电感式位移传感器的设计.docx

1、电感式位移传感器的设计电感式传感器测量电路设计学院：信自学姓名：xxxxx学号：13专业：自动化班级：103班2012年12月26日摘要 51.2传感器介绍 51. 3研究的基本内容，拟解决的主要问题 72.整体的方框图与工作原理 .83.各个单元电路设计 .83.1 8051单片机简介 .83. 2电感式位移传感器的基本原理 .133. 3 电感测头的结构 .153. 4 正弦波电路的设计 .163. 5零点残余电压的调整 1 83. 6交流放大电路 203. 7相敏检波电路 223. 8 A/D 转换及显示电路 284 . 软 件 部 分 的 设计 304.1本系统设计的程序流程图 .30

2、4. 2单片机8051的C语言程序清单 315、 参考文献 33摘要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

3、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了分析和相应的设计。关键词 :正弦波发生器，相敏检波，零点残余电压电感式位移传感器实例电感式位移传感器实例1 绪 论引言测量技术是实现超精加工的前提和基础。 精密加工和超精密加工过程中不仅要对工 件和表面质量进行检验，而且要检验加工设备和基础元部件的精度，如果没有权威性 的测控技术和仪器，就不能证实所达到的加工质量。加工和检测是不可分的，测量是 对加工的支持，无论多么精密的加工，都必须用更为精密的测量技术作保障。因此， 位移测量的精密和

4、超精密测量已经成为整个超精密加工体系中一项至为关键的技术。 检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分。任何生产过程都可以看作是 “物流”和“信息流”组合而成，反映物流的数量、状和趋向的信息流则是人们管理 和控制物流的依据。人们为了有目的地进行控制，首先必须通过检测获取有关信息， 然后才能进行分析判断以便实现自动控制。所谓自动化，就是用各种技术工具与方法 代替人来完成检测、分析、判断和控制工作。一个自动化系统通常由多个环节组成， 分别完成信息获取、信息转换、信息处理、信息传送及信息执行等功能。在实现自动 化的过程中，信息的获取与转换是极其重要的组成环节，只有精确及时地将被控对象 的各项参数

5、检测出来并转换成易于传送和处理的信号，整个系统才能正常地工作。因 此，自动检测与转换是自动化技术中不可缺少的组成部分。检测系统或检测装置目前 正迅速地由模拟式、数字式向智能化方向发展。带有微处理机的各种智能化仪表已经 出现，这类仪表选用微处理机做控制单元，利用计算机可编程的特点，使仪表内的各 个环节自动地协调工作，并且具有数据处理和故障诊断功能，成为一代崭新仪表，把检测技术自动化推进到一个新水平传感器介绍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

6、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。位移传感器主要有以下几种：电容式位移传达室感器、差动式电感受式位移传感器和电阻应变式位移传感器一 般用于小位移的测量（几微米至毫米） ；差动变压器用于中等位移的测量，这种传感在 工业测量中应用得最多；电阻电位器式传感器适用于较大范围位移的测量，但精度高； 感应同步器、光栅、磁栅、激光位移传感器等用于精密检测系统的位移

7、的测量，测量 精度高（可达 1pm ）量程也可大到几米。电容式位移传感器根据被测物体的位移变化转换为电容变化的一种传感器，一般用 于高频振动微小位移的测量，与电位式、电感式等多种位移传感器相比，它的优点是： 结构简单；能实现非接触测量，只要极小的输入力就能使支极板移动，并且在移动过 程中没有摩擦和反作用力；灵敏度高、分辨力强，能敏感甚至更小的位移；动态响 应好；能在恶劣环境中（高、低温，各种形式的辐射等）工作。但它也存在着一些缺 点，主要是输出特性的非线性和对绝缘电阻要求比较高，为了克服寄生电容的影响， 降低电容的内阻，要求对传感器及输出导线采取屏蔽措施和采用较高的电源频率等。光栅是一种新型的

