自感式差动传感器设计.docx

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自感式差动传感器设计

摘要

在检测机械零件外形尺寸的细微偏差时，传统方法有着测量功能单一、测量误差较大、无法对测量数据直接进行计算机处理和智能化等缺陷。

然而这些参数对产品的使用性能有着重要的影响。

为实现这些参数的高效、高精度的测量，针对目前的测量方式存在的这些问题，本课题结合传感器、检测、通讯和微型计算机等技术，采用模块化、通用化和标准化的设计思想，研究开发了三色电子柱量仪。

本设计首先选定了自感式差动传感器并为其设计了信号采集处理的电路，再确定以高性能单片机ADμC812为核心，以使电路设计得到简化、提高稳定性，然后围绕该单片机设计了可随总线速度无限擦写的存取器FM24C256、容错性能好的RS-485串行通讯接口、键盘和12232F点阵式液晶显示器等一系列模块，接着采用FPGA器件实现LED三色光柱显示驱动，最后对量仪系统软件进行了设计。

关键词　ADμC812；菜单结构；LED光柱显示；FPGA；RS485串口通讯

Abstract

Whenmeasuringsubtledifferencesoftheoutersizesofmachineparts,thetraditionalmethodshavesuchdefectsasbeingsingularinmeasuringfunction,existingtoomanyerrorsandhavingnowaytocomputerizemeasureddatadirectly.However,theseparametershavegreatinfluenceonproducts’attributes.Inordertomeasuretheseparametersefficientlyandaccurately,thesystemusedthetechnologyofsensor,automaticacquisition,communicationandcomputerandadoptedthedesignphilosophyofmodularization,generalizationandstandardization.Wedevelopedthisthere-colorLEDbargraphdisplaymeasuringinstrumentwhichcanmeasurethedimensionandrunouttolerancesofmechanicalparts.

Thesystemofhardwareusingthefullyintegrated12-bitdataacquisitionsystem（ADμC812）andFPGAastheLEDbardrivecircuittosimplifythehardwaredesignandenhancethestabilityofthehardware.Thesystemofsoftwareofferstheframeworkofthefunctionextensibilityandtheinstrumentupgradingwiththemenuoperation.Atlast,wedesigntheserialcommunicationprotocolwhichishighefficiencyofdatatransferandhighperformanceoffaulttoleranttoconnectwithpersonalcomputerthroughthebusofRS-485.AlsowedevelopthesoftwareofPCtomanagertheinstrumentandcollectreal-timemeasuringdatawithnetworkandrealizetheuserinterface.ThedateofmeasureandconfigurationisstoredintheACCESSdatabaseconvenientformanaging,analyzing,displayingandprintingthedata.

Keywords:

