一种光学非接触式机械故障检测装置设计

王彦昕 李学哲 王 菲 栾昊林

（1.华北科技学院应急装备学院，河北 廊坊 065201；2.河北省矿山设备安全监测重点实验室，河北 廊坊 065201）

0 引言

机械故障监测，可以实时掌握设备的运行状态，及时发现异常情况，预测故障发生的可能性和时间，为维护保养提供依据，同时也可以优化设备的运行方式，延长设备使用寿命，提高生产效率和设备可靠性[1-3]，因此机械故障监测与分析具有重要意义和价值。

机械设备的结构复杂，故障诊断与分析的难度大[4-5]。目前，振动分析是最常用的机械故障检测方法，通过测量机器设备的振动信号，分析振动信号的频率、幅值、相位等参数，可以判断设备是否存在故障和故障的类型[6]。

机械故障检测技术已经取得了长足进步[7-9]，但在如下方面依然面临挑战[10]：1）传感器体积较大，采用磁吸式接触安装，限制了测量的适应性，难以解决复杂机械内部振动信息的采集问题；2）仅能检测振动参数，指标单一，数据采集不全面，无法感知静态位移信息和温度信息，难以综合判断故障类型及位置；3）监测数据不联网，仅仅用于本地预警，数据共享困难，无法深入挖掘数据价值。

针对传统故障检测技术存在的问题，本文提出了一种光学非接触式机械故障检测装置设计方案，该装置采用激光三角法、红外测温和无线通信等技术实现振动、位移、温度等多参数的免约束采集及无线互联，具有较好的应用和推广价值。

1 装置的总体设计与分析

1.1 装置的硬件结构

本文设计了如图1所示的非接触式机械故障检测装置，主要由STM32核心系统、振动检测模块、温度检测模块、TFT液晶屏、本地报警电路、蓝牙通信模块等几部分组成。

图1 装置的硬件结构图

1）STM32核心系统，负责振动、温度等机械故障信息的采集、处理。采用STM32F407设计，该芯片集成了通信接口、定时器、ADC/DAC等众多外设和接口，资源丰富，可以满足各种应用开发的需求。本设计中，振动检测、温度检测及无线通信都是利用串口通信完成的，STM32F407有6个串口，可以满足设计要求。

2）TFT液晶屏，负责人机交互与信息显示。选用ATK-MD0350模块设计，该模块采用NT35310作为LCD的驱动芯片，是一款高性能3.5′TFT LCD电阻触摸屏模块，具有精度高、稳定性好等特点。

3）振动检测模块，负责振动信息的感知和预处理。选用一款基于激光三角法原理的非接触式光学传感器设计，该传感器工作距离30 mm，测量范围±4 mm，采样周期500 μs，可实现振动、位移等多种参数的免约束采集、预处理。

4）温度检测模块，负责温度信息的感知和预处理。选用一款基于红外测温原理的非接触式传感器设计，该传感器测温范围0～900 ℃，测量精度±1 ℃，测量距离0～1 m。

5）本地报警电路，负责故障报警。采用LED多层预警灯进行设计，该预警灯具有常亮、闪亮等多种工作模式，并有蜂鸣功能，可以满足现场灵活的报警需求。

6）蓝牙通信模块，主要负责实现短距离数据无线传输和控制。选用DX-BT22蓝牙模块设计，采用nRF52832射频芯片，自带高性能ARM CORTEX-M4内核，具有功耗低、稳定性高的特点，并拥有丰富的外设资源。

光学非接触式机械故障检测装置可以进行振动、温度、位移等多参数采集，显著提高了设备的监测预警能力。

1.2 激光三角法测振原理分析

激光三角法振动检测的几何光学模型如图2所示，光路系统主要包括半导体激光器、汇聚透镜、成像透镜、CMOS感光器件等关键部件。为了实现大景深精确聚焦，各光学部件的空间位置关系必须满足沙姆定律，即入射激光、CMOS光电中心线汇聚于成像透镜主平面上方的C点处。半导体激光器发出的平行光束经汇聚透镜聚焦照射在被测对象表面，形成物光点；物光点经成像透镜成像于CMOS光电中心，形成像光点；被测对象振动引起物光点位置不断变化，基于透镜成像定理，会引起像光点在CMOS上发生相应的位置变化；精确测量像光点在CMOS上的位移变化，就可以计算得到被测对象的振动信息，这就是激光三角法振动检测器的基本测量原理。

图2 激光三角法振动检测的几何光学模型

设入射激光、感光器件CMOS与成像透镜主光轴的夹角分别为θ、φ，基准位置处物光点O、像光点O′到成像透镜的距离分别为L、L′，物光点、像光点的位置变化量分别为X、X′，采用几何解析法求解振动测量模型，依据公式（1）可以精确求解被测对象的振动信息。

在实际应用中，为了减小非线性误差，通过景深控制，选择在基准位置附近小范围内采集振动信息，以提高测量的精度。

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2 核心电路模块设计

2.1 振动和温度检测电路设计

振动检测传感器和红外温度传感器均采用RS485通信方式传输检测结果，因此设计了如图3所示的电路，用于实现传感器测量数据的采集。该电路采用TPT8485芯片作为收发器，TPT8485芯片支持3.3 V供电，有输出短路保护。本设计中，STM32F407的串口2实现微控制器与振动传感器之间的RS485通信，串口3实现微控制器与温度传感器之间的RS485通信。

图3 RS485通信电路设计图

2.2 蓝牙通信电路设计

如图4所示，本设计选择蓝牙技术解决故障检测装置的无线互联问题。蓝牙通信选用DX-BT22模块进行设计，技术参数如表1所示，该模块为智能无线数据传输模块，支持蓝牙5.0协议，工作频率2.4 GHz，工作电源3.3 V，通信距离20 m。利用微控制器的串口1与模块进行透传通信，实现监测数据的高效无线互联。

表1 DX-BT22技术参数

图4 蓝牙通信电路设计图

2.3 本地报警电路设计

本地报警电路负责故障报警，采用LED多层警示灯进行设计，控制电路如图5所示。系统正常时，STM32F407微控制器的NORMAL引脚输出低电平，信号通过光耦耦合，控制三极管Q4导通，继电器K1吸合，警示灯绿灯亮，指示系统正常；系统故障时，STM32F407微控制器的ALARM引脚输出低电平，信号通过光耦耦合，控制三极管Q5导通，继电器K2吸合，警示灯红灯闪烁并蜂鸣预警。

图5 本地报警电路设计图

3 实验与分析

如图6所示，利用本装置监测某型电动机的输出轴，采集被测轴的绝对位置偏差、温度及振动数据，并利用MATLAB软件处理实验数据，得到机轴的温度曲线和振动频谱如图7、图8所示。

图6 某型电动机故障监测实验图

图7 机轴的温度曲线

图8 机轴的振动频谱

实验结果表明：该电动机的绝对位置偏差、温度、振动频谱等均在合理范围内，运行状态综合判定为正常。

本文设计的机械故障检测装置，实现了振动、位移、温度等多参数的非接触采集，为智能化机械故障监测提供了一种有效的技术手段。

4 结束语

目前，机械故障检测技术已经取得了长足进步，但依然面临挑战。为了解决传统故障检测技术存在的约束条件复杂、检测参数单一的问题，本文提出了一种光学非接触式机械故障检测装置设计方案，分析了该装置的工作原理和电路结构，完成了关键电路模块的详细设计。该装置采用激光三角法、红外测温和无线通信等技术，实现振动、位移、温度等多参数的免约束采集、处理及无线互联，具有较好的应用和推广价值。