基于容栅的线位移测量系统设计.docx

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基于容栅的线位移测量系统设计

编号

毕业设计（论文）

题目基于容栅的线位移测量系统设计

二级学院电子信息与自动化

专业测控技术与仪器

班级

学生姓名xxx学号

指导教师职称

时间

Abstract…………………………………………………………………………………

1.2.1传感器技术……………………………………………………………

1.2.2检测技术系统概述……………………………………………………

1.2.3智能仪器技术概述……………………………………………………

1.3本课题设计任务………………………………………………………………

1.3.1本课题的任务要求……………………………………………………

1.3.2设计思路的可行性分析………………………………………………

1.3.3本课题的关键…………………………………………………………

1.3.4关键问题的解决思路…………………………………………………

1.4本章小结………………………………………………………………………

2.1.2尖脉冲信号的提出……………………………………………………

2..2容栅位移传感器测量系统的总体设计方案…………………………………

2.3容栅位移传感器测量系统各单元原理设计…………………………………

2.3.1输出信号的整形………………………………………………………

2.3.2信号的细分处理………………………………………………………

2.3.3容栅位移传感器采集信号的辨向问题设计方案……………………

2.3.4栅极板结构尺寸设计…………………………………………………

2.4本章小结………………………………………………………………………

3.2.1LPC2138引脚描述………………………………………………………

3.2.2LPC2138晶振电路设计…………………………………………………

3.2.3LPC2138复位电路设计…………………………………………………

3.2.4LPC2138电源电路设计…………………………………………………

3.2.5LPC2138显示电路设计…………………………………………………

3.3LPC2138外围信号处理电路模块设计…………………………………………

3.3.1放大整形电路模块设计………………………………………………

3.3.2微分电路模块设计……………………………………………………

3.3.3辨向电路模块设计……………………………………………………

3.4本章小结………………………………………………………………………

4.1.1Proteus7.4简介………………………………………………………

4.1.2VC++6.0简介……………………………………………………………

4.2.1系统程序的总体方案设计…………………………………………

4.2.2外部中断复位程序设计………………………………………………

4.2.3数据的运算程序设计…………………………………………………

4.2.4LCD子程序设计………………………………………………………

4.3本章小结………………………………………………………………………

第五章实物制作………………………………………………………………………

5.1元器件材料准备…………………………………………………………………

5.2制作注意事项…………………………………………………………………

5.3实物图…………………………………………………………………………

5.4本章小结………………………………………………………………………

第六章总结…………………………………………………………………………

致谢…………………………………………………………………………………

参考文献…………………………………………………………………………

附录………………………………………………………………………………………

文献综述………………………………………………………………………………

摘要

本文的侧重点主要探究其容栅的线位移结构的测量原理和信号的处理以及相关电路设计。

在现代智能化测量领域，容栅位移传感器起着重要的作用。

在测量过程中，容栅的定极板与动极板以梳齿式的方式进行电容耦合。

通过极板电容耦合产生的周期性变化的类似正余弦测量信号。

在信号的放大过程中，采用较为可靠的仪用放大器AD620对信号进行放大。

放大后的信号通过过零比较器LM324整形成为方波。

在测量计数过程中，由于涉及重要的信号辨向处理，需要将信号处理成易于辨识移动方向的尖脉冲信号。

于是采用微分电路和可逆计数器74LS192实现。

最后在完成测量数据的数显中，运用LPC2138将获得的计数信号转化成LCD显示的相关测量结果。

该设计融合了传感器检测技术和信号的处理技术以及软件的数显技术。

对进一步学习研究容栅位移传感器测量系统具有一定的参考价值。

关键词：

容栅;正余弦信号;微分电路;辨向处理;尖脉冲;LPC2138

Abstract

Theemphasisofthisdissertationismainlytoexplorethecapacitivegatedisplacementofstructureandmeasurementprincipleofsignalprocessingandcircuitdesign.

