基于电感传感器的微位移测量系统设计.docx

1、基于电感传感器的微位移测量系统设计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

2、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0.10.5mm； 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

3、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

4、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。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

5、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

6、感式传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕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0.1m），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。

7、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

8、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。3.3相敏检波电路设计 相敏检

9、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

10、，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。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

11、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，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：2.56.0V；递增/递减串行接口；电阻值：10k，50k和100k；有PDIP,SOIC,TSSOP和MSOP封装。3.5 A/D转换电路模块A/D转换器选择的是ADC0804ADC0804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

12、：100US总误差：正负1LSB工作温度：ADC0804LCN-070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，

13、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A/D转换器在满足一定条件时开始一个转换过程，这个条件是在实现片选等于零的前提下，引脚上出现一个上升沿。实现片选以后，使用一个写信号就可以启动一个转换过程，包括延迟时间和转换时间。（3）读取转换结果：在A/D转换结束后，ADC0804的引脚将给出一个低脉冲，如果把这个引脚直接连接到单片机的外部中断引脚P3或P4，这个低脉冲将引起单片机中断，单片机可以在中断处理程序中读取ADC0804的A/D转换结果。各个引脚的大致功能如下：/CS：

14、芯片片选信号，低电平有效，即/CS=0,该芯片才能正常工作，在外接多个ADC0804芯片时，该信号可以作为选择地址使用，通过不同的地址信号使能不同的ADC0804芯片，从而可以实现多个ADC通道的分时复用。/WR:启动ADC0804进行ADC采样，该信号低电平有效，即/WR信号由高电平变成低电平时，触发一次ADC转换。/RD:低电平有效，即/RD=0时，可以通过数据端口DB0DB7读出本次的采样结果。UIN（+）和UIN（-）：模拟电压输入端，模拟电压输入接UIN（+）端，UIN（-）端接地。双边输入时UIN（+）、UIN（-）分别接模拟电压信号的正端和负端。当输入的模拟电压信号存在“零点漂移

15、电压”时，可在UIN（-）接一等值的零点补偿电压，变换时将自动从UIN（+）中减去这一电压。VREF/2：参考电压接入引脚，该引脚可外接电压也可悬空，若外界电压，则ADC的参考电压为该外界电压的两倍，如不外接，则Vref与Vcc共用电源电压，此时ADC的参考电压即为电源电压Vcc的值。CLKR和CLKIN：外接RC电路产生模数转换器所需的时钟信号，时钟频率CLK=1/1.1RC，一般要求频率范围100KHz1.28MHz。AGND和DGND：分别接模拟地和数字地。/INT:中断请求信号输出引脚，该引脚低电平有效，当一次A/D转换完成后，将引起/INT=0，实际应用时，该引脚应与微处理器的外部中

16、断输入引脚相连（如51单片机的INT0,INT1脚），当产生/INT信号有效时，还需等待/RD=0才能正确读出A/D转换结果，若ADC0804单独使用，则可以将/INT引脚悬空。DB0DB7：输出A/D转换后的8位二进制结果。程序如下：#include#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ad0_7 P0 /AD数据口sbit cs=P10; /芯片选择信号,控制芯片的启动和结果读取,低电平有效sbit rd=P11; /读数据控制,低电平有效sbit wr=P12; /AD转换起动控制,上升沿

17、有效sbit intr=P13; /AD转换结束输出低uchar led10=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90; /5ms延时子程序/void delay(uint i) uint j; for(;i0;i-) for(j=0;j410;j+);/启动AD转换子程序/void start_ad(void) cs=0; /允许进行A/D转换 wr=0;_nop_();wr=1; /WR由低变高时,AD开始转换 while(intr); /查询转换结束产生INTR 信号(低电平有效) cs=1; /停止AD转换/读A/D数据子程序/

18、read_ad() uint ad_data; ad0_7=0xff; cs=0; /允许读 rd=0; /读取转换数据结果数据结果 _nop_(); ad_data=ad0_7; /把数据存到ad_data中 rd=1;cs=1; /停止A/D读取 return(ad_data);/数据处理与显示子程序/说明:当输入电压为5V时,A/D输出为FFH,即输入电压=AD数据*(5/255)=AD数据/(255/5)=AD数据/51/ 用四位数码管进行显示,数码管的AH接于P3口,公共端从最低位是P2.0,最高位是P2.3void data_shout(uint ad_data) uint a=5

19、0,one,two,three,four;four=ad_data/51; /第四位数码管(最高位)three=ad_data%51*10/51; /第三位数码管two=ad_data%51*10%51*10/51; /第二位数码管one=ad_data%51*10%51*10%51*10/51; /第一位数码管(最低位)while(a-) P3=ledone;P2=0xfe;delay(1);P3=ledtwo;P2=0xfd;delay(1);P3=ledthree;P2=0xfb;delay(1);P3=ledfour-0x80; /显示小数点P2=0xf7;delay(1);int m

