基于电感传感器的微位移测量系统设计

基于电感传感器的微位移测量系统设计1绪论.......................................................................................................2第一章基于电感传感器的微位移测量系统概述...........................2第二章设计思路...............................................................................3第三章使用模块及相应硬件概述...................................................43.1电感传感器............................................................................43.2正弦激励电路........................................................................63.3相敏检波电路设计.................................................................73.4程控放大电路........................................................................83.5A/D转换电路模块.................................................................93.6单片机模块..........................................................................153.7LCD显示模块.......................................................................183.8无线传输模块.......................................................................20第四章心得体会.............................................................................31参考文献.............................................................................................32基于电感传感器的微位移测量系统设计2绪论随着现代制造业的规模逐渐扩大，自动化程度愈来愈高。要保证产品质量，对产品的检测和质量管理都提出了更高的要求。我们为此要设计一种精度的检测位移的仪器。电感测微仪是一种分辨率极高、工作可靠、使用寿命很长的测量仪,应用于微位移测量已有比较长的历史.国外生产的电感测微仪产品比较成熟,精度高、性能稳定,但价格昂贵.国内生产的电感测微仪存在漂移大、工作可靠性不高、高精度量程范围小等问题,一直与国外的传感器水平保持一定的差距.在超精密加工技术迅猛发展的今天,这种测量精度越来越显得不适应加工技术发展的需求.该文针对这些问题,对电感传感器测量电路进行了一定的设计和改进.对电感测微仪的正弦波生成电路、交流放大电路、带通滤波电路、相敏检波电路等进行分析及相应设计。第一章基于电感传感器的微位移测量系统概述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。此设计采用差动变压器的激励电源电路和相敏检波电路等，以达到测量微小位移的目的。设计要求：测量范围0.1~0.5mm；基于电感传感器的微位移测量系统设计3综合测量误差小于1%；测量结果LCD实时显示；配备无线数传功能；第二章设计思路该系统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转换、LCD显示及单片机系统。正弦波振荡器为电感式传感器和相敏检波器提供了频率和幅值稳定的激励电压，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。工件的微小位移经电感式传感器的测头带动两线圈内衔铁移动，使两线圈内的电感量发生相对的变化。当衔铁处于两线圈的中间位置时，两线圈的电感量相等，电桥平衡。当测头带动衔铁上下移动时，若上线圈的电感量增加，下线圈的电感量则减少；若上线圈的电感量减少，下线圈的电感量则增加。交流阻抗相应地变化，电桥失去平衡从而输出了一个幅值与位移成正比，频率与振荡器频率相同，相位与位移方向相对应的调制信号。此信号由相敏检波器鉴出极性，得到一个与衔铁位移相对应的直流电压信号，经放大和A/D转换后输入到单片机，经过数据处理进行显示。基于电感传感器的微位移测量系统设计4第三章使用模块及相应硬件概述3.1电感传感器传感器是获取被测量信息的元件，其质量和性能的好坏直接影响到测量结果的可靠性和准确度，衡量其质量的特性有许多，主要包括静态和动态两个方面。当被测量不随时间变化或变化很慢时，可以认为输入量和输出量都和时间无关。表示它们之间关系的是一个不含时间变量的代数方程，在这种关系的基础上确定的性能参数为静态特性；当被测量随时间变化很快时，就必须考虑输人量和输出量之间的动态关系。这时，表示它们之间关系的是一个含有时间变量的微分方程，与被测量相对应的输出响应特性称为动态特性。电感式位移传感器是把被测移量转换为线圈的自感或互感的变化，从而实现位移的测量的一类传感器。它具有灵敏度高、分辨力大，能测出±0.1um甚至更小的线性位移变化和0.1度的角位移,输出信号比较大,电压灵敏度一般每毫米可达几百毫伏,因此有利于信号的传输.