基于紅外陣列的溫控器膜片突跳檢測裝置設計

楊昊宇 ，張春富 ，王鵬 ，楊佳武 ，談格 ，彭華偉 ，許杰

(1.鹽城工學院 電氣工程學院，江蘇 鹽城 224051；2.鹽城市計量測試所，江蘇 鹽城 224008)

溫控器是機電產品過熱過載保護的典型器件，其核心元件是熱脹系數相異的雙金屬膜片。雙金屬膜片的溫度特性檢測，即檢測雙金屬膜片在設定溫度下能否發生突跳，是溫控器產品質量控制的重要手段。目前行業內對雙金屬膜片的主流檢測方法有如下幾種：（1）基于圖像處理的雙金屬膜片突跳檢測方法［1］，由于雙金屬膜片尺寸較小，需要使用精密卡具固定待測膜片，工裝結構復雜，成本較高。（2）利用雙金屬膜片突跳時的聲學信號檢測膜片跳變的方法［2］，對膜片同步突跳的辨識存在困難。（3）基于測力機構檢測雙金屬膜片突跳的方法［3］，通過檢測膜片突跳時的推力推算膜片的突跳溫度。該方法無需加熱裝置，但雙金屬膜片的加工精度、材質一致性等因素均會影響最終的檢測效果，并且結構復雜，成本較高。（4）基于雙金屬膜片突跳動作的檢測方法［4］，屬于定溫測試，突跳后膜片從工裝上掉落。該方法僅能判斷在設定溫度下膜片是否發生突跳，無法確定膜片的突跳溫度。為了確保雙金屬膜片突跳后能從工裝上掉落，膜片的初始安裝難度較高，系統整體結構復雜。（5）通過高溫油源加熱篩板的雙金屬膜片篩選方法［5］，突跳動作由人工完成判定，自動化程度較低。

本文提出了一種溫控器雙金屬膜片突跳檢測裝置，利用紅外線組成正交紅外檢測陣列［6-7］，當雙金屬膜片發生突跳時，通過陣列中的節點識別突跳膜片的位置，并通過微處理器記錄突跳溫度。該裝置無需精密夾具裝卡，結構簡單，具有耐用、成本低、適合批量檢測的優點［8］。

1 系統總體設計

溫控器的核心器件是單端固定的雙金屬膜片，其動端為電氣觸點。當風電裝備保護點溫度低于突跳溫度時，電氣回路為閉合狀態，風電裝備正常工作；當風電裝備保護點溫度高于突跳溫度時，電氣回路斷開，實現對風電裝備的安全保護。

基于雙金屬膜片的工作原理，設計了一款檢測裝置。該裝置由微處理器、加熱模塊和紅外線模塊三大部分組成。加熱模塊由雙金屬膜片加熱板、電加熱單元和溫控儀表組成。其作用是實現待檢測雙金屬膜片的裝夾，在溫控儀表的控制下電加熱單元對雙金屬膜片加熱板加熱，雙金屬膜片同步升溫。紅外線模塊由紅外線發射模塊和紅外線接收處理模塊組成。其作用是構造紅外線檢測陣列，并將紅外陣列的信號轉換為邏輯狀態輸入微處理器。微處理器作為檢測系統的核心元件，負責設定加熱截止溫度、記錄膜片的突跳溫度、控制紅外線發射模塊、對紅外線接收處理模塊的信號做出處理，判斷定位槽中雙金屬膜片的狀態并完成突跳膜片的位置檢測。該檢測裝置的整體設計方案如圖1所示。

圖1 檢測裝置設計方案結構框圖Fig. 1 Block diagram of detection device design scheme

2 突跳檢測裝置硬件設計

本文突跳檢測裝置以STC89C52單片機作為微處理器，以安東電子生產的LU-926U記憶型溫控器作為溫控儀表，采用6×300 W加熱管作為電加熱單元，溫控儀表通過MTC25A型可控硅控制加熱管的加熱能力；采用LTE-302型二極管作為紅外線發射管，其峰值波長為940 nm；采用PT333-3B型二極管作為紅外線接收管，峰值波長為940 nm，套接長度20 mm導光管，導光管軸向沿紅外線光路方向；采用6×6雙金屬膜片定位槽陣列，每個定位槽的尺寸為11 mm×7 mm×5 mm（長×寬×深），透光狹縫寬1 mm，深2.5 mm；采用中健電子生產的LM358型運算放大器和維普芯生產的74HC14型施密特觸發器搭建紅外線邏輯運算處理單元，通過運放LM358將紅外光產生的光電流轉換成電壓信號并放大，通過施密特觸發器74HC14整形成數字信號，再次經74HC14轉換為同相數字信號。

2.1 紅外線發射模塊

雙金屬膜片加熱板紅外線光路方向上的截面如圖2所示。通過銑削加工出雙金屬膜片的定位槽陣列，定位槽的輪廓與待測雙金屬膜片的外形一致，但尺寸略大一些。沿各定位槽的水平中線和垂直中線加工透光狹縫，該透光狹縫深度小于定位槽的深度，以確保待測雙金屬膜片平置在定位槽中不會遮擋透光狹縫的紅外線光路。耐熱玻璃覆蓋在雙金屬膜片加熱板上方，用來限制雙金屬膜片的突跳高度，且透過耐熱玻璃可以觀察定位槽陣列中各雙金屬膜片的狀態。

