金刚石圆锯片端跳高速检测装置的研制正文.docx
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金刚石圆锯片端跳高速检测装置的研制正文
毕业设计（论文）
题目金刚石圆锯片端跳
高速检测装置的研制
学生姓名欧阳陆学号2006111104
专业电子信息工程班级20061111
指导教师施保华
评阅教师
完成日期20010年5月20日
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
欧阳陆2010年5月20日
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本学位论文属于
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2、不保密。
（请在以上相应方框内打“√”）
作者签名：
欧阳陆2010年5月20日
导师签名：
施保华2010年5月20日
目录
摘要…………………………………………………………………………………1
前言………………………………………………………………………………2
1概论………………………………………………………………………………3
1.1系统概论………………………………………………………………3
1.2系统总体设计思路…………………………………………………4
2硬件器件选型…………………………………………………………………5
2.1采用电涡流传感器QH8500作为端跳检测器……………………………5
2.1.1QH8500概述…………………………………………………………5
2.1.2工作原理……………………………………………………………5
2.1.3结构与组成…………………………………………………………6
2.1.4性能与技术指标……………………………………………………6
2.1.5安装技术……………………………………………………………7
2.1.6传感器的使用条件…………………………………………………10
2.2模数转换器选型………………………………………………………11
2.3霍尔传感器选型………………………………………………………11
2.3.1霍尔传感器的工作原理……………………………………………11
2.3.2霍尔传感器技术性能………………………………………………12
2.3.3霍尔传感器CS3144简介…………………………………………14
2.4显示终端的选择……………………………………………………………15
2.4.1常用的显示器件……………………………………………………15
2.4.2F940触摸屏…………………………………………………………15
2.4.3计算机CRT终端……………………………………………………18
2.5采用C8051F000单片机作为核心控制器…………………………………20
2.5.1模数转换器…………………………………………………………20
2.5.2UART…………………………………………………………………20
2.5.3其它资源介绍………………………………………………………21
3系统方案设计…………………………………………………………………21
3.1电源系统设计……………………………………………………………21
3.2霍尔元件电路设计………………………………………………………23
3.3QH8500输出信号处理…………………………………………………24
3.4单片机与计算机的通信…………………………………………………24
3.5单片机系统………………………………………………………………26
3.6系统结构框图……………………………………………………………26
4单片机测量策略设计………………………………………………………26
4.1测量原理…………………………………………………………………26
4.2锯片初步校正……………………………………………………………28
4.3测速算法设计……………………………………………………………28
4.4定点测量算法设计……………………………………………………31
4.5单片机编程设计………………………………………………………32
5CRT显示终端设计……………………………………………………………35
5.1串口配置…………………………………………………………………35
5.2数据处理…………………………………………………………………36
5.3显示设计…………………………………………………………………36
6系统性能分析…………………………………………………………………39
6.1转速测量误差分析………………………………………………………39
6.2转速测量性能改进………………………………………………………39
6.3定点位置误差分析………………………………………………………40
6.4距离测量误差分析………………………………………………………41
致谢……………………………………………………………………………42
参考文献……………………………………………………………………43
附录………………………………………………………………………………45
金刚石圆锯片端跳高速检测装置的研制
学生：
欧阳陆
指导教师：
施保华
（三峡大学电气与新能源学院）
摘要：
本课题研究一种基于C8051F000单片机的金刚石圆锯片端跳高速检测装置。
系统采用C8051F000单片机作为核心控制器，以QH8500电涡流传感器作为锯片端跳检测器，以计算机CRT作为显示终端。
通过测量传感器输出电压，计算出锯片端跳量，在显示终端以组态软件MCGS作为显示界面，可选择查看各种数据，表格及图表。
基于装置的高速检测能力，操作人员可实时了解锯片切割系统的工作状态，及时发现问题，以检测结果为依据，调整锯片切割系统，从而使其工作在最佳状态。
系统方案经过反复论证，找到了一种使检测装置性能最优，成本较低，结构最简单方案。
该检测装置操作简单，系统可视化效果好，抗干扰能力强，瞬时响应快，达到预期的效果，将在实际应用中将产生巨大的经济效益。
关键词：
金刚石圆锯片；端跳；高速检测
Abstract：
TheprojectstudyasolutionofhighspeeddetectorfordiamondsawbladewhichisbasedonSingleChipMicrocomputer C8051F000.ThesystemuseC8051F000ascontrollercore,useQH8500eddycurrentprobeassawbladetotalrunoutdetector，useCRTasdisplayterminal.Bymeasuretheoutputvoltageofsensor,tocalculationthetotalrunout.Onthedisplayterminal,weuseKingViewMCGSasdisplayinterface,tochooseandviewdata,table,graph.Becauseofthehighspeedmeasureabilityofthedevices,wewillknowtheworkingstatesawbladeofcuttingsystem,findoutproblemontime,andmoderatingcuttingsystemonthebasisofmeasureresult,sothatthecuttingsystemworkonthebeststate.Theprojectafterrepeatedlydemonstrated,haveaoptimalperformance,lowcost,simplestructure.Andeasytooperating,haveagoodvisualizationeffect,stronganti-interference,fasttransientresponseachievethedesiredresults,willinpracticewillproduceenormouseconomicbenefits.