Inthemodernintelligentmeasurement,capacitivedisplacementsensorplaysanimportantrolein.Intheprocessofmeasurement,capacitivefixedplateandthemovableplatetocombtypeofcapacitivecoupling.Capacitivecouplingthroughtheperiodicchangeofthesimilarsineandcosinesignals.Insignalamplificationprocess,usingmorereliableinstrumentamplifiertoamplifythesignalofAD620.TheamplifiedsignalthroughthezerocrosscomparatorLM324shapingassquarewave.Inthemeasuringprocessofcounting,duetotheimportantsignaltoidentifytreatment,needtosignalprocessingintoeasytoidentifythedirectionofmovementofthespikepulsesignal.Thenthedifferentialcircuitandreversiblecounter74LS192.Afterthemeasurementdataofthedigitaldisplay,usingLPC2138willcountsignalintoLCDdisplaymeasurementresults.

Thedesignincorporatessensordetectiontechnologyandsignalprocessingtechnologyandsoftwareofthedigitaldisplaytechnology.Tofurthertheunderstandingofmodernintelligentinstrumentwhichhasacertainreferencevalue.

Keywords:

fixedplate;themovableplate;sineandcosinesignal;differentialcircuit;directiondiscriminationprocessingpulse;LPC2138

1绪论

在现代信息化技术迅猛发展的今天，智能化系统越来越受到人们的支持和关注。

发达的制造工业能够为我们的社会带来巨大的贡献。

于是在制造过程中就必不可少的涉及测量领域。

高速、精准、智能化的测量是时代的发展要求[1]，这就催生了容栅位移传感器的诞生。

虽然，容栅位移传感器的发展始源与上世纪80年代，但是其发展前景是值得重视和期待的。

下面我们就围绕容栅位移传感器进行相关介绍和设计，相信会给读者带来不一样的收获。

1.1容栅位移传感器的研究背景

现代信息技术已成为众多领域里发展最快的科学，同时也是极具蓬勃发展前景的学科之一。

在信息科学里，捕捉信息、筛选信息、传输信息、处理信息已成为其关键环节。

然而信息的捕获工具就是传感器。

在现代信息化时代，尤其是工业高速发展时期，传感器成为了重要的测控系统的信息入口。

随着信息时代的到来，国内外传感器技术已成为优先发展的技术领域之一。

就目前来看，我国的传感器技术发展相对较为薄弱。

因为传感器的可靠性技术对于整个自动检测系统的数据获取的准确性和稳定性是至关重要的，然而，我国在这方面的研究还处于较低水平。

从当前使用的范围来看，传感器[2]大致分为这几类：

电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、光电式传感器、热电式传感器、核辐射传感器等。

现代传感器正向着微型化、智能化、多功能化和可靠性水平方向发展。

容栅测量系统的测量原理新颖，测量电路独特，使其构成的测量仪器工作可靠，精度高、工耗低、测量速度快、重量轻、抗干扰性能强、抗振动、耐污染，并且组装的成品率高，是许多位移传感器测量系统无法比拟的。

因此，各国对其发展极为重视。

容栅线位移传感器运用方向也从最初的大位移长度测量扩大到角度测量等领域。

瑞士Trimos公司的电子数显高度仪测量范围在500mm时，其精度可达到0.005mm以内而测量范围在1000mm时，其精度可控制在0.01mm以内。

国内在开发容栅系统方面也取得了很大成效。

已能提供电子数显卡尺、电子数显千分尺、电子数显千分表电路等各种测量仪器使用的容栅测量系统。

此次课题的设计，就是基于线位移测量系统的容栅传感器的研究设计。

1.2容栅位移传感器测量系统技术支持简介

1.2.1传感器技术

传感器[2]是指能够间接的感受到需要被测定的物理量并且按照一定的变化规律转换成为可用输出的信号的处理装置就叫传感器。

传感器一般由敏感原件和转换装置构成。

其中敏感元件使之传感器中能够直接感受被测量的部分，转换元件是指传感器能够将敏感元件的输出信号转换成适于传输和测量的电信号部分。

其中，传感器输出信号由很多种形式，如电压、电流、频率、脉冲等，输出信号的形式由传感器的结构原理决定

传感器通常由敏感元件和转换装置构成。

但是由于传感器的输出信号一般都是弱电信号，因此需要信号调节和转换电路将其放大或变换成为易于传输、处理、记录和数显的方式。

传感器是上个世纪80年代提出的学科领域。

经过30多年的发展现已朝着微型化、智能化、多功能化和可靠性水平方向发展。

所以在实物安装中是以集成芯片[3]形式。

其组成如图1-1所示.

