叶富邦

(合肥工业大学 仪器科学和光电工程学院，安徽 合肥 230009)

随着我国基础工业的不断发展，制造业对零件加工精度的要求急剧提升。数控机床是制造业不可或缺的重要加工工具，提升数控机床的加工精度意义重大。热误差是影响数控机床加工精度的重要因素，约占机床总误差的40%～70%。而内部热源变化是导致机床热误差的根本原因，因此对机床关键位置的温度变化情况进行有效测量是十分必要的。

目前，我们主要通过磁性吸附式传感器来获取机床各个部位的温度，但是使用磁性吸附式传感器测量机床温度存在响应速度慢、通信距离短等问题。对此，本文设计了一套基于MLX90614红外传感器的机床测温系统，可有效地解决上述问题。该系统由红外测温电路和无线通信电路组成。其中，红外测温电路可实现机床温度的非接触式测量，能快速获取机床当前的温度值；无线通信电路将温度数据发送到上位机，进行远距离通信，不受传感器接线长度的影响。通过使用由导热胶固定的PT100传感器与本系统同时对机床的电机部位进行测温的多次实验的数据显示，两者的测温数值之差不超过0.5℃，表明本系统能实现对机床关键位置温度的准确测量，且响应速度快、通信距离远、测温准确度高，具有良好的实际工程意义。

1 机床测温系统的组成

机床测温系统由红外测温电路和无线通信电路组成，并通过PT100接触式传感器和本系统进行对比测温。如图1所示。

图1 机床测温系统的组成图

1.1 红外测温电路设计

红外测温电路由MLX90614红外传感器和信号处理电路组成。MLX90614红外传感器进行温度的非接触式测量，信号处理电路完成对MLX90614红外传感器控制和数据读取。

1.1.1 MLX90614红外传感器

MLX90614红外传感器是一款用于非接触式测温的红外传感器，测温范围为-70℃～380℃，工作温度范围为-40℃～125℃，测温精度为0.5℃。芯片内部集成了低噪声放大器、17位A/D转换器和数字信号处理单元。

MLX90614红外传感器内部有两种芯片，即红外探测热电堆芯片MLX81101和数据处理芯片MLX90302。热电堆芯片MLX81101是由多个热电偶串联而成。热电偶的冷端连在芯片基质上，热端连在传感器感温的薄膜上。薄膜吸收热辐射会使热端升温或降温，热端的温度变化会导致热电堆芯片的输出电压发生改变。数据处理芯片MLX90302获取测量热电堆的输出电压和冷端的温度信号，计算出被测目标的温度。

MLX90614红外传感器拥有两种输出方式，即SMBus和PWM。SMBus总线类似于IIC，由时钟线SCL和信号线SDA两线构成。在使用SMBus进行数据输出时，可实现多个MLX90614红外传感器挂载在同一总线上，实现多点温度测量。MLX90614红外传感器内部有只读的RAM和可供读写的EEPROM。环境温度和被测目标的温度值储存在RAM中，而发射率修正系数、MLX90614传感器的SMBus地址等参数则储存在在EEPROM中。读取RAM或EEPROM中寄存器数据的流程如图2所示。

图2 读取MLX90614寄存器的流程图

被测目标的十六进制温度数据M可以从RAM中地址为0x07的寄存器读取，它和实际温度T(℃)之间有以下的换算关系，即：

T=0.02×M-273.15 (1)

可根据图3的读取流程从RAM中获取被测目标的温度数据。

向EEPROM的寄存器中写入数据的流程如图3所示。

图3 写入MLX90614寄存器的流程图

在写入EEPROM寄存器之前，需要对寄存器的值清零。

物体表面发射率是影响红外测温准确性的一个重要因素。发射率与物体表面状态有关，受到物体表面粗糙度、表面杂质、涂层的影响。在测量不同材质的物体表面温度之前，需要对MLX90614中的发射率修正系数进行改正。发射率修正系数E存储在EEPROM中地址为0x04的寄存器，它与实际的发射率e(取值范围0.1—1.0)有以下关系，即：

E=[65535×e] (2)

将实际发射率e乘上65535并取整，即可得到发射率修正系数。

1.1.2 信号处理电路

信号处理电路由MLX90614红外传感器接口电路、51最小系统组成，实现对MLX90614传感器的控制和数据读取。

MLX90614红外传感器输入输出接口是漏级开路结构，需要接上拉电阻才能正常工作。MLX90614红外传感器接口电路为其提供电阻。为了兼容5V的输入信号，保证红外传感器能在不同的单片机系统中工作，接口电路通过MOS管实现5V信号至3.3V信号的电平转换。MLX90614红外传感器接口电路如图4所示。