ADμc812;Menustructure;LEDbargraphdisplay;FPGA;RS485Serialcommunicationprotocol

第1章绪论

1.1课题背景及来源

机械零件的形位误差和尺寸误差参数[1]对产品的使用性能有着重要的影响，在进行检测时，传统方法是采用机械式量规、卡尺、千分尺和千分表等量具进行测量。

但是传统方法的测量功能单一、测量误差较大、并且无法对测量数据直接进行计算机处理更谈不上智能化。

电子柱量仪是一种用长度尺寸的相对法精密测量的测量仪器，特别对圆度、平行度、垂直度等微小变动量的测量极为有用。

主要用于机械制造、加工及各种检测中。

在精密机械制造业、汽车拖拉机业、纺织业以及国防和科研等方面的精密测量中有着广泛地应用。

但是目前国内的电子柱量仪存在数字化程度低、无超差报警、仪器功能扩展性差等不足，不能实现快速测量，越来越不能满足现代工业生产、制造及检测要求。

1.2国内外发展现状

在现代工业生产中，各制造商在不断更新制造技术的同时，对生产检测技术都给予了极大的重视[2]。

专家们逐渐认识到，制造技术与检测技术结下了不解之缘。

新检测技术不断揭示了传统制造技术的不足之处，促使工艺师们进一步改善和创新；新制造技术有反过来对检测技术提出了更高的要求，二者相辅相成，互相促进。

世界各国的量仪厂之间的竞争是很激烈的。

为了在竞争中取胜，就要不断提高质量，不断改进和推出下一代量仪。

国内外各制造商对产品的质量都极为重视，而主要保证产品质量的手段之一，是先进的检测技术。

一般认为检测技术的发展，机械量具算是第一代；气电量仪可做第二代的典型；电子柱量仪和计算机辅助测量系统等就列入第三代技术了。

几年前，在检测领域一直保持着“三代同堂”的局面。

这就是生产线上仍在使用卡板、塞规之类的专用量具的同时，气、电量仪几乎用于全部孔径和轴径的最终检验，而电子柱量仪等先进检测技术也纷纷登场。

近年来，浮标气动量仪“一统天下”的局面在美国发生了根本的变化，取而代之的是电子柱量仪。

这一变化是出人意料的，因为美国是浮标气动量仪的发源地，为何变化如此之快呢？

因为电子柱量仪克服了浮标气动量仪的许多缺点，如测量头初始间隙小，线性不好，浮标容易粘在玻璃管上等等。

那么取而代之的电子柱量仪是什么呢？

实际上电子柱就是一种显示装置，最早于1974年由美国的Bendix公司发明，测量时由气电转换器将气压转换成电压信号，经驱动电路把51只发光二极管中的一只点亮，由此读出发光二极管所对应的刻度值。

美国专刊书3825827中为“浮标效果”。

利用此类显示装置制造的量仪，定名为电子柱量仪。

电感式测量仪虽具有高精度、高效率，能进行和差演算、记忆、峰值测量及数显等特点，但显示方式传统为指针和数显，这种显示方式在单参数测量中还比较适用，用于多参数综合测量就极不方便。

电感量仪的宽度一般为250毫米，如果需要多台合在一起时，将超出检验人员的视野。

检验员要逐个观看指针是否在合格的范围内，既费时又疲劳。

这个缺点就使电感测微仪的应用受到了限制。

量仪设计师们自然想到量仪直列拼台式的优点。

七十年代末，国外在显示领域又推出了等离子双光柱自动扫描显示装置，即PDP显示板，它具有亮度强、体积小、功耗低及显示面积和视角大等优点，但价格比发光二极管要昂贵。

美国Vernon公司，西德Feinpruf公司和意大利Marposs公司等先后应用了PDP显示板，研制成电子柱电感式测微仪。

测量时，电感传感器给出电信号，由等离子器件发出醒目的橘红色亮光，形成一束彩色的光柱，达到直列式显示的目的，给电感式量仪带来了生机。

八十年代中期，欧美一些国家先后推出了品种繁多的电子柱（气动或电感式）测微仪，显示装置常用101只发光二极管（简称LED光柱）或301只PDP光柱显示，测量时由一大串LED（或PDP）发亮，形成一条彩色光柱，示值清晰醒目，称之“温度计”效应。

由于电子工业不断地发展，电子柱测微仪价格下降，目前在美国购买一台普通型电感式电子柱测微仪的售价为500至600美元，与浮标式气动量仪的价格相差无几，这也是电子柱测微仪在国外能迅速得到推广的一个重要原因。

在现代工业测量控制领域中，各种仪器对参数的显示方式中最常见的主要有两种：

指针式和数字显示式，它们各有优缺点，在不同的应用场合应采用不同的显示方式。

指针式显示表头对被指示参数的变化趋势一目了然，但是它抗震能力差，机械惯性大，对参数的较快变化无力反应；数字显示式表头虽具有较好的可靠性，但它却不能显示参数的变化趋势，特别是在工业现场多参数多表头显示时，更难辨明哪些参数在增加，哪些参数在减小。

自上世纪九十年代以来，LED作为一种新型光源有了突飞猛进的发展。

在我国，不仅开创了巨大的新兴市场，而且应用面越来越广泛。

近年对LED光柱显示（又称为LED条形显示）开发和应用也开展了不少的研究，LED光柱显示是一种可以集指针显示和数字显示两者优点与一身的显示技术。

LED光柱可以独立地用于指示信号幅度，也可以配合数字显示表头以增强动态效果，与指针摆动的动态效果相比，此外，LED光柱显示还具有不存在机械惯性、使用寿命比较长、在暗处也无需照明、显示精度比模拟指针显示精度高等优点。

可以说LED光柱显示器替代仪表指针，已成为仪表仪器行业的新趋势[3,4]。

随着时代的进步，国内的工业生产大量应用电子柱测微仪的趋势已经形成，这必将硬气量仪专业厂为了赶上国外先进水平，替代进口量仪的国产化而加速工作。

1.3课题研究内容

1.3.1设计目的

本设计的目的是开发一种高精度的三色电子柱量仪。

该仪器以常用而且测量精度很高的电感传感器为基础，将位移信号转换为电信号，对该电信号进行调理，再用单片机对信号进行处理并通过FPGA驱动LED三色光柱显示测量结果。