图1-1传感器组成框图

1.2.2检测技术系统概述

检测技术[6]是将自动化、电子、计算机、控制工程、信息处理、机械等多学科多种技术融合为一体的综合运用符合技术。

然而测量是确定被测对象属性量值为目的的全部操作。

那么作为一种完整的测量系统[4][5]，能够在生产生活中得到充分运用，这一理论系统由相关的器件、仪器和测试装置有机的组合而成的具有获取某种信息的功能的整体。

如图1-2所示。

图1-2检测系统构成框图

1.2.3智能仪器技术相关概述

（1）智能仪器[7]：

计算机技术与测量仪器相结合，含有微型计算机或微处理器的测量仪器，并对数据进行存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能，有一定智能作用的仪器就是智能仪器。

（2）智能仪器技术涵盖：

电子测量技术、放大滤波技术、传感器技术、信号处理技术、程序设计技术、数字显示技术。

（3）智能仪器的功能包含：

传统仪器的功能以及传感器智能化，控制器智能化功能；数据传送及处理功能；多信息融合技术功能；辅助诊断功能。

（4）智能仪器的关键是系统的可靠性和稳定性。

（5）智能仪器的基本结构[8]框图如图1-3所示。

图1-3智能仪器的基本结构框图

1.3本课题设计任务

根据电容式传感器的工作原理，设计一能实现高精度（分辨率达到0.1mm）微位移测量的容栅线位移测量系统。

1.3.1本课题的任务要求：

（1）基于线位移传感器测量原理，掌握容栅位移传感器的栅极工作原理。

（2）掌握并学会应用栅极输出信号的处理方法。

（3）提出改进容栅传感器栅极测量的精确度方法，要求分辨率达到0.1mm。

（4）设计系统模块硬件电路图，并完成软件的程序编写。

（5）完成系统硬件电路调试和测量数据分析系统设计。

1.3.2设计思路的可行性分析：

（1）掌握电容传感器工作原理，结合栅极移动信号的产生过程，完成对容栅传感器工作原理的熟悉。

（2）掌握对采集信号进行放大、调幅、调频、调相的处理方法。

（3）要求提高其精度，应相应增加其正对的栅极板数量，同时采用三极板式可有效提高抗干扰，从而提高测量精度。

（4）在信号处理中，需要采用放大电路和调制电路，将其整合成便于测量的信号。

测量得到的数据，需要通过程序驱动显示。

可参照数显程序编写。

（5）结合实验室设备完成数据的测试，同时运用软件对数据进行拟合得出结果。

1.3.3本课题的关键问题：

（1）容栅传感器栅极的布置。

（2）容栅位移传感器动极板栅极信号的处理。

（3）栅极移动过程中信号辨向的处理方法。

（4）如何运用电信号转换成测量位移值。

1.3.4关键问题的解决思路：

a.栅极的布置：

采用三极板式容栅。

为了提高精度，定栅一极与动栅多极对应，形成多路信号。

从而实现高精度测量。

b.信号处理：

各路栅极输出的信号，需通过一定的放大电路和调制电路，经整合后以脉冲数字信号输出。

c.辨向处理：

采集信号代表移动方向的变化情况。

因此，需要一路参考信号作为移动方向的标准。

对输出的两路信号通过电路进行比较分析，就可实现辨向。

d.数显处理：

通过LPC2138芯片读取计数值，然后启动程序进行相应计算显示测量结果。

1.4本章小结

容栅位移传感器作为一种新型传感器，无论是在工业生产领域还是航空航天领域都具有其开发使用的潜在价值。

在本课题研究上，提出了容栅位移传感器测量系统的许多知识点，相信读者收获斐然。

但由于作者的研究水平有限，还有很多的不足之处，希望读者谅解，同时也中肯批评指正。

2容栅位移传感器测量系统原理方案设计

容栅位移传感器是基于电容传感器的工作原理提出的设计。

通过以下分析得出容栅位移传感器测量系统设计主要围绕三大部分：

栅极板结构布局设计、信号处理电路设计、系统数显设计。

尤其是在信号处理电路设计中涉及到信号的放大、微分整形和位移的辨向非常关键。

下面就主要介绍如何提出容栅位移传感器测量方案以及各个部分原理的设计进行详细阐述。