图4 MLX90614红外传感器接口电路图

51最小系统完成对MLX90614红外传感器的读写，通过配置51单片机的两个引脚，模拟SMBus通信协议，实现对MLX90614红外传感器的配置、数据读取和温度数据的换算。红外测温电路自带电池，可在脱离串口供电的条件下正常工作，方便红外传感器的安装放置。

1.2 无线通信电路设计

无线通信电路由两个NRF2401模块和数据接收电路组成。NRF2401为无线通信芯片，传输速率最大可到2Mbps，抗干扰能力强。在两个NRF2401模块中，第一个配置为发送模式，和信号处理电路连接，发送红外温度数据；第二个配置为接收模式，和数据接收电路连接。数据接收电路由串口模块和51最小系统组成。51单片机接收第二个NRF2401模块的红外数据，并通过串口电路发送给上位机。

2 红外测温实验过程与实验结果分析

机床的零件众多，而机床工作时，温升较高的部分为电机。为了使红外测温数据更有代表性，本文选择对机床的电机部位进行测温分析。对机床电机测温同时使用了三种传感器：MLX90614红外传感器、PT100传感器1(使用导热胶固定)、PT100传感器2(磁性吸附式)，通过它们的测温数据比对测温效果。由于电机表面的发射率未知，为了实现对其表面温度的有效测量，可将已知发射率的导热硅脂均匀地涂抹在在电机上，MLX90614红外传感器通过测量导热硅脂的温度间接测量电机温度。更改传感器发射率修正系数，并适当调整红外传感器与电机的距离，便可完成传感器的配置安装。MLX90614红外传感器的安装步骤较为简单。PT100传感器1用导热胶固定，并通过胶布压紧。PT100传感器1要经过固定、压紧、预热、静置等步骤才能实现与机床电机紧密接触，安装步骤较为繁琐。PT100传感器2直接吸附在电机上。它是由外层磁铁和内层的环氧树脂组成，传感器嵌入内层的导热硅脂中。机床和传感器安装位置的示意图如图5所示。

图5 机床和传感器安装位置示意图

图5的左侧部分为机床的示意图，图5的右侧部分为机床主轴电机部位的右视图。三种传感器都安装在机床主轴电机右侧。图5中的3、4、5区域应当尽量靠近，避免传感器受到电机自身温度场分布不均匀带来的影响。

由于PT100传感器1与电机接触紧凑且电机通过导热胶向传感器传热，而PT100传感器2与电机接触不紧凑且电机通过外层的磁铁和内部的环氧树脂向传感器传热，则说明PT100传感器1比PT100传感器2具有更高的测温准确度。可将PT100传感器1的温度数据作为标准数据，和其他两个传感器的温度数据进行比对。

控制机床运行，主轴旋转，对机床的主轴电机进行2次测温实验。使用LABVIEW获取来自无线通信电路和NI采集卡的温度数据，每秒记录2次。则3种传感器的温度变化数据如图6、图7、下表所示。

图6 三种传感器的温升曲线图(实验一)

图7 三种传感器的温升曲线图(实验二)三种传感器的最终温升表 (单位：℃)

传感器实验批次 MLX90614PT100传感器1PT100传感器2实验116.115.914.7实验218.518.517.8

通过图6、图7和上表的数据表明，对电机进行测温时，使用MLX90614红外传感器测得的温度数据与使用PT100传感器1测得的温度数据相近，两者数据之差最大不超过0.5℃，而PT100传感器2的温度数据比两者低约1—2℃。考虑到PT100传感器1比PT100传感器2传感器的测温更准确，则说明本系统测温准确性高，比磁性吸附式传感器测温效果更好。

3 结语

本文介绍了一种基于MLX90614红外传感器的机床测温系统的设计方法，它能实现非接触式测量和无线通信。使用此红外测温系统、PT100传感器1(使用导热胶固定)、PT100传感器2(磁性吸附式)同时对机床的电机部分测温，实验的过程及数据表明，此系统同时拥有PT100传感器1测温准确和PT100传感器2安装方便的优点，通信距离远、响应速度快，更适合用于机床关键位置测温，具有较高的实际工程意义。