轴的跳动位移在线检测系统设计

崔 焱，秦 颖

(河南省工业科技学校，河南新乡453003)

0 引言

轴作为广泛使用的机械器件，其正常转动的理想状态是轴颈的圆心与轴孔中心线是重合的，但在实际运行时由于振动、负荷过大等原因轴颈的轴心往往偏离轴孔的中心，偏离的距离越大，对轴的损坏越大，还会引起轴瓦和轴颈之间产生严重的摩擦、磨损，严重时还会导致恶性事故的发生。因此，轴的跳动位移测量是对轴承运行状态进行诊断和控制的关键技术［1］。

1 测量原理

本系统采用在轴的水平和垂直两个方向上测量轴的跳动位移，传感器固定的位置为:在轴静止时，水平方向沿着轴水平中心线进行固定，垂直方向沿着垂直中心线固定，距离轴的起始距离分别为a、b。当轴转动后由于轴的跳动，传感器与轴的距离会发生改变，设定轴转动后传感器与轴的直线距离分别为a′、b′，如图1所示，则在水平和垂直方向上跳动位移分别是:

当X>0时，轴在水平方向向右跳动;当X<0时，轴在水平方向向左跳动。

当Y>0时，轴在垂直方向向上跳动;当Y<0时，轴在垂直方向向下跳动。

2 测量系统的设计

依据公式(1)(2)，需要同时测量出轴颈在X轴方向和Y轴方向相对于轴孔中心线的跳动量X、Y，因此要对两路信号同时采集。本系统设计了两通道的信号采集测量系统，它主要由光电转换模块、采样保持放大电路模块、模数转换模块、数据处理模块、数据显示模块组成。

2.1 光电转换模块的组成

光电转换模块主要由:一支DG650-13-3半导体激光器、四根纤芯直径为1 mm，数值孔径为0.5的塑料光纤和两个OPT101光电二极管组成。

图1 轴的跳动位移测量原理图

2.2 采样保持放大电路的设计

采样保持电路中采用LF398采样保持器，它具有采样速度快、保持下降速度慢、精度高等特点，采样时间小于6 μs时精度可达0.01%;电源电压可在±5 V和±15 V之间变化，其电路连接图如图2所示:

图2 LF398电路连接图

图2中8和7引脚分别为逻辑电平和逻辑参考电平，用于控制其工作方式;当8为低电平时，电路工作在采样状态，反之，电路工作在保持状态，另一路采样保持电路与图2相同。

放大电路中核心器件是OP-07，由于OP-07运算放大器输出端的电压在－15 V～+15 V变化，远远超过AD转换器件TLC0820的信号电压输入范围，一旦超过TLC0820限定的最大输入值VCC+0.1 V就会烧坏TLC0820芯片，因此在放大电路之后要接保护电路。保护电路是在OP-07输出端分别接一个8.2 k和3.6 k的电阻，并反向接一个二极管，TLC0820的信号输入端接在8.2 k和3.6 k两个电阻之间的节点处，这样不会超过TLC0820的VREF+的值。

2.3 模数转换模块的设计

本系统以TLC0820为模数转换器件，TLC0820是一种经过改进的高速并行的8位模数转换器，8位数据三态并行输出，读方式最快转换时间为2.5 μs，不需外部时钟和振荡元件能很好地与各种微处理器连接。通过MODE的设置，TLC0820可工作在读和写读两种方式，当MODE为低电平时转换器为只读方式，当MODE为高电平时转换器为写读方式［2］。

2.4 单片机选型

本系统选用AT89S52作为核心器件，用作数据处理。目前，AT89S52被广泛的使用，成本越来越低，其在作为测量滑动轴承偏心距的核心部件时，不仅具有运行速度快、兼容性强的特点，而且可以降低产品开发和生产成本，能够满足本检测系统的要求，模数转换和信号采集程序部分代码如下所示［3］:

2.5 数据显示模块的设计

为了便于操作者在现场对滑动轴承的运行状况进行诊断，设计了即时显示模块。采用LMB162A字符型液晶器，这种液晶显示器主要是通过4、5、6三个引脚来控制液晶的显示，RS、R/W、E分别与单片机的P1.0、P1.1和P1.2三个管脚相连，要显示的数据由P0口并行输出，与液晶显示器的8位数据口相连，属于非总线控制方式，因此在P0口外接10 k电阻排作为上拉电阻，否则不会显示数据。

3 结束语

(1)经过对X轴方向和Y轴方向光纤位移传感器的静态特性分别标定［8］，得到系统的线性范围是在与轴相距800～2 000 μm的范围内，即测量系统的线性范围是0～1 200 μm;又计算出本系统半径间隙为250 μm，即系统量程为0～500 μm，所以，本系统的线性范围满足量程的需要。我们使光纤传感器端部沿着X、Y方向轴孔中心线且离轴表面的距离为

a=b=1 200 μm.进行固定。并根据测得的数据得到反非拟合曲线。

(2)进行动态系统设计，其中数据采集流程图如图3所示:

图3 数据采集流程图

经过运行本测量系统工作稳定，动态数据能显示在液晶显示器上。

(3)本系统的创新之处有三点:第一，推导出了本系统的测量原理。第二，设计了特有的轴的跳动位移在线测量系统。第三，得到了本系统的量程范围。

［1］杨黎明.机械设计手册下册［M］.北京:兵器工业出版社出版，1998:202－212.

［2］谢小平.改进型高速8位ADC TLC0820及其在测光电路中的应用［J］.国外电子元器件，2000，3:15 －17.