Keywords：
diamondsawblade； totalrunout；highspeeddetector
前言
在科学技术高度发达的现代社会中，人类已进入了瞬息万变的信息时代，人们在从事工业生产和科学实验的活动中，极大地依赖于对信息资源的开发、获取、传输和处理。
而今，现代测量技术，以作为一种专业的技术，越来越受到重视。
质量测量，时间测量，距离测量，无不涉及到现代科学的方方面面。
距离测量，作为一种典型测量技术，正发挥着不可或缺的作用。
随着现代电子技术和计算机技术的发展，在生产实践中，工件的转速，偏移，厚度，以及加工尺寸等参数的获取，已逐渐被提上更高的层次。
而今，随着计算机技术及信息处理技术的发展，测量系统所涉及的内容也不断得以充实。
工程应用，实验实践中，人们对测量技术提出了更高的要求。
尤其是精密测量，人们不仅要求测量仪器有高精确度，还要求高速度，高可靠性。
当前，市面上的端跳检测装置门内繁多，各式各样，但对于锯片端跳检测的装置，尤其是高速检测装置却寥寥可数。
或许是因为过去人们对加工精度的要求不高，或许是研究条件不成熟，锯片端跳的研究在较长的时期内，都处于冷门状态。
最近几年，这一课题逐渐被提上研究日程。
事物的发展总是相互影响相互促进的，各行各业的发展变化也是如此。
工业的发展，刺激了其相关行业的发展。
近几十年，随着半导体产业的发展，在以集成电路为核心的计算机技术，PLC技术，微控制技术等领域，都发生了天翻地覆的变化。
这些都为本方案的设计实施奠定了理论基础。
本方案着重研究金刚石圆锯片端跳的测量，以高速高精传感器QH8500电涡流传感器的基本原理出发，配合霍尔传感器CS3144，介绍一种性能强大的单片机C8051F000，并以此来研究该测量装置的两种性能：
一种是用于校验圆锯片的偏差，另一种是检测圆锯片的端跳。
引起端跳的原因较为复杂，归纳起来主要三点：
1）主体设备振动，如工作台的振动；2）电机或传动系统的振动；3）锯片加工误差，如偏心、斜轴等。
实践证明，端跳在一定程度上是可以纠正的。
本设计方案并不深入研究端跳产生的原因，而是实时的高速的检测端跳，并以列表或图形方式显示出来。
操作人员根据检测结果，制定纠正方案。
在实际应用中，圆锯片出厂质量检测，是一项极为重要的工作。
现代化生产流程，效率极为重要，产品检测不仅要注重质量，还要注重检测效率。
金刚石圆锯片的检测，锯片的平整度是一项重要指标。
该装置的研制，在锯片平整度检测方面，有着极大的应用。
在锯片使用时，锯片的端跳，直接影响到被加工材料加工精度。
锯片的工作状态，锯片的校正等一系列问题，都可以用该装置来解决。
该装置应用电涡流传感器作为锯片端跳检测器，电涡流传感器是非接触是传感器，与其它接触式传感器相比，有着无法比拟的优点。
不仅检测精度高，而且检测速度快，有着极高的灵敏性。
适合于高速检测装置的应用。
在其它方面，如转轴测速，转轴偏移，测量金属板材厚度等，该装置都有着巨大的应用空间。
根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器，电涡流式传感器的最大特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量，另外还具有体积小、灵敏度高等特点，应用极其广泛。
再如，在零件加工过程中，按所给定的加工余量，来确定工艺上的尺寸，以保证设计图所规定的公差要求。
在编制零件加工的工艺规程时，经常会遇到渗透深度和电镀厚度的计算。
这时，零件尺寸的测量，精度要求是极高的。