8、位移检测元件，是把位移变为数字量的位移 - 数字转换装置。它主 要用于高精度直线位移和角位移的数字检测系统。其测量精确度高 （可达ium光栅传 感器具有抗电磁干扰、耐久性好、准分布式传感、绝对测量、尺寸小、灵敏度高、精 度高、频带宽、信噪比高等优点，是结构局部健康监测最理想的智能传感元件之一， 可以直接或间接（通过某种封装或灵巧装置）监测应变、温度、裂缝、位移、振动、 腐蚀、应力等物理量，部分取代传统的测试手段，广泛用于土木工程、航空航天工业、 船舶工业、电力工业、石油化工、核工业、医学等领域。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

9、敏度高、分辨力大，能测出甚至更小的线性位移变化 和度的角位移 , 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土 25umr50mm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。研究的基本内容，拟解决的主要问题：该智能电感测微仪的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。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

10、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。此信号经 放大，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 A/D转换器输入到单片机，经过数据处理进行显示。电感式传感器测位移时，由于线圈中 的电流不为零，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起附加误差，而且非线性误差较大； 另外，外界的干扰 （ 如电源电压频率的变化，温度的变化 ）也会使

11、输出产生误差。所以 在实际工作中常采用差动形式，这样既可以提高传感器的灵敏度，又可以减小测量误 差。两个完全相同的单个线圈的电感式传感器共用一个活动衔铁就构成了差动式电感 传感器。采用差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对外界影响，如温度的 变化、电源频率的变化等也基本上可以相互抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了 测量误差。零点残余电压也是反映差动变压器式传感器性能的重要指标。理想情况是 在零点时，两个次级线圈感应电压大小相等方向相反，差动输出电压为零实际情况是 两组次级线圈的不对称铁心的 B-H曲线的非线性，以及激励电源存在的高次谐波等因 素引起零点处UM0知。其数值约为零点几

12、毫伏，有时甚至可达几十毫伏，并且无论怎 样调节衔铁的位置均无法消除。零点残余电压的存在，使传感器的灵敏度降低，分辨 率变差和测量误差增大。克服办法主要是提高次级两绕组的对称性 （包括结构和匝数等），另外输出端用相敏检测和采用电路补偿方法，可以减小零点残余电压影响。2 整体的方框图与工作原理电感式位移传感器元件由静止的螺管线圈和可在线圈上移动的衔铁测头组成 ，它依据电磁感应原理工作.当线圈由高频电源驱动时，其两路引出端将输出两个感应电势 这些信号经信号检出电路综合后，形成在幅值及相位上随测头位置而变的电压信号 ，代 表了位移量的大小和方向此信号再经放大、滤波及整形等初步调理后，由 A/D转换器

13、转换为对应的数字量送入微控制器。微控制器对它进行信号处理、存储以及显示，获 得较高精度的测量结果，然后按系统组成态设定的输出方式，以要求的信号形式将测 量结果输出。系统的整体方框图如图1所示。图1系统的整体方框图3 各个单元电路的设计3 1 8051 单片机简介目前， 8051 单片机在工业检测领域中得到了广泛的应用，因此我们可以在许多单 片机应用领域中，配接各种类型的语音接口，构成具有合成语音输出能力的综合应用 系统，以增强人机对话的功能。89C51是Intel公司生产的一种单片机，在一小块芯片 上集成了一个微型计算机的各个组成部分。每一个单片机包括：一个 8 位的微型处理 器CPU 一个2

14、56K的片内数据存储器RAM片内程序存储器ROM四个8位并行的I/O 接口 P0-P3,每个接口既可以输入，也可以输出；两个定时器 /记数器；五个中断源的 中断控制系统；一个全双工 UART勺串行I/O 口；片内振荡器和时钟产生电路，但石英 晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率是12MHZ以上各个部分通过内部总线相 连接。下面简单介绍下其各个部分的功能。中央处理器CPU是单片微型计算机的指挥、执行中心，由它读人用户程序，并逐 条执 行指令，它是由8位算术/逻辑运算部件(简称ALu)、定时/控制部件，若干寄 存器A、B、B5w、5P以及16位程序计数器(Pc)和数据指针寄存器(DM)等主要部