2.1容栅线位移传感器的提出背景

由于本课题的任务要求是根据电容传感器工作原理来设计容栅线位移传感器[9]。

于是我们先从电容式传感器着手分析。

2.1.1容栅结构的提出

由物理知识得知，两块平行金属板组成的电容器，其电容值为

C=Ξs/4kπd；（2-1）

式中S—两个极板相对有效面积；

d—两个极板间的距离；

Ξ—两个极板间介质的介电常数。

于是根据其计算公式知道，Ξ、s、d参量可以导致电容值发生变化。

那么电容式传感器就可归纳为变极距型、变面积型和变介电常数型传感器。

但是由于本课题的要求是满足位移测量，所以综合考虑只能采取变面积型传感器来实现本课题设计。

在变面积式电容传感器中，单极式电容表达式简写为

C=Ξs/d（2-2）

假设初始电容值为

C0=Ξs0/d；（2-3）

其中

s0=a*L。

（2-4）

当极板之间发生相对移动△a时，传感器的电容为

C=Ξ（a-△a）*L/d（2-5）

于是可求得

△C=C0-C=Ξ△a*L/d（2-6）

其灵敏度为

△C/△a=Ξ*L/d（2-7）

所以由上述可得电容式位移传感器灵敏度为常数，线性度[10]良好。

由电容的变面积式结构图2-1可知单独的两块金属极板能够发现，我们在测量的时候只能够测得在极板宽度为a的长度范围之内，其测量局限性很大。

为了实现较小位移和较大位移的测量，我们提出了并排梳齿式的容栅结构[11]。

由于要满足其微量位移的高精度测量，我们需要将单位宽度的容栅极板进行细分。

能够引起细微变化的宽度为a的极板设置为动极板，宽度为b的极板设置为定极板如图2-2所示。

其中：

a、b—容栅极板宽度；L—容栅极板长度。

图2-1电容极板结构

图2-2容栅结构

2.1.2尖脉冲信号的提出

由U=Q/C可知电容传感器是通过电容量的变化从而引起地电压信号的变化。

本设计的研究也不例外需要对电信号的探究。

由于电容是需要高频交流信号激励才能够工作，故我们在此就以正弦信号作为激励信号。

其数字化提出的依据如下几点：

（1）我们知道模拟信号的优点是直观且容易实现。

但是在一些比较复杂的系统内，其信号传递过程中的保密性和抗干扰能力非常差。

尤其是在我们提出的容栅结构中，随着测量位移的移动，信号可能受到的扰动情况是非常大。

而数字信号就克服了模拟信号的弱电。

于是在我们设计的系统里就需要尽可能的转换成数字信号。

（2）在测量过程中，传感器的激励信号如图2-3所示。

传感器的栅极板移动过程中的输出信号如图2-4所示。

通过信号的输出形式不难发现，信号虽然幅值在发生变化，但是其频率和激励信号的频率没有发生变化。

在整个栅极板移动中，其位移量和频率存在一定的数学关系，于是我们可以从信号的频率着手。

通常频率的测量有计数法和周期法。

前面考虑到模拟信号的不稳定性，所以综合分析采用计数法测量频率。

然而信号的计数就需要涉及尖脉冲[12]或者上升沿下降沿触发计数。

参考光栅的测量系统，我们运用尖脉冲计数法计数。

图2-3输出波形

图2-4栅极板输出波形

综上所述，整个测量系统贯穿的测量信号围绕数字信号处理方向设计。

下面将具体讲述到设计方案的具体内容。

2.2容栅位移传感器测量系统的总体设计方案

在2.1中提出了容栅位移传感器的两大关键因素：

容栅结构、信号的数字化处理。

由于在直线位移测量过程中，容栅的动栅栅极板以外界实物的尺寸大小移动，通过电容耦合效应将实际物体的尺寸数据以电信号的形式输出。

信号的传导是极其微弱，而且极易受到外界干扰。

如果有效信号不能得到保护和辨识，其智能化测量是无意义的。

于是需要将微弱的信号经过合适的仪用放大器放大后利于后面的信号处理。

但是普通的信号是不能被该测量系统所利用的。

因为在测量过程中，涉及到动栅移动的方向性，这样就会导致测量的结果多变，所以为了得到正确可靠的测量结果，首先就得需要如何解决位移的辨向。

在辨向处理方法中，我们就参照光栅传感器的信号处理方法。

