黄玉燕，林金表

(集美大学轮机工程学院,福建厦门 361021)



基于霍尔效应的曲轴臂距差测量仪的研究

黄玉燕，林金表

(集美大学轮机工程学院,福建厦门 361021)

柴油机曲轴臂距差信号检测中，由于曲轴转动使得有线测量很困难而且导致了较大的测量误差。论文基于线性霍尔元件设计了臂距差信号传感器，应用无线技术实现了信号传输，并采用单片机作为核心器件对采集的数据进行处理，有效地降低了测量成本，提高了测量精度。

霍尔效应；臂距差；曲轴；无线传输

0 引言

曲轴是柴油机中的重要部件,曲轴一旦出现了故障必定会给柴油机带来严重的损坏。柴油机曲轴臂距差是曲轴在工作时的一个重要参数，可以反应柴油机曲轴的整体性能和工作状况。因此，曲轴臂距差的测量对于柴油机来说是非常必要的。国外瑞典PRISMA TEKNIK公司生产的 DI系列数显式臂距差检测仪，国内的售价很高，一般在2万元左右。国内在这方面做过相关研究的主要有海军工程大学刘伯运、朱宝成等提出运用线性CCD位移测量系统来测量臂距差[1]；集美大学的郑和东等提出：采用差动式变压式位移传感器采集曲轴臂距变化信号[2]。这些臂距差测量采用的都是有线传输信号的方式。在测量中仍会出现曲轴转动带动信号传输线绕动产生的测量不方便，造成误差；不能连续测量，只能逐点测量等缺点。为此，作者提出了一种基于霍尔效应的无线曲轴臂距差测量系统。

1 测量仪的硬件设计

1.1 系统组成

本文设计的无线曲轴臂距差测量仪系统如图1所示。系统将位移传感器、单片机1和无线模块一端集成一体组成臂距差测量仪的数据采集端，将角度检测传感器、单片机2、无线模块一端及液晶显示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个位置数值，单片机2检测曲柄角度，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根据角度将与其对应的臂距差值通过无线模块发送给单片机2，单片机2进行相关数据处理及显示。

图1 系统结构图

1.2 微位移传感器的设计

根据霍尔效应原理有：电位差UH与电流强度IH成正比,与磁感应强度B成正比，与薄片的厚度d成反比，即：

式中RH为霍尔系数。

根据永磁体的磁场分布,两磁钢同极相对放置时,极间的磁强度分布与距离有某一段具有较好因为LTC1569芯片输出的阻抗比较高，如果后级电路的输的线性关系[3]。若令霍尔元件的工作电流保持不变,在一个均匀梯度磁场中移动即dB/dz=k,令RH·IH/d=M(M为定值),则dUH/dz=MdB/dz,积分得UH=Mkz。即霍尔元件输出的霍尔电压UH值只由它在该磁场中的位移量z来决定[4]。

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一片AH49E线性霍尔元件和两块Φ3 mm的磁钢，两块磁钢同极性相对放置。其他结构选用铝质的材料进行设计，避免对磁钢产生干扰。设计了调距螺栓，可以实现对于不同结构的曲轴进行臂距差测量的要求。

1、3、5、8—磁钢；2—调距螺栓；4—线性霍尔元件；6—铝质外壳；7—伸缩弹簧；9—边杆系统图2 霍尔传感器机械结构设计示意图

1.3 信号的处理

信号调理电路如图3所示。信号放大采用差动放大，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。传感器的工作环境比较复杂和恶劣，须采取滤波措施,将杂散的干扰信号抑制掉，提高系统信噪比。系统选用滤波器LTC1569对放大器输出的信号进行滤波。经过滤波器LTC1569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，如果后级电路的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当一部分消耗在前级的输出电阻中，需要电压跟随器进行缓冲从而降低输出阻抗[5]。

图3 信号调理电路

1.4 无线模块

本文无线模块选用nRF24L01芯片。nRF24L01与单片机相连组成的无线发射、接收模块原理图如图4所示。 nRF24L01模块与无线模块的外接引脚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。CE为片选端，与CONFIG寄存器的PWR_UP和PRIM_RX组合用于选择模块的工作方式；CSN是SPI片选信号，低电平有效，使能芯片；SCK是串行时钟线；MISO、MOSI分别是SPI口的数据输入端和数据输出端；IRQ是模块的中断请求信号，当nRF24L01产生中断后IRQ将置低，单片机检测到此中断后通过程序得知与无线射频nRF24L01模块的数据收发情况。

图4 nRF24L01模块与单片机连接图

1.5 自动控制数据采集

控制数据自动采集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，将此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。

此模块的示意图如图5所示，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[6]。开关型霍尔开关安装在盘车机台上，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，将此信号传输给单片机2。单片机2将角度信号传输给单片机1，单片机1根据角度信号采集臂距差数据。

图5 控制数据自动采集模块示意图

2 测量仪软件设计

系统的软件流程图如图6、图7所示。本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端通过开关型霍尔传感器检测角度信号。若检测到角度信号，通过无线模块将角度信号发送给单片机1端。五点角度传输完成后，等待接收单片机1端传送回来的臂距差信号。单片机2端收到臂距差的信号后进行相关数据的处理及显示。

图6 单片机1端程序流程图

图7 单片机2端程序流程图

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。五点采集完成后，单片机1端通过无线模块将五点臂距差数据传输给单片机2端。

3 实验论证

通过数据的采集、记录、分析计算，得出线性霍尔传感器的电压变化与位移的图，如图8所示。从图中可以直观的看出霍尔元件在此范围内是按照近似线性关系变化的，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

4 结论

通过分析实验所得数据，本文设计的臂距差测量系统完全能满足柴油机曲轴臂距差测量精度的要求。采用无线传输信号不仅避免了传统的测量仪因传输线造成测量仪测量时的微移和人为误差，而且它也能使测量者远离柴油机气缸的脏污环境。

[1] 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,2002,4(2):85-92.

[2] 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.

[3] 王娟,庄楷贤,李潮杰,等.利用霍尔效应测量微小位移.第六届全国高等学校物理实验教学研讨会,2010.

[4] 林游,张俊杰,易凡.霍尔传感器信号采集与显示系统设计.现代电子技术,2009(4):191-194.

[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.

[6] 陈仪.关于柴油机曲轴臂距差测量的研究.装备制造技术,2008(7):41-42.

Study of Crankshaft Deflection Indicator for Marine Diesel Engine Based on Hall Effect

HUANG Yu-yan ,LIN Jin-biao

(Marine Engineering Institute,Jimei University,Xiamen 361021 ,China)

During the arm distance difference measuring for diesel engine,the crankshaft rotation makes the cable measurement difficult and leads to greater measurement deviation. In the article,a new arm distance difference measuring instrument was designed based on the linear hall elements. The signal transmission was achieved by the application of wireless technology. Data processing was finished based on the core device of single chip microcomputer. So the cost of measurement can be reduced and at the same time the accuracy of the measurement improved.

hall effect；arm distance difference；crankshaft；wireless transmission

福建省自然科学基金项目(2012j01230)

2014-11-21 收修改稿日期：2015-06-25

TN92；TP39；TH7

A

1002-1841(2015)09-0044-03

黄玉燕(1965—)，副教授，学士。主要研究方向：船舶与海洋工程。E-mail:huangyuyan@jmu.edu.com 林金表(1966—)，教授，硕士。主要研究方向：船舶与海洋工程。E-mail:linjinbiao@jmu.edu.com