对于要求如此之高的测量，常规的测量仪器是无法达到测量精度的。
该装置的研制，在其他行业中也具有广泛的应用。
如曲轴粗磨之后主轴颈跳动测量，深孔小台阶面端跳测量，工件表面处理尺寸计算，轴头螺纹孔形定位等。
1概论
1.1系统概论
金刚石锯片是一种硬度高，耐磨性好的锯片，在加工一些硬度高，耐磨的材料时，显示出极大的优势。
如加工各类瓷砖、陶瓷、玻璃、玻璃钢、花岗石和大理石，混泥土刻纹等。
然而，锯片在生产制造中，由于加工工艺，以至于锯片不是一个严格的平面，即加工误差。
工程中，只要误差在允许的范围内，误差是可以接受的。
然而，如果加工精度差，致使误差过大，生产出的锯片就不符合要求，即为废品。
此外，工作的锯片在旋转过程中，锯片并不能严格保持在一个平面内，而是存在一定的摆动，俗称端跳。
一般在对精度要求不高的场合，端跳的影响可以忽略不计。
然而，在某些加工精度要求极高的情况下，端跳必须重点考虑。
当端跳较为严重时，锯片切割甚至影响到材料加工前后的尺寸。
本课题方案旨在实时监测锯片端跳，并以列表或图形方式显示出来，为工作人员安装机械，调试设备，校准锯片等关键操作，提供可靠依据。
不仅保证了锯片安装准确到位，而且实际工作时稳定可靠，从而提高加工精度。
对贵重材料的加工，不仅要求较高的加工精度，而且材料不能浪费太多。
材料经切割后，因为端面不平整，而需再加工，如打磨、刨光等。
这时，端面的平整度，将成为材料节省的关键。
锯片在旋转时，如果锯片能保持在一个平面内，材料切割断面将十分整齐，就像用刨刀刨过一样，到达以切代刨的效果。
本装置的设计，一是用来检测锯片的平整性，而是用来校验锯片的偏移。
检测锯片端跳，传统的方法，一般靠计算机来完成，但由于相关的传感器检测速度有限，导致检测速度有限，只能用于处理低速或较高速度，对于高速的要求，就无能为力了。
由于其检测速度有限，功能单一，可靠性、可操作性不高，因而难于推广，应用面狭小。
传统检测装置往往只注重一方面功能，而忽略了整体性能。
主要表现在造价高，而使用寿命短，耗电量大，体积大而使用不方便，可视化效果差，操作复杂等。
没有一个集成化、智能化的系统性概念。
本系统方案使用电涡流传感器，这种传感器检测精度，检测速度极高，非常适合于测量金属工件的微小位移量。
当通过金属的磁通量变化时，就会在导体中产生感生电流，这种电流在导体中是自行闭合的，这就是所谓的电涡流。
电涡流的产生必然要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化，这一物理现象称为涡流效应。
电涡流传感器利用涡流效应，将非电量转换为线圈阻抗的变化而进行测量的。
一般来说，线圈的阻抗变化与导体的导电率，导磁率，几何形状，线圈的几何参数，激励电流频率以及线圈到被测体间的距离有关。
如果控制上述参数中的一个参数改变，而其余参数恒定不变，则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。
如果其它参数不变，阻抗的变化就可以反映线圈到被测金属体间的距离大小变化。
电涡流传感器的线圈与被测金属导体间是磁性耦合，电涡流传感器是利用这种耦合程度的变化来进行测量的。
因此，被测物体的物理性质，以及它的尺寸和开关都与总的测量装置特性有关。
一般来说，被测体的导电率越高，传感器的灵敏度也越高。
为了充分有效地利用电涡流效应，对于平板型的被测体则要求被测体的半径应大于现行线圈半径的1.8倍，否则灵敏度要降低。
当被测体是圆柱体时，被测体直径必须为线圈直径的3.5倍以上，灵敏度才不会受到影响。