1.3.2设计目标

设计目标如下：

1.通过自感式差动传感器可测量工件的形位误差或尺寸误差，并用LED三色光柱对结果进行显示。

在测量值位于预警公差带范围内LED光柱显示绿色，超出预警公差带但未到达报警公差带时LED光柱显示黄色，位于报警公差带时LED光柱显示红色。

2.通过设定不同的报警/预警公差带的上下限，并搭配不同的自感式差动传感器及其信号处理模块可实现不同尺寸的测量。

3.通过键盘输入与LCD液晶显示器可实现仪器的人机对话功能。

4.能够通过外部通讯口实现与计算机和其他设备的通讯。

并能通过计算机对测量结果进行操作和实时显示。

1.3.3设计内容

该课题的设计内容主要包括三部分：

1.电子柱量仪硬件电路的设计。

2.电子柱量仪系统软件的设计。

3.电子柱量仪和控制软件之间通讯协议的设计。

第2章传感器测量原理

2.1传感器的定义及构成

传感器在我国国家标准（GB7665—1987）中的定义是：

“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输入信号的器件或装置”。

此定义具有以下几方面的含义：

1.传感器是某种测量装置或测量装置的一部分，能完成部分监测任务；2.它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；3.它的输出量是某种物理量，这种量要便于转换、处理等等，这种量可以是气、光、电物理量，但主要是电物理量；4.输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。

关于传感器，我国曾出现过多种名称，如发送器、传送器、变送器、换能器等，它们的内涵相同或相似，所以近来已逐渐趋向统一，大都是用传感器这一名称了。

从字面上可以作如下解释：

传感器的功用是一感二传，即感受被测信息并传送出去。

传感器一般由敏感元件、传感元件、基本转换电路三部分组成[5]，组成框图如图2-1所示：

图2-1传感器组成框图

敏感元件：

它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

如应变式压力传感器的弹性载体就是敏感元件，它的作用是将压力转换成弹性载体的形变。

传感元件：

敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参数。

如应变式压力传感器中的应变片就是传感元件，它的作用是将弹性载体的变形转换成电阻值的变化。

基本转换电路：

将电感变化量接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。

传感器只完成被测参数至电量的基本转换，然后输入到测控电路，进行放大、运算、处理等进一步转换，以获得被测值或进行过程控制。

事实上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。

有些传感器由敏感元件和转换元件组成，如压电式加速传感器，其中质量块石敏感元件，压电片是转换元件，因传感元件的输出量已是电量，故无须转换电路。

而有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换。

敏感元件与转换元件在结构上常是装在一起的，而基本转换电路为了减小外界的影响也希望和它们装在一起，不过由于空间的限制或者其他原因，基本转换电路常装入电箱中。

尽管如此，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。

2.2电感传感器

2.2.1电感式传感器的特点

电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化实现测量的一种装置，其核心部分是可变自感或可变互感，在将被测量转换成线圈自感或线圈互感的变化时，一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。

这类传感器的主要特征是具有电感绕组。

电感式传感器具有以下优点：

结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、对工作环境要求不高、分辨力较高（如在测量长度时一般可达0.1μm）、示值误差一般为示值范围的0.1%-0.5%、稳定性好。

它的缺点是频率响应低，不宜用于快速测量。

此外，利用电涡流原理的电涡流式传感器，利用压磁原理的压磁式传感器，利用平面绕组互感原理的感应同步器，亦属此类。

2.2.2电感式传感器的分类

首先电感传感器可分为自感式和互感式两种。

自感式电感传感器有气隙型、截面型和锣管型。

气隙型传感器灵敏度高，对后续测量电路的放大倍数要求低，它的缺点是非线性严重，为了限制非线性，示值范围只能较小，由于衔铁在运动方向上受铁芯的限制，故自由行程小。

截面型具有较好的线性，自幼行程较大，制造装配比较方便，但灵敏度较低。

螺管型则结构简单，制造转配容易，由于空气隙大，磁路的磁阻高，灵敏度低，但线性范围大。

此外，螺管型还具有自由行程可任意安排、制造方便等优点，在批量生产中的互换性较好，这给测量仪器的调试、使用带来很大的方便，尤其在使用多个测微仪组合来测量物体形状的时候。

