基于LVDT传感器的轴径在线测量系统

2021-06-24于润祥蔡志民

华北科技学院学报 2021年2期

于润祥，陈彬，蔡志民

(1.华北科技学院机电工程学院,北京东燕郊 065201；2.华北科技学院河北省矿山设备安全监测重点实验室,北京东燕郊 065201)

0 引言

轴类零件作为机械系统中最常用的零部件之一，对旋转类零件(如齿轮)起支撑作用，以此来传递扭矩，运动等。目前工人主要使用卡尺等工具对轴类零件尺寸进行测量；也有学者研究利用机器视觉技术进行轴径尺寸的测量，这些方法在小批量及抽检过程中，具有很好的实用性，在大规模生产过程中，存在检测速度慢，检测成本高的问题[1]。当前制造类企业对轴类零件尺寸的检测，以低成本，高效率的自动化检测为目标。

相对于离线测量存在检测效率低等缺点，在线测量检测技术，可以将传感信号采集、数据处理、结果实时统计等工序集中在一起，实现流水线式生产，有效的提高了检测的效率。目前实时在线测量技术被广泛应用于机械加工、石油化工和精密测试中。本文采用在线实时测量技术，来对轴类零部件检测和分选。考虑到差动式位移传感器(简称LVDT)具备线性好、结构简单、工作可靠、灵敏度高、易于实时测量等优点[2-5]。设计了一种轴径在线测量与分选系统，该系统采用LVDT传感器获取轴径的尺寸信息，通过单片机采集与处理后实时对轴径的尺寸进行记录与分选统计。其中LVDT主要由铁芯、初级线圈、两个次级线圈组成，铁芯位置的变动与线圈互感系数之间存在对应的线性关系，因此输出信号与铁芯之间存在对应的关系，最后通过线性拟合实现位移的测量[6-8]。

1 系统总体设计方案

设计的系统从整体上可分为三部分：①LVDT传感器及其信号处理部分，主要利用传感器与辅助结构将轴径的尺寸信息变成与之成比例的模拟信号；②单片机数据采集与处理部分，这一部分主要将模拟信号变成数字信号并进行尺寸的换算与其他信息的显示等；③辅助送料与分选机构，采用步进电机驱动送料传送链，将待测轴放置在待测点，轴径尺寸经过系统计算后，根据设置的判别标准，利用步进电机驱动分选挡板，将轴径合格与不合格的分放在两个料斗中。

系统总体设计方案框图如图1所示。LVDT传感器作为一种电感式传感器，其原边线圈需要激励信号，产生交变磁场供次级线圈拾取。在其他条件一定的情况下，次级线圈输出的信号与处于中心的铁芯位置有关，信号含有干扰信号，需要进行调理将干扰信号去除。单片机是整个系统的控制核心，负责对其他模块电路的控制，以及驱动步进电机进行轴类零件的上料和分选。

图1 系统总体设计方案图

2 系统硬件电路设计

系统硬件电路主要由LVDT传感器激励信号电路、输出信号调理电路、单片机最小系统、AD采集电路以及其他电路组成。

2.1 激励信号产生电路

由于LVDT传感器是一种差动变压器，初级线圈需要交变激励信号[9]，因此利用CD4069芯片来产生所需要的交变信号。CD4069内部包含六个相同的反向器，可以方便的通过电阻电容组成信号发生电路，所设计的交变信号电路如图2所示。

图2 激励信号产生电路

合理利用CD4069以及提高交变信号的功率，可将剩余的4路反向器并联作为缓冲器，来提高电路的带负载能力。

2.2 信号调理电路

信号调理电路主要由信号整流电路与放大滤波电路组成，如下图3所示。

图3 信号调理电路

为辨别LVDT位移的正负，设计了基于整流桥的差动信号调理电路。当铁芯处于中间位置，通过调节电阻R3，使信号输出为零，当铁芯向上运动时，上面的整流桥输出电压大于下面整流桥的输出电压，最终的输出电压为正。反之，当铁芯向下运动时，上面的整流桥输出电压小于下面整流桥的输出电压，最终的输出电压为负。通过输出电压的正负极性，就可以对铁芯运动方向进行判别。

由于输出的位移信号微弱，并包含干扰信号[10]，因此，设计了基于LM324的信号滤波与放大电路，通过调节可变电阻R16与电容C2，可以对信号的放大倍数与滤波截止频率进行调节。从而使LVDT传感器的模拟输出信号能够准确可靠的反映铁芯的位置，从而提高位移测量的准确性。

2.3 高精度A/D采集电路

为准确的对LVDT传感器输出的模拟信号进行采集，综合考虑检测的速度与精度，选择了ADI公司的24位高精度AD采集芯片AD7799对位移信号进行模数转换。

AD7799内部主要由模拟多路开关、输入缓冲器、可编程增益控制器、可编程数字滤波器、串行SPI接口及时钟发生器组成。AD7799采用外部参考电压，外部电压采用差动式，使用LM336芯片提供稳定的2.5 V参考电压。

在单端信号输入时，LVDT传感器输出的电压有可能超过5 V，超过了AD7799的最大量程电压，需要对输入电压进行预处理，本文采用电阻分压电路以及阻容滤波电路进行信号的预处理。使LVDT输入的模拟信号经过预处理电路后，满足单端输入的要求，输出数字量后，采用STM单片机自带的SPI接口，与AD7799进行数据的读取，单片机以及外加参考电压的接线图如下图4所示。整个器件的初始化以及读写命令可通过对芯片内部的7个独立寄存器配置来设置，各种参数的配置命令字可在芯片数据手册查到。

图4 AD7799接口电路

3 系统软件设计

系统主程序流程图如图5所示，主要有AD7799驱动程序、显示屏驱动程序、数据处理程序等几部分，主控制器采用STM32系列单片机，主频为72 MHz，可快速实现对数据的采集，内部采用滤波处理，使得输出的位移量能够满足精度的要求，而且AD芯片的采样频率较高，满足快速化的测量。

当系统上电后，系统进行初始化，完成AD芯片的初始化配置，然后对LVDT信号进行采集，每采集一次，进行数据计算，得出轴径的大小，并与所设定的轴径进行分类并进行存储等操作。

3.1 AD驱动程序

AD7799采用SPI通讯方式，由于只用到一片AD7799芯片，因此CS片选端可以直接接地。AD采集程序的编写主要包括读函数、写函数、初始化函数以及AD转换函数。

在AD转换函数中，首先配置读状态寄存器，然后判断是否读写异常或者出错，如何没有出错进行下一步，由于AD7799是24位分辨率的AD芯片，因此转换读取的数据分成3次，每次读取一个字节，从而最终完成24位精度的采集，AD采集子程序流程图如图6所示。

图6 AD采样处理流程图

3.2 采样数据处理

由于系统会受到工作环境及外界的干扰，为保证采样数据的正确性，采用数据变化判断算法，将每次转化得到的数据与滤波器里的均方根进行比较，判断是否超过阈值，从而得到一个精确的电压值。通过这种原理，在软件设计中采用比较的方式，当输出值的波动量在预期的范围之内时，则输出，当输出超出阈值时，丢弃结果，再次采集数据直到数据满足要求为止。最后通过线性拟合计算出铁芯的位移量，即为测量的位移，并通过显示屏显示及进行数据的保存。