电感式微位移测量仪的设计与实现

1电感式微位移测量仪的设计与实现摘要无论设计、制造或使用传感器，都希望输出量和输入量间具有线性关系，而对于实际应用来说，其输出量与被测量之间的关系大多是非线性的，为了达到提高传感器精度目的，必须对传感器的非线性特性进行补偿。电感微位移传感器是一种建立在电磁感应基础上，利用线圈的自感或互感系数的改变来实现非电量(主要是位移)测量的低成本、高精度测量仪，因为其分辨力高、使用寿命长、工作性能稳定，应用于微位移测量己经有很长的历史，进行高精度微位移测量时选用电感位移传感器已经成为一种共识。关键词：电感；微位移；测量仪2一、电感式微位移测量仪的概况1、课题研究意义及发展状况无论是科学研究还是生产实践，需要进行位移测量的场合非常多，可用于位移测量的传感器的种类也很多，其中用于直线位移测量的有电阻式、电感式、电容式、振弦式、编码式、感应同步器式、光栅式、磁栅式、光电式、霍尔效应式、磁敏电阻式、喷射式、激光式、复合式以及光纤式等，但这些传感器在实际应用中或多或少都存在着一些问题，有的设备复杂、成本高，有的对环境要求高，有的精度低、线性范围小，有的结构复杂、工艺要求高。电感式传感器因其具有结构简单可靠、输出功率大、抗干扰好、对环境要求不高、分辨率较高、示值误差小、价格低廉等特点在位移测量方面获得了非常广泛的应用，专用集成电路芯片的出现，更为人们使用电感式传感器带来了方便。与此同时，在微电子行业中高精度模板的制造和定位，高精度传感器的标定都需要很高的位移测量精度，甚至有些应用要求测量精度达到纳米量级，同时，测量范围的要求也越来越大。这样测量精度与量程范围的要求构成了尖锐的矛盾，因此，需要设计一些通用性好、价格便宜的测量仪器，并对这一类的测量仪器进行不断地更新和改进，以进一步提高测量精度。另外，无论设计、制造或使用传感器，都希望输出量和输入量之间具有线性关系，而实际中对于传感器来说，一方面由于不可避免的原理误差，一方面由于工艺材料等一些客观因素的限制，其输出量与被测量之间的关系大多是非线性的，因此，为了达到提高传感器精度的目的，必须对传感器的非线性特性进行线性化处理。因此，我们希望在原有的基础上对电感微位移传感器的非线性特性有进一步的研究，使之成为一种精度更高、通用性更好、测量更可靠的仪器，并力图使研制出的这种微位移测量仪向着通用化、商品化的方向发展。电感位移传感器的研究生产在国内外已经有很长的历史。国内有许多厂家、院校及科研单位从事电感位移传感器的研制和开发。国外也有许多公司和研究所研制和生产电感测头，比如作为传感器技术领先者的国际知名品牌TURCK，一直是人们关注的焦点和亮点，2005年年初，带来了其极具创新意义的产品:新一代电感式传感器UPROX十。新一代传感器的核心是采用了具有专利技术的柔性多线圈系统替代了传统的空气线圈。UPROX十传感器具有无与伦比的性能特性，其技术核心主要体现在三个方面:3(1)首先是创造性的印刷电路板线圈结构;(2)采用专利技术的柔性多线圈系统替代了传统的铁芯缠绕线圈以及TURCK上一代的专利产品UPROX十所采用的空气线圈;(3)高性能的集成电路芯片;由于采用了具有专利的全新线圈技术，使UPROX十传感器的开关距离较传统铁芯传感器提高至250%。这意味着它具有超过任何相同外形尺寸的标准传感器的检测距离。同时UPROX十传感器确立了全新的金属检测标准。它能够以最高的检测精度实现对铁、不锈钢、铜、铝和黄铜等金属相同的超大检测距离。通过这些创新性的技术使UPROX十传感器具有极大增强的开关距离和独特的柔性封装特性，可以说是迄今为止最好的传感器。2、电感测微仪硬件原理电感测微仪的硬件原理组成框图如图1-1所示。硬件电路主要包括电感式传感器、正弦波振荡器、放大器、相敏检波器、A/D及嵌入式处理器。工作过程是:正弦波振荡器输出的信号加到测量头中由线圈和电位器组成的电感桥路上，微小位移使电感式传感器的测头带动衔铁移动，使线圈内的电感量发生变化，信号经放大，由相敏检波器检测流过电表的平均电流的大小和方向来判别位移大小和方向，得到一个与衔铁位移相对应的直流电压信号，经A/D转换器输入到微处理器，经过数据处理进行显示。