互感式传感器本身是其互感系数可变的变压器，当第一次线圈介入激励电压后，二次线圈将产生感应电压输出，互感系数变化时，输出电压将作相应变化。

一般，这种传感器的二次线圈有两个，接线方式又是差动的，故常称之为差动变压器式传感器。

互感式传感器的类型与自感式传感器的极为相似。

也可以分为气隙型、截面型和螺管型三种。

气隙型互感式传感器与气隙型自感式传感器一样，其优点是灵敏度高，缺点是示值范围小、非线性严重。

所以，近年来这种类型传感器的使用逐渐减少。

螺管型互感式传感器，虽然其灵敏度较低，但其示值范围大，自由行程可任意安排，制造装配也较为方便，因而获得了广泛的应用。

差动式传感器与单线圈式传感器相比，具有以下优点：

1.线性好；2.灵敏度提高一倍，即衔铁位移相同时，输出信号大一倍；3.温度变化、电源波动、外间干扰、电磁吸力对传感器精度影响，能相互抵消而减少。

2.3本设计中传感器的工作原理

综合考虑仪器需要，本课题测量传感器采用自感式螺管型差动传感器。

自感式螺管型差动传感器结构图[6]如图2-2所示。

图2-2螺管型差动传感器

由图可知，线圈中放入圆柱形衔铁，也是一个可变自感。

使衔铁上下位移，自感量将相应变化，这就构成螺管型传感器。

采用差动式结构，除了可以改善非线性、提高灵敏度之外，对电源电压、频率波动以及温度变化等外界影响也有补偿作用，从而可以提高测量精度。

单个线圈的电感为：

（2-1）

当进入线圈的铁芯长度为

，则线圈的电感为：

（2-2）

当铁芯长度增加

时，则电感量的变化为：

（2-3）

式中

—单个线圈的匝数；

—空气的磁导率；

—线圈半径；

—线圈长度；

—铁芯半径；

—铁芯长度；

—铁芯磁导率；

—铁芯长度变化量；

例如现有一单线圈式传感器与一差动式传感器，其各种情况均相同，线圈匝数

=1000，线圈半径

=2.2mm，线圈长度

=25mm，磁芯半径

=2.0mm，铁芯长度

=25mm，

=0.1mm，这里的磁导率是指物质的磁导率与真空的磁导率的比值，故空气中的磁导率

可取值为1，查表可得，铁芯磁导率

=0.99997。

据条件可得，单线圈式传感器的输出为：

而假如采用差动式传感器，则输出值为：

由以上计算可以得出：

（1）差动式比单线圈式灵敏度提高了一倍；

（2）要提高灵敏度，应使线圈与铁芯尺寸比值

和

尽量小，但另一方面

趋向于1时，传感器的非线性误差会增加；

（3）选用铁芯的导磁率

大的材料也可以提高灵敏度；

（4）

与

成正比若被测量与

成正比，则

与被测量也成正比。

但实际上，由于磁场强度分布的不均匀性，输入量和输出量之间的关系是非线性的。

电子柱量仪的测量原理就是利用位移量的变化与电感量的变化成正比来实现的。

在整个测量环节中，传感器的测量精度影响和决定着整个仪器可实现的测量精度，而传感器输出信号的后续信号处理电路对整个仪器的精度影响不大。

因此，提高整个仪器的测量精度的关键是提高传感器的测量精度[7]。

第3章系统硬件设计

3.1硬件设计原则

要实现一台功能丰富、运行稳定、工作独立的量仪，首先要考虑的就是系统的硬件电路设计。

一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容，一部分是系统扩展，即单片机的功能单元；二是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备。