15、件组 成。算术逻辑单元的硬件结构与典型微型机相似。 它具有对 8位信息进行 +、 -、 x、 / 四 则运算和逻辑与、或、异或、取反、清“ 0”等运算，并具有判跳、转移、数据传送等 功能，此外还提供存放中间结果及常用数据寄存器。控制器部件是由指令寄存器、程 序计数器Pc、定时与控制电路等组成的。指令寄存器中存放指令代码。枷执行指令时， 从程序存储器中取来经译码器译码后，根据不同指令由定时与控制电路发出相应的控 制信号，送到存储器、运算器或I /o接口电路，完成指令功能。程序计数器 Pc程序 计数器Pc用来存放下一条将要执行的指令，共 16位可对以K字节的程序存储器直 接寻址c指令执行结束后，P

16、c计数器自动增加，指向下一条要执行的指令地址。CPU功能，总的来说是以不同的方式，执行各种指令。不同的指令其功自略异。有 的指令涉及到枷各寄存器之间的关系；有的指令涉及到单片机核心电路内部各功能部件的关 系；有的则与外部器件如外部程序存储器发生联系。事实上， cRJ 是通过复杂 的时序电路完 成不同的指令功能。所谓 cRJ 的时序是指控制器控照指今功能发出一系 列在时间上有一定 次序的信号，控制和启动一部分逻辑电路，完成某种操作。一时序1 时钟电路8051片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路，XTALI和XTAL2 分别为振荡电路的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。采用

17、 内部方式时，在C1和C2引脚上接石英晶体和微调电容可以构成振荡器， 振荡频率的选择范围为1. 2 12MHZ在使用外部时钟时，XTAL2用来输入外部时钟信号，而 XTALI 接地。2时序 MGL5I单片机的一个执器周期由6个状态(s1 s6)组成，每个状态又持 续2个接荡周期，分为P1和P2两个节拍。这样，一个机器周期由12个振荡周期组成。 若米用12MHz的晶体振荡器，则每个机器周期为 1us，每个状态周期为1/6us ;在一一 数情况下，算术和逻辑操作发生在 N期间，而内部寄存器到寄存器的传输发生在 P2期 间。对于单周期指令，当指令操作码读人指令寄存器时，使从 S1P2开始执行指令。如

18、果是双字节指令，则在同一机器周期的 s4 读人第二字节。若为单字节指令，则在 51 期间仍进行读，但所读入的字节操作码被忽略，且程序计数据也不加 1。在加结束时完 成指令操作。多数 Mcs51 指令周期为 12个机器周期，只有乘法和除法指令需要两 个以上机器周期的指令，它们需 4 个机器周期。 对于双字节单机器指令，通常是在一 个机器周期内从程序存储器中读人两个字节， 但Movx指令例外，Movx指令是访问外部数据存储器的单字节双机器周期指令，在执行 Movx指令期间，外部数据存储器被访问 且被选通时跳过两次取指操作。二.引脚极其功能MCS51 系列单片机的 40 个引脚中有 2 个专用于主电

19、源引脚， 2 个外接晶振的引 脚，4 个控制或与其它电源复用的引脚，以及 32条输入输出 I/O 引脚下面按引脚功能分为 4 个部分叙述个引脚的功能。1、 电源引脚Vcc和VssVcc （40脚）：接+5V电源正端；Vss （20脚）：接+5V电源正端。2、 外接晶振引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19 脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的 输入端，这个放大器构成采用外部时钟时，对于HMO单片机，该引脚接地；对于CHOMS 单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。XTAL2（ 18 脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至片内振荡器的反相放 大器的输出端。当

20、采用外部时钟时，对于 HMO单片机，该引脚作为外部振荡信号的输 入端。对于CHMO芯片，该引脚悬空不接。3、 控制信号或与其它电源复用引脚控制信号或与其它电源复用引脚有 RST/VPD ALE/P、PSEF和EA/VPP等 4种形式。（A）. RST/VPD（ 9脚）：RST即为RESET VPD为备用电源，所以该引脚为单片机 的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期 的高电平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD+5V） 为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。（B） . A