于是需要将放大的信号进行方波整形和微分最终得到便于识别方向性的尖脉冲信号。

在得到的尖脉冲信号之后通过触发器和可逆计数器对其信号进行捕捉。

最后将获取的计数值通过微处理器处理运算，最终得到测量的数据结果。

其总体设计思路框图如图2-5所示。

图2-5结构设计框图

2.3容栅位移传感器测量系统各单元原理设计

容栅数显卡尺动尺和定尺的结构和安装示意图如图所示。

图中动尺上排列一系列尺寸相同、宽度为l0的发射极片1,2,3⋯8,用E表示,公共接收极为R,定尺上均匀排列着一系列尺寸相同、宽度和间隙各为4l0的反射电极片M1,M2,⋯电极片间互相电绝缘。

动尺和定尺的电极片面相对,平行安装。

当发射电极片1,2,⋯8分别加以激励电压E1,E2,⋯E8时,通过电容耦合在反射极片上产生电荷,再通过电容在公共接收极上产生电荷输出。

由于本设计是微位移测量方法的研究，只要能够清晰的反应微量位移的信号变化情况，就达到了测量的目的。

为此，我们设想在移动过程中得到连续变化的信号，就采用三极板式容栅采集信号，如图2-6所示。

图2-6容栅传感器结构示意图和安装图

在设计中考虑到容栅是基于电容的基本原理。

电容具有隔断直流阻碍低频信号的作用。

于是为了提供较为稳定的测量信号，需要给极板加以稳定的正弦激励信号,其波形图如图3所示。

因此在动极板移动的过程中，正弦信号不断发生变化（幅值变化，频率不变），其检测到的信号变化过程为如图2-7所示。

图2-7发射极板的正弦激励信号

由于在接收极，我们引出了4路信号。

然而在这四路输出信号，信号没有发生太大变化，只是极板位置相对发生平移，从而导致输出信号发生相应平移，也即相位移动。

其输出情况为下图2-8所示。

图2-8容栅位移传感器移动过程中各路采集信号的输出变化情况

2.3.1输出信号的整形

由于容栅的原理是基于电容变面积式，所以容栅的输出信号推到：

U=Q/C;（2-8）

C=Ξs/4kπd；（2-9）

S=VL;（2-10）

U=（4kπdQ/ΞL）*1/V;（2-11）

U——栅极板电压；

Q——栅极板电量；

C——栅极板电容量；

S——栅极板正对面积；

d——定栅和动栅的间距；

V——测量移动速度；

L——动栅极板长度；

于是容栅位移传感器输出的电信号就与移动速度成反比例函数。

由于在测量的过程中，很难把握其拉动动栅尺的速度，导致信号放大后输出的复合波形很难定量测定。

所以通过输出的信号发现，在整个过程中，测量信号的频率始终和发射极的信号保持一致。

于是，只要能够把频率测量出来，也即可以通过频率间接对应测量的微小位移量。

在我们所学的知识中，能够易于测量频率，只需将信号转换成便于计数的信号。

于是可以从尖脉冲信号着手。

为了得到脉冲信号，需要将采集的信号经TL082整形成方波信号。

其整形后的波形如图2-9所示。

图2-9整形后的方波波形

2.3.2信号的细分处理

由检测到的信号为如上图2-9所示，为了得到测量所需的数据，就需要对采集的信号采取一定的整形措施。

为此我们可采用脉冲计数的方式进行测量。

于是，我们首先对信号放大微分整形后得到尖脉冲。

对获得的尖脉冲进行细分。

其中各通道的输出信号分别代表栅极板1、2、3、4的变化情况。

通道1与通道2信号经过与门电路1输出；通道2与通道3信号经过与门电路2输出；通道3与通道4信号经过与门电路3输出.如图2-10所示。

图2-10细分处理后的尖脉冲信号

2.3.3容栅位移传感器采集信号的辨向问题设计方案

图2-11辨向电路各点信号波形

由图2-11可知向左移时，U1//信号从一开始就是高电平，而U/信号开始为为底电平，通过或门电路Y1，可使U1//信号通过，从而触发加减控制触发器使之置“1”，实现加计数。

向右移时，U//信号开始就为高电平，而U1/信号开始为低电平，通过或门电路Y2，可使U//信号通过，从而触发加减控制触发器使之置“1”，实现减计数。

以通道1和通道2