引言

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

機械設備的結構復雜，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械故障檢測方法，通過測量機器設備的振動信號，分析振動信號的頻率、幅值、相位等參數，可以判斷設備是否存在故障和故障的類型[6]。

機械故障檢測技術已經取得了長足進步[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，限制了測量的適應性，難以解決復雜機械內部振動信息的采集問題；2）僅能檢測振動參數，指標單一，數據采集不全面，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)測數據不聯網，僅僅用于本地預警，數據共享困難，無法深入挖掘數據價值。

針對傳統(tǒng)故障檢測技術存在的問題，本文提出了一種光學非接觸式機械故障檢測裝置設計方案，該裝置采用激光三角法、紅外測溫和無線通信等技術實現振動、位移、溫度等多參數的免約束采集及無線互聯，具有較好的應用和推廣價值。

1裝置的總體設計與分析

1.1裝置的硬件結構

本文設計了如圖1所示的非接觸式機械故障檢測裝置，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、藍牙通信模塊等幾部分組成。

1）STM32核心系統(tǒng)，負責振動、溫度等機械故障信息的采集、處理。采用STM32F407設計，該芯片集成了通信接口、定時器、ADC/DAC等眾多外設和接口，資源豐富，可以滿足各種應用開發(fā)的需求。本設計中，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，可以滿足設計要求。

2）TFT液晶屏，負責人機交互與信息顯示。選用ATK-MD0350模塊設計，該模塊采用NT35310作為LCD的驅動芯片，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，負責振動信息的感知和預處理。選用一款基于激光三角法原理的非接觸式光學傳感器設計，該傳感器工作距離30 mm，測量范圍士4 mm，采樣周期500μs，可實現振動、位移等多種參數的免約束采集、預處理。

4）溫度檢測模塊,負責溫度信息的感知和預處理。選用一款基于紅外測溫原理的非接觸式傳感器設計,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，負責故障報警。采用LED多層預警燈進行設計,該預警燈具有常亮、閃亮等多種工作模式,并有蜂鳴功能,可以滿足現場靈活的報警需求。

6）藍牙通信模塊,主要負責實現短距離數據無線傳輸和控制。選用DX—BT22藍牙模塊設計,采用nRF52832射頻芯片,自帶高性能ARM CORTEX—M4內核,具有功耗低、穩(wěn)定性高的特點,并擁有豐富的外設資源。

光學非接觸式機械故障檢測裝置可以進行振動、溫度、位移等多參數采集,顯著提高了設備的監(jiān)測預警能力。

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模型如圖2所示,光路系統(tǒng)主要包括半導體激光器、匯聚透鏡、成像透鏡、CMOS感光器件等關鍵部件。為了實現大景深精確聚焦,各光學部件的空間位置關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。半導體激光器發(fā)出的平行光束經匯聚透鏡聚焦照射在被測對象表面,形成物光點；物光點經成像透鏡成像于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,依據公式（1）可以精確求解被測對象的振動信息。

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

2核心電路模塊設計

2.1振動和溫度檢測電路設計

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果,因此設計了如圖3所示的電路,用于實現傳感器測量數據的采集。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。本設計中,STM32F407的串口2實現微控制器與振動傳感器之間的RS485通信,串口3實現微控制器與溫度傳感器之間的RS485通信。2.2藍牙通信電路設計

如圖4所示,本設計選擇藍牙技術解決故障檢測裝置的無線互聯問題。藍牙通信選用DX—BT22模塊進行設計,技術參數如表1所示,該模塊為智能無線數據傳輸模塊,支持藍牙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與模塊進行透傳通信,實現監(jiān)測數據的高效無線互聯。

2.3本地報警電路設計

本地報警電路負責故障報警,采用LED多層警示燈進行設計,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導通，繼電器K2吸合，警示燈紅燈閃爍并蜂鳴預警。

3實驗與分析

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

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

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

4結束語

目前，機械故障檢測技術已經取得了長足進步，但依然面臨挑戰(zhàn)。為了解決傳統(tǒng)故障檢測技術存在的約束條件復雜、檢測參數單一的問題，本文提出了一種光學非接觸式機械故障檢測裝置設計方案，分析了該裝置的工作原理和電路結構，完成了關鍵電路模塊的詳細設計。該裝置采用激光三角法、紅外測溫和無線通信等技術，實現振動、位移、溫度等多參數的免約束采集、處理及無線互聯，具有較好的應用和推廣價值。