4图1-1电感测微仪硬件原理组成框图3、电感传感器工作原理电感传感器是一种建立在电磁感应基础上，利用线圈的自感或互感变化原理来实现非电量电测的传感器。传感器测头检测到被测物体的位移，通过测杆带动衔铁产生移动，从而使线圈的电感或互感系数发生变化。自感或互感信号再通过引线接入测量电路进行测量。电感传感器本身是互感系数可变的变压器，当一次测线圈接入激励电源后，二次线圈就将感应产生的电压输出。互感变化时，输出电压将作相应的变化。传感器的工作原理如图1-2所示。图1-2电感传感器工作原理图5二、电感式微位移测量仪的设计电感式微位移传感器是利用线圈的电感变化来实现微位移测量的一种装置。它具有精度高、工作稳定、结构简单的特点,尤其是测量仪所配用的轴向式电感式传感器,其外形和机械式百分表相同,适合产品测量系统的改造与开发。以前电感式微位移测量仪的二次仪表多为模拟式仪表,其功能与性能受到了一定的限制。本文介绍的测量仪以单片机为中心,采用液晶汉字显示与按键,实现了人机交互。引入数字式滤波与查表插值技术,使仪器具有较高稳定性与测量精度。同时,具有打印与串行数据通信等功能。2.1测量仪的组成测量仪由电源、单片机控制板、放大板、液晶显示器、嵌入式微型打印机和键盘等组成。结构如图2-1所示。图2-1测量仪结构图2.2传感器及其信号处理电路电感式传感器的任务是将被测部件几何尺寸的微小变化转换为电感L的变化。信号处理电路的作用是实现测量信号的变换、放大。轴向式电感传感器的基本结构如图2-2所示,电感线圈呈管状,连接测杆的磁芯置于线圈的中部。6图2-2轴向式电感传感器当测杆接触被测部件时,部件位置的变化使磁芯在线圈内发生微小位移,此位移引起线圈电感量的变化。电感量变化的表达式为式中:h,R,r,u0均为与线圈和磁芯几何、物理参数有关的常数;to为磁芯在线圈内初始伸入深度;L0为初始电感量。由式(1)可见,线圈电感量的变化ΔL正比于测杆位移量的变化量Δt,也就正比于被测部件位置的变化量。为了对传感器给出的电感信号进行放大、处理和显示,需将电感量的变化ΔL转换为电压信号。该测量仪采用交流测量电桥完成这一任务,其原理如图2-3所示。电桥的两臂Z1和Z2为电感传感器中两个线圈的阻抗(线圈电感L与电阻r的等效阻抗),另外两臂为电源变压器次级线圈的两半绕组(每半绕组的电势为u)。输出电压Usc为图2-3转换电路原理图7当电感传感器的铁芯处于中间位置时,两线圈的阻抗相等,即Z1=Z2,则Usc=0,电桥处于平衡状态,无输出电压。当测杆上升时,上线圈阻抗增加,即Z1=Z+ΔZ,下线圈阻抗减少,即Z2=Z-ΔZ,则有，当测杆下降同样位移时,上述变化相反,有因为测量电桥的两个桥臂是电感传感器的电感线圈,所以测量电桥实际上是交流电桥,必须采用交流电源。振荡器即是给传感器的线圈提供合适的励磁电压的电源。该测量仪采用电感三点式LC振荡器,具有容易起振、输出幅度较高,调节频率方便等优点。为了提高振幅和频率的稳定度,增设了一个稳幅电路。振荡器的频率为:f=12000Hz。由测量电桥输出的测量信号是一个交流电压信号,此信号经过交流放大器放大后,其幅度与传感器测杆的位移成正比,但无法判断测杆是上升还是下降,也就是无法知道被测尺寸具有正偏差还是负偏差。为了判断信号的相位(方向),在交放之后、直放之前加一级相敏检波器,将交流信号变换为与测杆位移大小相对应的直流缓变信号,信号的极性反映测杆位移的方向。相敏检波器输出的直流缓变信号,再经一级直流放大,得到A/D转换器所需的±5V直流电压。其原理框图如图2-4所示。图2-4信号电路框图2.3单片机及其扩展单片机内部虽然设置了一定容量的存储器和若干并行I/O口,但这远远满足不了实际需要。