21、LE/ P （30脚）：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存信号）以每机器周 期两次的信号输出，用于锁存出现在 P0 口的低（C） . PSEN（29脚）:片外程序存储器读选通输出端，低电平有效。当从外部程序存储器 读取指令或常数期间，每个机器周期 PESN两次有效，以通过数据总线口读回指令或常 数。当访问外部数据存储器期间，PESN言号将不出现。（D） . EA/Vpp （31脚）：EA为访问外部程序储器控制信号，低电平有效。当 EA端保持 高电平时，单片机访问片内程序存储器 4KB（M52子系列为8KB。若超出该范围时， 自动转去执行外部程序存储器的程序。当 EA端保持低电平时，无论片

22、内有无程序存储 器，均只访问外部程序存储器。对于片内含有 EPR0啲单片机，在EPROM编程期间， 该引脚用于接21V的编程电源Vppo4.输入/输出（I/O ）引脚 P0 口、P1 口、P2 口及 P3 口（A） .PO 口（39脚22脚）：统称为P0 口。当不接外部存储器与不扩展I/O接口 时，它可作为准双向8位输入/输出接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O 口时，P0 口为地址/数据分时复用口。它分时提供 8位双向数据总线。 对于片内含有EPRO啲 单片机，当EPROMS程时，从P0 口输入指令字节，而当检验程序时，则输出指令字节。（B） .P1 口（ 1脚8脚）：统称为P1 口，可作

23、为准双向I/O接口使用。对于MC52 子系列单片机，和还有第2功能：口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2;用作 定时器/计数器2的外部控制端T2EX对于EPRO编程和进行程序校验时，P0 口接收 输入的低8位地址。（C） .P2 口（21脚28脚）：统称为P2 口，一般可作为准双向I/O接口。当接有 外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2 口用于高8位地址 总线送出高8位地址。对于EPRO编程和进行程序校验时，P2 口接收输入的8位地址。（D） .P3 口（ 10脚17脚）：统称为P3 口。它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能

24、，而且P3 口的每一条引脚均可独立定义为 第1功能的输入输出或第2功能。P3 口的第2功能见下表单片机管脚含义引脚第2功能RXD（串行口输入端0）TXD（串行口输出端）INT0 （部中断0请求输入端，低电平有效）INT1 （中断1请求输入端，低电平有效）TO （时器/计数器0计数脉冲端）T1 （时器/计数器1数脉冲端）WR （部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）RD （部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）综上所述，MC51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点：1） .单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚具有第 2功能；2） .单片机对外呈3总线形式，由P2、P0 口组成16位地址总

25、线；由P0 口分时复 用作为数据总线。电感式位移传感器的基本原理根据 磁 路 的基本知识，线圈的自感可按下式计算L=N2/Rm其中N-线圈的匝数,Rm -磁路总磁阻数，在气隙厚度较小的情况下，可以认为 磁场是均匀的，其中L为线圈自感，N为各段导 磁体的磁导率线圈的电感跟气隙厚 度、气隙的面积、导磁体的长度等有关。根据改变空气隙的厚度、空气隙的面积、磁 体的长度来实现电感的变化，从而实现测量的作原理，自感式电感传感器可分为气隙 型、截面型、螺管型。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心的限制， 故

26、自由行程小。截面型具有较好的线性，自由行程较大，制造装配比较方便，但灵敏 度较低。螺管型则结构简单，制造装配容易 : 由于空气隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏 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，这给测量仪器的装配、调试、使用带来很大的方便，尤其 在使用多个测微仪组合测量形状的时候。因为螺管型的这些优点，所以我们采用螺管 型差动式电感测头。图为螺管型电感式传感器的结构图。螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动， 线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与 衔铁插入线圈的深度有关。设线圈长度为I、线圈

27、的平均半径为r、线圈的匝数为N衔铁进入线圈的长度la、 衔铁的半径为ra、铁心的有效磁导率为 卩m则线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度la的关系可表示为交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的变化转换成 电桥电路的电压或电流输出。前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥也多采用 双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻， 也可以是变压器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。图二是交流电桥的几种常用形式如 图 3 所示。电阻平衡臂电桥如图二 a 所示。 Z1、 Z2 为传感器阻抗。高 ;L1=L2=L; 则有Z1=Z2=Z=R +jw