被测体测材料对电涡流传感器的检测性能具有一定的影响，传感器特性与被测体的电导率б、磁导率ξ有关，当被测体为导磁材料（如普通钢、结构钢等）时，由于涡流效应和磁效应同时存在，磁效应反作用于涡流效应，使得涡流效应减弱，即传感器的灵敏度降低。
而当被测体为弱导磁材料（如铜，铝，合金钢等）时，由于磁效应弱，相对来说涡流效应要强，因此传感器感应灵敏度要高。
通过本课题的设计，可培养提高综合运用专业知识分析理解实际问题的能力，独立分析问题、解决问题的能力，同时提高运用现代计算机对机械设备进行监测的能力。
1.2系统总体设计思路
金刚石圆锯片端跳测量装置是对锯片端跳进行测量，并为其提供校验依据而设计的。
包括系统硬件电路和软件算法设计，如系统主电路设计、单片机控制策略、控制与检测电路设计、联机监控通讯设计和人机界面设计等类容。
首先选取合适的系统主电路方案，从总体上满足系统设计的基本要求，其次根据主电路的结构和控制要求，设计单片机程序控制算法，并选择合理的控制与检测电路设计方案，最后完成系统联机监控通讯设计和人机界面设计。
从结构上讲，系统硬件部分和软件部分构成。
硬件上，单片机作为核心控制器，电涡流传感器作为段跳检测传感器，计算机CRT作为显示终端，两者以UART模块进行通信。
软件系统主要包括单片机编程和CRT显示终端编程。
2硬件器件选型
2.1采用电涡流传感器QH8500作为端跳检测器［18］
由于金刚石圆锯片旋转时速度很高，最高可达10000转/分钟，因而检测其偏移的传感器必须具有高速检测能力。
电涡流传感器是一种高速的金属传感器，常用于转轴的偏移检测，速度测量等方面。
本系统方案并不对传感器的选型着重介绍，而详细介绍一种典型的电涡流传感器——QH8500，并以之作为测量金刚石圆锯片端跳的传感器。
2.1.1QH8500传感器概述
在高速旋转机械振动研究和运行参数测量过程中，非接触式测量方法与接触式测量方法相比，能更准确地搜集到转子振动状况的各种参数。
与其它类型的位移传感器相比，电涡流传感器，具有测量范围宽，抗干扰能力强，不受油污等介质影响，结构简单等优点。
因此在高速旋转机械状态临测与故障诊断中得到了广泛的应用。
QH8500如图1所示。
它的主要应用场合有：
●轴转速测量
●轴位移测量
●轴振动和轴的轨迹测量
●轴对中测量
●轴偏心测量
●差胀测量
●壳胀测量
●转子动平衡
●轴承油膜厚度测量图1电涡流传感器QH8500
2.1.2工作原理
电涡流传感器采用的是感应电涡流原理，当带有高频的线圈靠近被测金属时，线圈上的高频电流所产生的高频电磁场便在金属表面上产生感应电流，电磁学上称之为电涡流。
电涡流效应与被测金属间的距离及导电率，导磁率线圈的几何形状，几何尺寸，电流频率等参数有关。
通过电路可将被测金属相对于传感器探头之间的距离变化转换为电压或电流的变化。
电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移，振动等参数的测量。
电涡流传感器QH8500电路原理如图2所示。
图2QH8500电路原理
2.1.3结构与组成
电涡流传感器系统由传感器探头与壳体，前置器，电缆和接头三部分组成。
●传感器探头与壳体
传感器探头是传感器感受被测信号的部分，它由绕在非金属骨架上的矩形截面线圈组成。
传感器壳体用于固定传感器头部，并作为测试时的装夹结构，一般用不锈钢制成，上面加工成标准螺纹并配有螺母。
●前置器
前置器是一个能屏蔽外界干扰信号的金属盒子，内部装有全部测量电路，并用环氧树脂灌封。