20、ain(void) while(1) start_ad(); /启动ADdata_shout(read_ad(); /读AD数据并显示3.6 单片机模块AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字

21、节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 AT89S52各引脚的功能如下： P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它

22、可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输

23、出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 单片机AT89S52引脚图如下所示：3.7 LCD显示模块液晶显示器（Liquid C

24、rystal Display,LCD）是一种用液晶材料制成的显示器件。液晶显示器具有体积小、重量轻、功耗低（每平方厘米几微瓦到几十微瓦）、字迹清晰、寿命长、光照超强对比度越大等突出特点，以被广泛地应用于各种仪器仪表、低功耗系统、终端显示等方面，尤其是在便携式仪器设备中更显示出其独特的优势。显示模块我们选择的是LCM 1H12864M。主要技术参数和显示特性:电源：VDD3.3V+5V(内置升压电路，无需负压)；显示内容：128列64行显示颜色：黄绿显示角度：6：00钟直视LCD类型：STN与MCU接口：8位或4位并行/3位串行配置LED背光LCD12864引脚定义如下： VSS - 模块的电源

25、地 VDD - 模块的电源正端 V0 - LCD驱动电压输入端 RS(CS) 并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号 R/W(SID) 并行的读写选择信号；串行的数据口 E(CLK) 并行的使能信号；串行的同步时钟 DB0 DB7 数据0 数据7 DB1 H/L 数据1 DB2 H/L 数据2 DB3 H/L 数据3 DB4 H/L 数据4 DB5 H/L 数据5 DB6 H/L 数据6 PSB H/L 并/串行接口选择：H-并行；L-串行 NC 空脚 /RET H/L 复位低电平有效 BLA （LED+5V） 背光源正极 BLK （LED-OV） 背光源负极3.8 无线传输模块无线数据传输

26、系统一般由无线数据传输的发射系统、无线数据传输接收系统、处理系统、执行机构构成。其发射系统由可编程的集成芯片及外围电路构成;接收系统由检波放大整形电路及无线数据传输接收芯片构成;处理系统由单片微处理机芯片及外围电路构成。主要芯片均系无线数据传输专用集成芯片。由无线数据传输发射系统输出的信号是经高频调制后的二进制高频编码脉冲串,它由起始码及信息码构成。这种发送方式具有下述优点:无线数据传输脉冲宽度稳定且不会由于数据的内容而改变功率消耗;采用高频调制的无线数据传输信号抗干扰能力强,使无线数据传输信号易于分离和区别;已调脉冲列可用一个窄带接收器进行接收,可提高无线数据传输系统的抗干扰能力;在高频下间

27、隔进行开关,可减小消耗功率。nRF905是工作于433/868/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道的单片射频收发器，它由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，ShockBurstTM工作模式，自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。发送部分/*/写发射数据命令:20H/读发射数据命令:21H/写发射地址命令:22H/读发射地址命令:23H /读接收数据命令:24H*/#inc

28、lude #define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit TXEN = P27; /配置口定义567/sbit TRX_CE = P26;sbit PWR = P25;sbit MISO = P22; /SPI口定义0123/sbit MOSI = P23;sbit SCK = P21;sbit CSN = P20;sbit DR = P24; /状态输出口4/sbit led=P10;/*/*RF寄存器配置*/*/ 0x00, /配置命令/ 0x6C, /CH_NO,配置频段在433.2MHZ/ 0x0E, /输出功率为10d

29、b,不重发，节电为正常模式/ 0x44, /地址宽度设置，为4字节/ 0x03,0x03, /接收发送有效数据长度为3字节/ 0xE7,0xE7,0xE7,0xE7,/接收地址,16位CRC校验，外部时钟信号使能，16M晶振/UP_CLK输出1MHZ频率/ 0xDE, /CRC充许/*/*uchar code RFConf11=0x00,0x6c,0x0e,0x44,0x03,0x03,0xe7,0xe7,0xe7,0xe7,0xde;*/uchar RFConf11=0x00, /配置命令/0x4c, /CH_NO,配置频段在423MHZ0x0C, /输出功率为10db,不重发，节电为正常模

30、式0x44, /地址宽度设置，为4字节0x02,0x02, /接收发送有效数据长度为32字节0xCC,0xCC,0xCC,0xCC, /接收地址0x58, /CRC充许，8位CRC校验，外部时钟信号不使能，16M晶振;void delay(uint z)uint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);void SpiWrite(uchar date) /用SPI口写数据至NRF905内/uchar i;for(i=0;i8;i+)delay(1);SCK=0;MOSI=(date&0x80);date=1 ;delay(1);SCK=1;delay(1);SCK=0;SCK=0;void TxPacket(void)/