新型智能型曲轴臂距差测量仪的研制

张双喜，林金表，陈 武

(集美大学轮机工程学院，福建厦门 361021)

1 新型智能曲轴臂距差测量仪的硬件设计

文中设计的无线曲轴臂距差测量仪系统如图1所示。系统将微位移传感器、AD574A、单片机1和无线模块一端组成臂距差测量仪的微位移数据采集端；角度检测模块、单片机2、无线模块一端及液晶显示等作为臂距差信号分析处理端。臂距差测量的是曲柄臂处在0°、90°、165°、195°、270° 5个位置臂距差数值，单片机2根据检测到的曲柄角度，通过无线模块来通知数据采集端进行臂距差采集；单片机1控制微位移传感器进行数据采集，信号通过调理电路以及AD模数转换进入单片机；单片机1将采集到的臂距差信号与其角度一一对应暂存；待收到单片机2的发送臂距差指令时，单片机1将臂距差值通过无线模块发送给单片机2；再由单片机2进行数据分析处理以及显示。[1-3]

图1 系统结构图

1．1测量仪的数据采集端

1．1．1 霍尔传感器的机械设计

霍尔传感器的机械结构示意图如图2所示。传感器部分的设计选用了1片AH49E线性霍尔元件和2块Φ3 mm的磁钢，两块磁钢同极性相对放置。其他结构选用铝质材料进行设计，避免对磁钢产生干扰。设计了调距螺栓，以满足不同结构的曲轴臂距差的测量要求。

图2 霍尔传感器机械结构设计示意图

1．1．2 测量仪的数据采集端硬件电路

测量仪的数据采集端电路如图3所示。测量仪的数据采集端电路包括信号放大和滤波、AD转换以及无线模块。信号放大选用TL071，采用差动放大。因霍尔传感器静态输出电压是2.5 V左右，需去除静态输出电压，只放大信号微变部分。图中Vin是AH49E在磁钢作用下输出电压值，Vi为AH49E在无磁钢作用输出的静态工作电压值。传感器工作在比较复杂和恶劣的环境，系统选用滤波器LTC1569对放大器输出的信号进行滤波。经滤波器输出的电压信号需要加电压跟随器，这是因为LTC1569芯片输出的阻抗比较高，需要电压跟随器进行缓冲，从而降低输出阻抗提高负载[5]。

AD转换器件选用的是12位逐次逼近型AD574A。AD574A芯片内有三态输出缓冲电路，因而可直接与单片机的数据总线相连，而无须附加逻辑接口电路。单片机控制 AD574A的读出、启动转换控制线R/C以及控制片选线CS，WR、RD引脚经过与非门74HC00接到 AD574A的使能端CE引脚，任意有效信号使能 AD芯片。

图3 数据采集端电路

无线模块选用NORDIC生产的nRF24L01。无线模块nRF24L01的外接引脚CE、CSN、SCK、MISO、MOSI分别与单片机的P1．0-P1．4引脚相连，IRQ引脚与单片机的INT0口连接。nRF24L01正常工作电压在3.3 V左右，系统采用直流5 V电源供电，所以需要将5 V电源转换成3.3 V左右。在nRF24L01电源引脚前加3个串联的二极管，利用二极管正向压降，可以将5 V电压转换成3 V左右，以满足nRF24L01正常工作电压。

1．2测量仪信号分析处理段

1．2．1 曲柄角度检测模块

曲柄角度检测模块示意图如图4所示。该模块主要利用开关型霍尔传感器在磁钢的作用下会输出数字脉冲信号，将该数字信号传输给单片机，单片机根据这个信号来控制是否对曲轴臂距差进行采集。在检测柴油机某一缸的臂距差时，将5个磁钢固定安装在主机的盘车机上，这5个磁钢的位置与曲柄臂所处的臂距差测量位置相对应，即曲柄臂处在0°、90°、165°、195°、270° 5个角度。开关型霍尔元件安装在盘车机台上，当磁钢转到与霍尔开关相近的位置时，霍尔开关就会输出数字脉冲信号，将该信号传输给单片机2。单片机2将角度信号发射给单片机1，单片机1根据角度信号采集对应的臂距差数据。