测量范围为±25um-50mm,测量精度与电容式位移传达室感器差不多,但是它的频率响应较低,不宜于高频动态测量。电感式传感器有非常广泛的用途。例如：可测量弯曲和偏移；可测量振荡的振幅高度；可控制尺寸的稳定性；可控制定位；可控制对中心率或偏心率。将被测量的非电量转换为互感变化量的传感器称为互感式传感器。这种互感式传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕基于电感传感器的微位移测量系统设计5组都用差动形式连接，故有被称为差动变压器式传感器，简称差动变压器，在这种传感器中，一般将被测量的变化转换为变压器的互感变化，变压器初级线圈输入交流电压，次级线圈则互感应出电动势。差动变压器结构有变隙式、变面积式和螺线管式。电感传感器具有以下优点：结构简单可靠、输出功率大，抗干扰能力强，对工作环境要求不高，分辨力较高（如在测量长度是一般可达0.1μm），示值误差一般为示值范围的0.1%-0.5%，未定性好。但它的缺点是频率响应低，不宜用于快速动态测量。一般来说，电感传感器的分辨力和示值误差与示值范围有关。示值范围大时，分辨力和示值精度将相应的降低。电涡流式传感器是利用电涡流效应将位移等非电被测参量转换为线圈的电感或阻抗变化的变磁阻式传感器。这种传感器的优点是结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量线性范围大、抗干扰能力强、体积小等。电涡流传感器的敏感元件是线圈，当给线圈通以交变电流并使它接近金属导体时，线圈产生的磁场就会被导体电涡流产生的磁场部分抵消，使线圈的电感量、阻抗和品质因数发生变化。这种变化与导体的几何尺寸、导电率、导磁率有关，也与线圈的几何参量、电流的频率和线圈到被测导体间的距离有关。如果使上述参量中的某一个变动，其余皆不变，就可制成各种用途的传感器，能对表面为金属导体的物体进行多种物理量的非接触测量。电涡流式传感器能实现非接触式测量，而且是根据与被测导体的耦合程度来测量，因此可以通过灵活设计传感器的构形和巧基于电感传感器的微位移测量系统设计6妙安排它与被测导体的布局来达到各种应用的目的。电涡流测温是非接触式测量，适用于测低温到常温的范围，且有不受金属表面污物影响和测量快速等优点。3.2正弦激励电路传感器要求激励源必须非常的稳定，不能随负载和温度的变化。所以采用文氏桥振荡电路作为差动变压器的激励电源。正弦波振荡器由放大器和RC（电阻电容）或LC（电感电容）电路组成，这种振荡器的振荡频率是可调的。正弦波振荡器也可以用晶体构成，但晶体振荡器的振荡频率是固定的。像张弛振荡器可以用来产生三角波、锯齿波、方波、脉冲波或指数形波形。基于电感传感器的微位移测量系统设计73.3相敏检波电路设计相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。第二，包络检波电路本身不具有区分不同载波频率的信号的能力。对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。相敏检波电路的选频特性是指它对不同频率的输入信号有不同的传递特性。以参考信号为基波，所有偶次谐波在载波信号的一个周期内平均输出为零，即它有抑制偶次谐波的功能。对于n=1,3,5等各奇次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波的1/n，即信号的传递系数随谐波次数增高而衰减，对高次谐波有一定抑制作用。基于电感传感器的微位移测量系统设计8需要说明的是，经相敏检波和差动整流输出的信号，仍然含有高频分量，因而还需通过低通滤波器滤除高频分量，这样才能获得与衔铁一致的有用信号。无源低通滤波器的实现：一个可以作为低通滤波器的简单电路包括与一个负载串联的电阻以及与负载并联的一个电容。电容有电抗作用阻止低频信号通过，低频信号经过负载。在较高频率电抗作用减弱，电容起到短路作用。这个区分频率（也称为转换频率或者截止频率（Hz））由所选择的电阻和电容所确定。并且电路中使用的传感器为电感式涡流传感器，该传感器的原理是电涡流效应。3.4程控放大电路程控放大电路是采用反相放大电路的基本形式，反相放大电路的特点：运放两个输入端电压相等并等于0，故没有共模输入信号，基于电感传感器的微位移测量系统设计9这样对运放的共模抑制比没有特殊要求；电路在深度负反馈条件下，电路的输出电阻近似为0。可编程数字电位器CAT5111特性：100抽头线性电位器；非易失性NVRAM滑动片存储，带缓冲的滑动片；低功耗CMOS技术；单电源电压：2.5～6.0V；递增/递减串行接口；电阻值：10kΩ，50kΩ和100kΩ；有PDIP,SOIC,TSSOP和MSOP封装。3.5A/D转换电路模块A/D转换器选择的是ADC0804基于电感传感器的微位移测量系统设计10ADC0804的规格及引脚图：8位COMS依次逼近型的A/D转换器；三态锁定输出存取时间:135US分辨率：8位转换时间：100US总误差：正负1LSB工作温度：ADC0804LCN---0~70度模拟信号在时间和数值上都是连续的，而数字信号在时间和数值上都是离散的，所以进行模数转换时只能在一些选定的瞬间对输入的模拟信号进行采样，使它变成时间上离散的采样信号，然后将信号保持一定的时间，以便在此时间内对其进行量化，使采基于电感传感器的微位移测量系统设计11样值变成数值上离散的量化值，再按一定的编码形式转换成数字量。完成一次A/D转换通常需要经历采样、量化和编码3个步骤。不同的量化和编码过程对应不同原理的A/D转换器。（1）位中断触发信号：由触发信号表明ADC0804转换已经结束，它提示单片机随时可以取转换结果，是ADC0804的一个输出信号。一般情况下，启动A/D转换前应该复位这个信号，以等待新的转换完成后ADC0804发出新的信号，这样才可以读到新的转换结果。（2）启动ADC0804的A/D转换：ADC0804的