28、L,另有R仁R2=R由于电桥工作臂是差动形式，则在工作时， Z仁Z+XZ和Z2=Z-AZ,当ZL-x时，电桥的输出电压为电感测头的结构图三是轴向式电感测头的结构图。测头 10用螺钉宁在测杆 8上，测杆 8可在钢球 导轨 7上作轴向运动。测杆上端固定在衔铁 3.线圈4放在圆筒形磁心 2中，两线圈差 动使用，当衔铁过零点上移时，上线圈电感增加，下线圈电感量减少，两线圈输出由 引线 1 接至测量电路。测量时，测头 1 0与被测物体接触，当被测物体有微小位移时， 侧头带动测杆 8 带动衔铁 3 在电感圈 4 中移动，使线圈电感值变化，通过引线接入测 量电路。弹簧 5 产生的力，保证测头与被测物体有效地

29、接触。防转销 6 限制测杆转动， 密封套 9 防止灰尘进入传感器内部。图 4 电感测头结构图正弦波发生电路的设计我设计及测试系统时，很多时候需要正弦波信号。在电感式位移传感测量电路中， 我需要一个频率和幅值都稳定的电路，否则会造成测量部稳定及很大的误差。正弦波 作为变压器的桥源，其精度对电桥的输出信号影响极大，对于其幅值和频率的稳定性 都有很高的要求。由于传感器的工作环境通常比较恶劣，窜入电源的随机干扰不可避 免，因此在电路设计中应该具有自动补偿环节。由差动电感传感器的幅频特性可知，传感器的频率选在平坦区域偏高点（提高灵 敏度），频率波动将有可能改变传感器的工作点，引起幅值的变化。而图传感器的

30、幅频 特性另一面，电路总体设计要求实现峰一峰采样，即采样频率和模拟信号频率应保持 严格的两倍关系，这两个信号频率都由标准振荡电路给出。显然，任一个信号频率的 波动都会导致采不到峰值，带来的测量误差是很大的，所以对信号源频率的要求特点 是单一稳定。对于频率单一稳定的信号发生，最理想的事石英晶体振荡器，石英的物 理特性十分稳定，而且品质因数高，选频特性好，波形失真小，在的范围内气频率的 稳定度可以达到所以电路采用了由石英晶振和 MC14060分频器构成信号源，石英晶体 振荡器产生的稳定方波信号和采样的触发信号实现峰 峰值采样以及作为进入 I/O作为读取波峰、波谷的参考信号。正弦波信号的幅值将直接影

31、响传感器的输出，为保证正弦波信号幅值的稳定性， 在电路设计上采用了稳幅电路进行自动补偿。稳幅电路的基本思路是将输出的变化量 取出，补偿到输入端。当输出增大时，补偿的作用是负反馈，使输入信号被减少，当 输出减少时，补偿的作用使输出信号增大，从而保持输出不变。在实际的测试电路中， 主要有直流比较（如图 6 所示）和交流比较（如图 7 所示）两种典型电路。在图 5 所示的直流比较电路中，输出信号经衰减和精密整流之后，与标准直流信 号进行比较，误差值经放大后去控制乘法器的放大增益，从而改变放大电路的输入幅 值，使输出稳定。这种电路由于有积分环节，当标准信号与输出有偏差时，通过积分 最后消除输出误差，所

32、以直流标准信号与交流输出之间的线性极好，其缺点是对积分 放大环节引起的波形失真没有补偿。在图六所示的交流比较电路中，输出的交流信号衰减后与给定的标准交流信号进 行比较，误差直接交流放大后与标准交流信号相加减，从而稳定输出。这种电路线路相对比较简单，由于是交流瞬时值的比较，还可补偿功率放大的波形失真，缺点是：标准交流信号与交流输出信号之间有静差，因此线性比较差。为保证正弦波的精度， 我们选择直流比较电路来提高波形精度。零点残余电压的调整对于变压器电桥，从理论来说，当 Z1=Z2 时，电桥平衡，输出电压为零，但实际制作时要满足两电感线圈的等效参数完全相等是很难达到的，因此，即便是衔铁位于 平衡位置时，任然存在有一定的电压输出，称为零点残余电压。零点残余电动势的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，也对传感器 的线性度有