号，信号的频率只与转速有关。如果旋转轴不受扭应力，即不存在角应变时，H1和H2同时经过磁钢a和b，两路信号的频率相同且相位差为0；如果旋转轴受到扭应力而存在角应变时，则H1和H2经过磁钢a和b的时间将产生先后，导致两路信号的相位差不再为0，显然相位差的大小同旋转轴受扭的程度有关。如果能够测量出两路信号的相位差，则可获得旋转轴的角应变。

2 检测器的设计

检测器外壳用耐磨、绝缘的非磁性材料做成封闭良好的剖分式结构，环抱着旋转轴，如图2所示。霍尔元件放置在两个半体内部的沟槽（B槽）内，并通过电路板（电路板插在A槽内）与信号测量电路相连接。H1和H2布置在与旋转轴轴线平行的一条直线上，其间距为180mm。

图2 检测器的结构

霍尔元件选用日本产THS103A型砷化镓霍尔传感器。THS103A型霍尔元件体积小、输出电压为毫伏级、非线性度＜2%、工作温度在-55～125℃之间、热稳定性好、价格不高（10～100日元），性价比较高。

3 信号预处理电路

实验证明，旋转轴件上的磁迹使霍尔元件输出的信号非常微弱，THS103A的输出电压一般不大于3mV，必须对HS103A的输出电压进行放大，同时还要对THS103A的不等位电势和温度误差进行补偿。

由于THS103A霍尔元件的热稳定性很好，在霍尔元件信号前级预处理电路中，采用恒流源补偿法对温度误差进行补偿。即采用恒压源供电，合理选取补偿电阻，即可实现对HS103A的温度补偿。这样，霍尔电势的变化就可以反映出磁场的变化。

对于不等位电势，由两个电阻和THS103A组成电桥来补偿。放大器选用低噪声高精度集成运算放大器OP07，该运放具有较高的稳定性和共模抑制比，而且温飘很小。

4 脉冲填充计数法测量相位差

采用脉冲填充计数法测量相位差。对于两路信号，先采用过零比较电路将其分别转换成脉冲信号，然后将其中一路取反，与另一路信号相与，则得到一等脉宽的脉冲信号，脉宽t，即是两路正弦信号的相位差。

处理后的信号如图3所示，Ua和Ub分别是H1和H2的磁场检测信号，Ta和Tb分别为Ua和Ub经过整形和处理后的脉冲信号，t是信号相位差，T是正弦波信号的周期。以Ta作为基频，经锁相环倍频得到计数脉冲，对脉宽t进行计数即可得相位差。

图3 相位差检测信号

5 检测电路的设计

检测系统硬件电路由比较整形电路、信号倍频电路和单片机系统组成，比较整形电路采用LM339。对于采用脉冲填充计数法，倍频系数越大，测量精度越高，采用3600倍频，其测量精度为0.1o，可以满足实际需要，倍频电路锁相环集成电路CD4046组成。

检测系统的数据处理和显示采用AT89S51单片机，在设计中，将相位差脉冲作为计数器工作的门控，在相位差为高电平时对计数脉冲进行计数，从AT89S51的INT0管脚输入，而将计数脉冲从T0管脚输入。设置门控位GATE0为1，使定时器T0的启动受INT0的控制。这样，当TR0为1时，只有INT0管脚输入高电平，T0才允许计数，从而完成为相位差脉冲宽度的测量。