图4 曲柄角度检测模块示意图

1．2．2 信号分析处理端硬件电路

信号分析处理端电路图如图5所示，包括无线模块、单片机2(AT89C52)、曲柄角度采集模块、液晶显示、功能按键以及串口通信模块。曲柄采集模块即通过霍尔开关A3144E采集曲柄的角度，将数字信号传输给单片机2的P1．7引脚。单片机2采用定时1 ms中断，检测霍尔开关是否采集到角度，若传感器已采集到角度数据，立刻执行无线模块发射程序，将角度信号传送给单片机1进行臂距差数据采集。为了能直接的观察和记录测得数据，系统选用LCD12864液晶显示模块作为人机交互界面，同时设计了4个按键：返回键、上翻建、下翻键以及确定键。单片机定时中断扫描键盘模块，检测到哪个功能键按下，单片机执行相应的操作并且通LCD12864进行相应的显示操作。设计了RS-232通讯接口的目的是方便将采集到数据传输到上位机进行数据的分析处理和存储。

2 新型智能曲轴臂距差测量仪的软件设计

系统的软件流程图如图6、图7所示。该系统的程序流程图分为单片机1端和单片机2端两部分。系统上电后，单片机2端通过霍尔开关检测角度信号，利用无线模块将角度信号发送给单片机1端。5点角度传输完成后，等待接收单片机1端传送回来的臂距差信号。单片机2端收到臂距差信号后进行相关数据的处理及显示。

单片机1端在系统上电后检测是否收到单片机2端传送的角度信号。在收到角度信号时，即采集该角度对应的臂距差数据并暂存。5点采集完成后，单片机1通过无线模块将五点臂距差数据传输给单片机2端。

3 误差分析

造成实验误差有很多情况，文中出现误差的情况有：机械制造工艺不高导致两块磁钢不能精准的相对放置，致使线性霍尔元件两边磁场分布不匀称；霍尔元件是由半导体制作而成，温度的变化会对其精准测量造成影响；当霍尔元件通控制电流时，电流会产生自激磁场，若电极引线不对称，霍尔元件两边磁感应强度不同，将有自激场的零位电势输出。

图5 信号分析处理端电路

图6 单片机1端程序流程图

图7 单片机2端程序流程图

4 测试数据分析

通过实验测试，该系统自行设计的线性霍尔微位移传感器，在单片机的控制下能采集到的微位移数据。无线射频模块nRF24L01能够准确的将位移数据发送到主控单片机上，并进行显示。图8是实验得到的线性霍尔传感器的电压与位移的关系变化图。从图中可以直观的看出霍尔元件的电压变化与位移是按照近似线性关系变化的，且测量精度可以达到0.005 mm．

图8 位移与霍尔元件输出电压变化的关系图

5 结束语

文中设计的无线曲轴臂距差测量仪，在实验测试过程中工作性能稳定，无线传输距离能够满足臂距差测量要求；自行设计的微位移霍尔传感器测量精度能够达到0.005 mm；曲柄角度检测，实现了臂距差的连续测量，解决了有线数显式测量仪的缺陷。为轮机员进行曲轴臂距差测量工作带来方便，提高了工作效率。测量仪选用常用低成本元器件，产品具有较高的性价比和应用前景。

参考文献：

[1]JUNG Do-Hyun，KIM Hong-Jin，PYOUN Young-Shik，et al．Reliability prediction of the fatigue life of a crankshaft．Journal of Mechanical Science and Technology，2009，23：1071-1074．

[2]石磊，薛冬新，宋希庚，等．基于数值模拟的主机曲轴臂距差计算方法研究．船舶工程，2010，32(6)：13-16．

[3]刘伯运，朱宝成，李发光，等．线阵CCD在机械微变距离测量中的应用．海军工程大学学报，2002，14(2)：85-92．

[4]郑和东，林金表，蔡振雄，等．船舶柴油机曲轴臂距差电子测量仪的研制．集美大学学报，自然科学版，2010，15(5)：369-371．

[5]任勇峰，薛瑶，侯卓，等．LTC1569 滤波器在信号调理模块中的应用．电子设计工程，2009，17 (7)：119-123．

作者简介：张双喜(1987—)，硕士研究生，主要从事现代轮机管理工程的研究。E-mail：zhangsx_anhui@126．com