圖2 雙金屬膜片加熱板紅外線光路方向截面示意圖Fig. 2 Cross section diagram of infrared light path direction for bimetallic diaphragm heating plate

紅外線發射模塊在檢測過程中發出水平方向和垂直方向的紅外線，構成正交的紅外線檢測陣列，紅外線發射平面布局如圖3所示，紅外線發射電路如圖4所示。在初始狀態下，紅外接收管能夠從透光狹縫接收到對應紅外發射管發出的紅外線。

圖3 紅外線發射平面布局圖Fig. 3 Layout plan of infrared emission

2.2 紅外線接收處理模塊

紅外線接收處理模塊包括紅外線接收管和邏輯運算處理單元。紅外線接收處理電路如圖5所示。

圖5 紅外線接收處理電路Fig. 5 Infrared receiving and processing circuit

將水平方向的6路接收信號經74HC11進行與運算后接單片機外部中斷輸入INT0引腳。單片機通過INT0引腳的輸入狀態判斷定位槽中是否有膜片發生突跳。

3 突跳檢測裝置軟件設計

初始狀態下，各路紅外線未被遮擋。隨著溫度升高，當某個雙金屬膜片受熱達到上行突跳溫度時，雙金屬膜片會從當前的彎曲狀態突跳為反弓狀態，瞬間釋放的能量會使膜片從定位槽向上彈出。在耐高溫玻璃的限制下，膜片以反弓狀態平置在定位槽內。在此過程中雙金屬膜片遮斷對應方向的兩路紅外線，向單片機發送外部中斷請求。單片機通過中斷檢測程序確定突跳膜片的位置和突跳溫度。

3.1 突跳檢測主程序

單片機突跳檢測工作流程為：單片機初始化，打開紅外驅動，形成紅外線檢測陣列，并打開中斷允許。讀取膜片型號通過溫控儀表設定截止溫度，開始加熱，放置于定位槽中的待測雙金屬膜片同步升溫。

當存在一個或多個雙金屬膜片發生突跳時，觸發中斷，中斷檢測程序讀取各數字輸入端口的電平狀態，通過低電平所在位，確定并記錄發生突跳的雙金屬膜片所在的定位槽位置信息及突跳溫度。

在持續加熱過程中，每次中斷返回后判斷當前溫度與截止溫度是否相同。若相同，則檢測完成，停止加熱并輸出檢測結果；否則繼續加熱，等待下次突跳觸發中斷。突跳檢測主流程如圖6所示。

圖6 突跳檢測主流程圖Fig. 6 Main flow chart of jump detection

3.2 中斷檢測程序

在單片機收到中斷請求后，首先讀取I/O口的狀態，記錄對應的定位槽位置信息和數量。

若檢測到1個定位槽節點，則該點坐標就是突跳膜片的位置，將該節點標記為“確定”狀態，并記錄此時的溫度，作為該定位槽節點對應雙金屬膜片的突跳溫度，中斷返回。

由于紅外陣列的特征，在檢測到多個定位槽節點時，無法確定突跳膜片的具體位置。因此，將其中未進行狀態標記的定位槽節點標記為“待定”狀態，并記錄此時的溫度。

在后續的溫度上升過程中，如果再次檢測到被標記為“待定”狀態的定位槽節點發生了突跳，則將該定位槽節點標記為“確定”狀態，由當前溫度更新上次記錄的溫度，作為該定位槽節點對應雙金屬膜片的突跳溫度。

如果在檢測系統停止加熱后，仍有一部分定位槽節點被標記為“待定”狀態，則可以確定這些節點在初次標記時已發生突跳，初次記錄的突跳有效。將這些定位槽節點標記為“確定”狀態，以初次記錄溫度作為其突跳溫度，等待打印輸出。中斷檢測流程如圖7所示。

圖7 中斷檢測程序流程圖Fig. 7 Flow chart of interrupt detection program

4 實驗結果

將跳變溫度區間為85～115 ℃、115～145 ℃、155～185 ℃、185～215 ℃的膜片分別取20個進行分組實驗，記錄檢測系統和人工觀察得到的突跳溫度，將其繪制成折線圖進行比較，比較結果如圖8所示。

圖8 系統檢測與人工觀察突跳溫度對比圖Fig. 8 Comparison diagram of temperature jump between system detection and manual observation

通過實驗檢測80個不同型號膜片的突跳溫度，發現系統檢測的突跳溫度與人工觀察的突跳溫度基本一致，大部分數據誤差在±0.5 ℃以內；少數幾個數據誤差在±1 ℃至±0.5 ℃之間；只有一個數據誤差超過1 ℃。因此，通過基于紅外陣列的溫控器膜片突跳檢測裝置能夠實現膜片突跳溫度的自動化檢測。經過實驗對比可知，該檢測方法的檢測性能較好，檢測溫度與實際溫度誤差約±0.5 ℃，符合設計需求。

5 結論

本文根據溫控器雙金屬膜片的工作原理，設計了一款基于紅外陣列的雙金屬膜片突跳檢測裝置，對雙金屬膜片突跳檢測具有良好的效果，準確度高，且成本低，具有較高的實用價值。