一種光學(xué)非接觸式機(jī)械故障檢測裝置設(shè)計

引言

機(jī)械故障監(jiān)測，可以實時掌握設(shè)備的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，預(yù)測故障發(fā)生的可能性和時間，為維護(hù)保養(yǎng)提供依據(jù)，同時也可以優(yōu)化設(shè)備的運行方式，延長設(shè)備使用壽命，提高生產(chǎn)效率和設(shè)備可靠性[1一3]，因此機(jī)械故障監(jiān)測與分析具有重要意義和價值。

機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障診斷與分析的難度大[4一5]。目前，振動分析是最常用的機(jī)械故障檢測方法，通過測量機(jī)器設(shè)備的振動信號，分析振動信號的頻率、幅值、相位等參數(shù)，可以判斷設(shè)備是否存在故障和故障的類型[6]。

機(jī)械故障檢測技術(shù)已經(jīng)取得了長足進(jìn)步[7一9]，但在如下方面依然面臨挑戰(zhàn)[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(yīng)性，難以解決復(fù)雜機(jī)械內(nèi)部振動信息的采集問題；2）僅能檢測振動參數(shù)，指標(biāo)單一，數(shù)據(jù)采集不全面，無法感知靜態(tài)位移信息和溫度信息，難以綜合判斷故障類型及位置；3）監(jiān)測數(shù)據(jù)不聯(lián)網(wǎng)，僅僅用于本地預(yù)警，數(shù)據(jù)共享困難，無法深入挖掘數(shù)據(jù)價值。

針對傳統(tǒng)故障檢測技術(shù)存在的問題，本文提出了一種光學(xué)非接觸式機(jī)械故障檢測裝置設(shè)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(shù)實現(xiàn)振動、位移、溫度等多參數(shù)的免約束采集及無線互聯(lián)，具有較好的應(yīng)用和推廣價值。

1裝置的總體設(shè)計與分析

1.1裝置的硬件結(jié)構(gòu)

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

1）STM32核心系統(tǒng)，負(fù)責(zé)振動、溫度等機(jī)械故障信息的采集、處理。采用STM32F407設(shè)計，該芯片集成了通信接口、定時器、ADC/DAC等眾多外設(shè)和接口，資源豐富，可以滿足各種應(yīng)用開發(fā)的需求。本設(shè)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(shè)計要求。

2）TFT液晶屏，負(fù)責(zé)人機(jī)交互與信息顯示。選用ATK-MD0350模塊設(shè)計，該模塊采用NT35310作為LCD的驅(qū)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(wěn)定性好等特點。

3）振動檢測模塊，負(fù)責(zé)振動信息的感知和預(yù)處理。選用一款基于激光三角法原理的非接觸式光學(xué)傳感器設(shè)計，該傳感器工作距離30 mm，測量范圍士4 mm，采樣周期500μs，可實現(xiàn)振動、位移等多種參數(shù)的免約束采集、預(yù)處理。

4）溫度檢測模塊,負(fù)責(zé)溫度信息的感知和預(yù)處理。選用一款基于紅外測溫原理的非接觸式傳感器設(shè)計,該傳感器測溫范圍0~900節(jié),測量精度士1節(jié),測量距離0~1 m。

5）本地報警電路，負(fù)責(zé)故障報警。采用LED多層預(yù)警燈進(jìn)行設(shè)計,該預(yù)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(xiàn)場靈活的報警需求。

6）藍(lán)牙通信模塊,主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)短距離數(shù)據(jù)無線傳輸和控制。選用DX—BT22藍(lán)牙模塊設(shè)計,采用nRF52832射頻芯片,自帶高性能ARM CORTEX—M4內(nèi)核,具有功耗低、穩(wěn)定性高的特點,并擁有豐富的外設(shè)資源。

光學(xué)非接觸式機(jī)械故障檢測裝置可以進(jìn)行振動、溫度、位移等多參數(shù)采集,顯著提高了設(shè)備的監(jiān)測預(yù)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(xué)模型如圖2所示,光路系統(tǒng)主要包括半導(dǎo)體激光器、匯聚透鏡、成像透鏡、CMOS感光器件等關(guān)鍵部件。為了實現(xiàn)大景深精確聚焦,各光學(xué)部件的空間位置關(guān)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(dǎo)體激光器發(fā)出的平行光束經(jīng)匯聚透鏡聚焦照射在被測對象表面,形成物光點；物光點經(jīng)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(fā)生相應(yīng)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。

設(shè)入射激光、感光器件CMOS與成像透鏡主光軸的夾角分別為θ、P,基準(zhǔn)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(jù)公式（1）可以精確求解被測對象的振動信息。

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

2核心電路模塊設(shè)計

2.1振動和溫度檢測電路設(shè)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(jié)果,因此設(shè)計了如圖3所示的電路,用于實現(xiàn)傳感器測量數(shù)據(jù)的采集。該電路采用TPT8485芯片作為收發(fā)器,TPT8485芯片支持3.3 V供電,有輸出短路保護(hù)。本設(shè)計中,STM32F407的串口2實現(xiàn)微控制器與振動傳感器之間的RS485通信,串口3實現(xiàn)微控制器與溫度傳感器之間的RS485通信。2.2藍(lán)牙通信電路設(shè)計

如圖4所示,本設(shè)計選擇藍(lán)牙技術(shù)解決故障檢測裝置的無線互聯(lián)問題。藍(lán)牙通信選用DX—BT22模塊進(jìn)行設(shè)計,技術(shù)參數(shù)如表1所示,該模塊為智能無線數(shù)據(jù)傳輸模塊,支持藍(lán)牙5.0協(xié)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(jìn)行透傳通信,實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效無線互聯(lián)。

2.3本地報警電路設(shè)計

本地報警電路負(fù)責(zé)故障報警,采用LED多層警示燈進(jìn)行設(shè)計,控制電路如圖5所示。系統(tǒng)正常時,STM32F407微控制器的NORMAL引腳輸出低電平,信號通過光糯糯合,控制三極管Q4導(dǎo)通,繼電器K1吸合，警示燈綠燈亮，指示系統(tǒng)正常；系統(tǒng)故障時，STM32F407微控制器的ALARM引腳輸出低電平，信號通過光糯糯合，控制三極管Q5導(dǎo)通，繼電器K2吸合，警示燈紅燈閃爍并蜂鳴預(yù)警。

3實驗與分析

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

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

本文設(shè)計的機(jī)械故障檢測裝置，實現(xiàn)了振動、位移、溫度等多參數(shù)的非接觸采集，為智能化機(jī)械故障監(jiān)測提供了一種有效的技術(shù)手段。

4結(jié)束語

目前，機(jī)械故障檢測技術(shù)已經(jīng)取得了長足進(jìn)步，但依然面臨挑戰(zhàn)。為了解決傳統(tǒng)故障檢測技術(shù)存在的約束條件復(fù)雜、檢測參數(shù)單一的問題，本文提出了一種光學(xué)非接觸式機(jī)械故障檢測裝置設(shè)計方案，分析了該裝置的工作原理和電路結(jié)構(gòu)，完成了關(guān)鍵電路模塊的詳細(xì)設(shè)計。該裝置采用激光三角法、紅外測溫和無線通信等技術(shù)，實現(xiàn)振動、位移、溫度等多參數(shù)的免約束采集、處理及無線互聯(lián)，具有較好的應(yīng)用和推廣價值。