系统设计中采用74HC573作为锁存器,GAL16V8提供片选信号,扩展了程序存储器27512、外部数据存储器62256、I/O口8155、时钟芯片DS12887、模数转换器AD574及与其相联的八8选一模拟开关CD4051,扩展电路如图2-5所示。图2-5单片机扩展电路结构图由于8155A上有256字节的RAM,刚好是紧缩型编译模式要求的存储容量,所以程序使用紧缩模式编译,将8155A上的RAM作为程序RAM,结果表明这种模式下程序能正常运行。为了加快显示速度,程序将显示用的RAM设置到单片机内部RAM,程序将测量、滤波用的RAM设置到片外RAM。2.4键盘、显示与打印为了节省I/O口,本测量仪采用3×4的矩阵式键盘,它由行线和列线组成,按键位于行、列的交叉点上。采用函数charkey(chart)实现对键盘的查询与结果的返回。显示采用液晶图形显示器,它具有低压、微功耗、寿命长、无辐射等特点,是目前流行的显示方法。本测量仪选用香港精电公司的MGLS19264,液晶显示驱动控制套件为HD61203U、HD61202U。打印机采用荣达MP系列微型打印机,它具有串行/并行打印接口,并口采用26线针型扁平电缆插座,与标准并行口Centyonics兼容,可直接由单片机控制。2.5数字低通滤波与插值由于系统在使用过程中将会受到各种干扰,且在A/D转换中存在量化误差,故需将A/D转换结果进行低通滤波处理。低通滤波采用FIR系统比较简单,易于实现线性相位,即输出只对输入有一段延时,不使信号发生畸变。M阶FIR系统的传递函数H(z)=Σmn=0bnz-n,显然设计FIR系统就是找合适的bn来实现系统的特9性。假设理想的低通数字滤波器如图2-6所示。其频率特性为Hd(ej.w),现假设其幅频特性|Hd(ej.w)|=1,相对应频率特性为φ(ω)=0,那么,该数字滤波器的单位抽样响应为hd(n)是以hd(0)=.ωc/π为对称的sinc函数。由于在n0时hd(n)有值,且其长度为无限长,该函数是一个非因果的,是一个物理不可实现的。通常,我们将hd(n)截短,如取,并将截短后的hd(n)移位,得h(n)=hd(n-M/2)n=0,1,⋯,M(6)那么h(n)为因果的,具有线性相位,且为有限长的。但是由于截短后,损失了sinc函数的一些边瓣,使得滤波器h(n)的频谱与理想滤波器的频谱相差较大(如图2-7曲线1)。为了改善这一现象,通常在h(n)的基础上再加一个窗。使用得较多的窗函数主要有三角窗、Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗等。图7中曲线2为加Hamming窗时的频率响应曲线。将得到的滤波器与信号进行卷积运算就对原信号进行了滤波。我们将大于归一化频率高于013π弧度的信号认为是噪声,即设计中要求滤波器的通频带为013π弧度,通过计算,并对hd加Blackman窗,最终求得的FIR系统是一个4阶系统,其传递函数为式中，10滤波器频率响应如图2-8所示。尽管测量头的测量精度很高,但是,测量头并不是线性的,它存在着一定的非线性,如果近似认为其为线性关系,那么在高精度测量中将会带来非常大的误差。所以我们先在标准仪器上按较小步长(10μm)记录下AD转换的结果,并列成表格。实践表明采用拟合的方法不能取得较好效果(除非拟合阶次高达10阶左右)。所以采用查表插值的方法。由于标定的步长较小,所以采用一次线性插值既能满足测量精度要求,又节省计算时间。假设某次测量的A/D转换结果为x,在其对应的表中有x(n)，Fxx(n+1),则插值结果为图2-6理想低通滤波器11图2-7窗函数的使用图2-8滤波器频率响应图12参考文献[1]王效廉.球形部件装配公差自动测量的实现.第二炮兵工程学院学报,2003,17(4)[2]何立民.单片机高级教程.北京:北京航空航天大学出版社,2000[3]郭强.液晶显示应用技术.北京:电子工业出版社,2000[4]胡广书.数字信号处理—理论、算法与实现.北京:清华大学出版社,2000[5]马青.电感式角位移传感器的研制与结构分析.东南大学硕士