为了使硬件电路设计趋向合理，借鉴别人的成功经验，系统的电路设计中着重考虑到如下几个方面[7]：

1．尽可能选择典型电路。

2．设计时努力采用最新的一些技术。

3．尽量选用功能强、集成度高的芯片，提高系统可靠性。

4．注意选择通用性强、市场货源充足的元器件。

5．系统的扩展及各功能模块的设计，留有适当的余地，以备将来修改、

扩展之需。

6．硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。

7．整个系统的性能要尽量做到性能匹配。

8．在电路设计时，充分考虑应用系统各部分的驱动能力。

9．可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分。

3.2硬件框架的设计

电子柱量仪的测量原理就是通过电感传感器将位移量转换为电感量的变化，测头与电感线圈内的磁芯相连。

当磁芯处于两线圈的中间位置时，两线圈的电感量相等，电桥平衡。

当测头带动磁芯移动时，线圈的电感量产生变化，从而交流阻抗相应变化。

当振荡器供电的电桥失去平衡而输出一个交流电压信号，其幅值则正比与磁芯的位移。

将此点压信号送入微处理器，经过微处理器处理后送显示器，并与用户的预先设定的值进行比较，超限报警，并对数据进行滤波、存储、显示，使之能与计算机进行通讯。

结构图如图3-1所示。

图3-1电子柱量仪硬件框架系统

3.3硬件各模块的设计

3.3.1传感器信号调理模块

自感式传感器电感量变换为电压信号的变换原理，如图3-2所示。

该信号调理模块，通过测量电桥将电感量变化变换为电信号，最终输出正比于电感量变化的直流电压信号[8]。

通过调整电路参数实现与电感传感器性能的最佳匹配。

电路中电源电压的大小和稳定性直接影响着传感器的灵敏度和精度。

图3-2传感器信号调理模块

3.3.1.1差动交流放大器

本课题采用的放大器由3个运算放大器组成数据放大器，其原理图如图3-3所示。

图3-3放大电路原理图

A1、A2、A3按理想放大器分析，由图可知，U3=U1，U4=U2，可求得R2上的电流为：

（2-5）

进一步可求得：

（2-6）

（2-7）

定义

，则有：

（2-8）

U5―U6为后级的差分输入电压，可求得输出电压为：

（2-9）

在电路设计中一般令R3=R4，运算放大器的增益公式简化：

（2-10）

由式2-10可见，调节R2即可方便地调节电路增益。

可证明，在前级A1和A2参数匹配，即它们外部电路参数相同且其电气特性也相同的情况下，两个输入端的失调所导致的输出是互相抵消的。

由A3组成的后级是一个标准的差动放大器，其产生的输出误差失调在增益为1的情况下也是很小的。

因此，该数据放大器是一种高输入电阻、高共模抑制比、高增益的直接耦合放大器，具有差动输入、单端输出的特点，非常适合用于放大传感器输出的信号[9]。

3.3.1.2相敏整流器

本课题采用的是方波相敏整流电路，如图3-4所示：

图3-4相敏整流电路

图中A1为过零检测器，A2和三极管构成了相敏整流器。

U0为传感器输出信号，V2为与振荡信号同相的方波信号。

其原理为：

三极管工作于开关状态，振荡信号Vosc经过比较器产生同相的方波信号V2，当V2为高电平时，三极管饱和导通，A2同相输入端接地，U0加到A2的反相输入端，放大器A2的放大倍数为―1，输出信号UI=―U0，在V2为低电平时，三极管截止，U0同时加到放大器的同相和反相输入端，放大器A2的放大倍数为+1，输出信号UI=U0。

从而实现了对输入信号的整流过程，最后由滤波器将整流信号转换为直流信号。

其整流波形如图3-5所示：

图3-5相敏整流波形图

相敏整流可用来检测相位及幅值等。

该电路的信号输出幅值表示测量位移量的大小，信号的输出的正负，则实现了传感器衔铁位移大小和方向的判断。

由分析可知，在传感器衔铁移动方向相反时，差动电桥输出U0的方向是相反的，即相位差为180°，从波形图中可以看出：

相敏整流电路输出UI的极性是对应于U0的相位的，从而实现了衔铁移动方向的判别[10]。

3.3.1.3低通滤波器

通过滤波电路，将相敏整流后的信号转化为直流信号，以反映位移量的变化，而被滤除的高频信号为干扰信号、器件元件的噪声、以及相敏整流信号的各种。

滤波器电路采用低通有源滤波器，如图3-6所示。

图3-6低通滤波器电路

3.3.2数据采集模块

一个测量系统的数据采集和控制电路关键是微处理器以及A/D转换器的选择，以硬件电路设计简单、电路成本低、有益于软件设计为设计的总体原则。

综合性价比考虑，本设计最终选择的方案是：

采用内置12位ADC及DAC及高精度电压基准的单片机。

因为这样能使系统连线大为减少，同时内置的12位ADC、DAC使系统精度大为提高，这便大大简化了硬件电路的设计和程序的开发过程。

在项目开发的初期，必须做出单片机的最初选择。

使用的硬件平台对后期的软件和硬件设计决策有相当大的影响，本课题选用ADμC812单片机。

ADμC812中集成8通道12位单电源ADC，是基于电容DAC的常规逐次逼近转换器原理组成的。

其模拟输入电压范围为0V-VREF，内部提供高精度、低漂移并经过工厂标准校准的2.5V基准电压，同时也