外壳上有三个端子分别为电源，公共端，一个接头与电缆相连。
●延长电缆
延长电缆为耐高温射频电缆，其两端的接头是传感器探头与前置器相连而
设的。
电缆长度为5米或9米。
2.1.4性能与技术指标
电涡流传感器的输出特性可用位输出电压（V）
移-电压曲线来表示，如图3。
图中横
坐标表示位移变化，纵坐标表示前置器-18A
输出电压变化。
理想的位移-电压曲线
是斜率恒定直线，直线的a-c段为线性-10B
区，即有效测量段。
b点为传感器线性
中点。
-2C
QH8500的主要技术指标如表1。
0abc位移
图3距离-电压转换
探头直径（mm）
8
11
25
50
量程（mm）
2
4
12
25
灵敏度（mV/um）
8
4
0.8
0.4
线性度（%）
±1
±2.5
±1.2
±1.5
温度灵敏度（%/℃）
0.05
0.05
0.04
0.058
稳定度（%/年）
±1
±1
±1
±1
频率响应（KHz）
0~10
0~10
0~10
0~10
温度范围（℃）
探头
-18~170
-18~170
-18~170
-18~170
前置器
-34~100
-34~100
-34~100
-34~100
表1QH8500主要技术指标
2.1.5安装技术
●传感器正常工作的测量范围
每种型号的涡流传感器都有固定的正常工作范围，超出此范围，则不能取得准确信号。
例如对于振动，轴位移和差胀测量，安装时一般将输出值确定在线性中点，线性中点的确定可用机械法，即用非金属塞确定探头与被测件的间隙，用数字电压表，使之达到线性中点的电压。
传感器的安装正确与否对获得测量结果有着十分重要的意义，任何一种影响电涡流效应的因素均会引起测量误差使测量结果不可靠。
安装位置参考如表2。
探头直径（mm）
输出电压范围（V）
线性中点电压值（V）
探头与被测体距离（mm）
8
-2~-18
-10
约1.25
11
-2~-18
-10
约3
25
-2~-11.6
-6.8
约8
50
-2~-12
-8
约15
表2安装位置参考
●对金属表面及导电介质的要求
被测金属表面金相组织不均匀会带有电气偏差。
表面锈蚀，凸起，裂纹，都会造成机械偏差。
这两种偏差均会影响测量精度。
因此，要求选择平整光滑的被测表面。
传感器在工作状态下，电感线圈向周围发射电磁场，这个电磁场在被测工件表面上形成电流。
同时也在临近非工作表面上形成电流。
后者将对于前置器输出产生影响，使其电压值不能准确反映被测物体的振动情况。
因此，在安装时，探头头部周围应留有约3倍探头直径非导电介质空间。
图4，图5给出了几种正确或错误的安装方法。
图4正确的安装方法
图5错误的安装方法
●传感器探头安装示例
a）测轴转速
可以检测轴上的键槽，此时探头零
点以轴表面为参考面；也可以检测轴
上的键，此时探头零点以键的顶点为参
考面。
测量示意如图6。
图6
b）测轴振动
如采用一只探头，则安装在轴的垂
直方向；如采用两只探头，则相互成90
度安装。
探头之间的距离要大于40mm，
以避免相互干扰。
测量示意如图7。
图7
c）测轴位移
此时我们要先半段轴位移的方向，确
定合适的探头位置，保证轴位移在传感器
线性范围内，探头应在靠近推力盘处安装。
测量示意如图8。
图8
需要注意的是，当探头安装在机壳内部时，要注意引线用卡子固定在机壳上，还要注意穿出机壳处的密封及接头的密封。
●安装支架的要求
传感器装卡要求牢固可靠，避免被测工件振动时引起传感器支架系统受激
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