毕业论文——微小位移测量系统.doc

1、摘 要电感测微仪是一种分辨率较高、工作可靠、使用寿命很长的测量仪，应用于微位移测量己有比较长的历史。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。本设计针对中原仪器厂DFG-5型峰值电感测微仪，对其电感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、交流分档放大电路、带通滤波电路、相敏检波电路、数据采集电路等进行了精确的分析和相应的设计,并提出了必要的改进措施。主要在电路的制作与调试方面，从电路的合理布局与布线、电子元器件的选择与安装、电路的调试等方面做了，并通过软件实 数据 理,使测量精度 进一 的提高的可 。通过一 的测试实 ,对 感器的性 进行了一

2、定的 。实 ，电感测微仪性 比较 定， 了制 工 ， 了数据通 理 ， 数 改 的 的。: 电感测微仪 数 生器 相敏检波 通 微小位移测量 Micrometer displacement measuring systemABSTRACTInductance micrometer is a kind of relative high resolution, reliable operation, long service life measuring instrument, has a relatively long history used in micro-displacement mea

3、surement. Domestic production of inductance micrometer to drift, work reliability is not high, high-precision range of small issues and so on. This design is based on the Central Plains Instrument DFG-5-type peak inductor micrometer. its inductance measurement circuit has been improved. The inductan

4、ce micrometers Sine-wave generating circuit, amplifier, band-pass filter circuit, phase-sensitive det- ection circuit, data acquisition circuit was redesigned base on theoretical analysis and experiment. Mainly work in the circuit fabrication and commissioning, the rational distribution and wiring f

5、rom the circuit, the selection and installation of electronic components, circuit debugging and so do, and through software for data processing, the measurement accuracy may be further improved. Through a series of test experiments, the performance of the sensor, which must be evaluated. Experiments

6、 show that inductance micrometer relatively stable performance, simplifying the manufacturing process, enhanced data communication processing capability to meet the digital transformation purposes.Key words: Inductance micrometer Microprogrammed Control Unit Digital signal generator Phase sensitive

7、detector Serial communicationcurrency1第一章 绪论1.1 国际精密加工测量技术概况精“工“作 fi工行fl的 ， 电子“的相 仪器仪 fi和微型 。，精fi工”从 一的“方 制 的要 成分。其中测量“是实 精工的提和 。fi工的过程中要对测件的量进行检测，要对检测的进行数 理， 制 ， fi工的量。位移量的的测量”成精“工的 要的 。1.2 电感测微仪及现状分析在精fi工“ 的，测量“、测量精度的不 提高 要，国内的精fi工 ， 测量“成本和 fi工成本，使 在工程实 中的 的应用，并 对 和 作的要是 要 的问题。 设计通用 、 、数 程度高的测量仪器，

8、 提高 出的 对 ，对国内有 。电感测微仪是一种 在电 感应 ，用线的 感 感 数的改变来实 非电量（主要是位移）测量的是 成本、高精度测量仪。电感测微仪具有很高的分辨率、很长的使用寿命、线性和 定性较、结构 、输出功率大、阻抗较小、抗干扰 且 、安装 、对工作 要不高， 在精fi工 非常 的应用。电感测微仪主要用于接触式测量，在精测量中既可以 独使用也可以多个 感器一起使用。 独使用时，一般用来测量 方向的微小尺寸，多个使用时一般用来测量工件和 床的个各种形 误差。在精测量中配以相应的的测量装，可以实 长度、形 、振动精等。本设计针对DFG-5型电感测微仪进行数 改 ，以 在理currenc

9、y1和实践的尝试。1.3 基于微机的测量仪表设计任务对于国内测量仪器历史和 况进行分析，对测量仪器的主要要精度要、可靠性要、经济性要。（1）精度要对于测量仪 首先具有高精度，即要测量装置 准确地测量测对象的 态和参数，这是获 高量产品的提和 。测量电路的设计与制作、运行软件都会印象整个仪器的测量精度。（2）可靠 要1微小位移测量 面向具体的工作 ，测量仪 的可靠性和安全性也必须考虑的一项要。影响仪 正常工作的 素诸 电网电压、温度、湿度、振动等外 素外，主要的内 素：电子元器件的性 和可靠性、电子元器件的安装和电路的调试、二次测量电路的设计与软件的运行。（3）经济性要面向国内的具体情况，经济性

10、也是具体要考虑的要。一个成本高 的电路难以获 的应用，希望 在满足性 要的情况fi尽量 电路，合理设计电路， 在不对器件提出过分要的情况下获 良的性 。1.4 毕业设计的内容本设计针对于国内的电感测微仪存在的普遍问题，从精度、可靠性、经济性要的角度，合理的设计电感测微仪的测量电路，希望从电路的设计、制作、调试以及软件等方面提高电感测微仪的精度、抗干扰性， 生产成本。具体的任务有：1) 电感 感器测量电路的设计制作与调试2) 数据的 理，用软件的灵活性对采集数据中的 误差和 误差进行 理3) 感器的性 分析和 第二章 电感测微仪测量电路的设计与改进2.1 电感传感器的工作原理2.1.1 电感 感

11、器的实 方式及各 的特点电感 感器是一种 在电 感应 ，用线的 感 感变 原理来实 非电量电测的 感器。 感器测头检测 测物体的位移，通过测杆带动衔铁产生移动，从 使线的电感 感 数生变 ，电感 感 再通过引线接入测量电路进行测量。当 感器用 感原理时，首先把测量的变 转 感L的变 ， 感L接入不同的测量电路就可以转换成电 输出。 感L又称电感，人们习惯称谓的电感式 感器(LVIT)就是特指这一种。当用 感原理时,主要的一种常做成差动变压器形式,这时一侧线要用固定电源激 ,它与两个二次侧线间 感M的变 可 二次侧线产生电压 输出。 它具有差动变压器的形式, 习惯称差动变压器式 感器(LVDT)

12、。 外,有用电 流原理的电 流式 感器,用压 原理的压 式 感器,用 感原理的感应同 器等。本 currency1 的就是用线的 感原理实 非电量测量的 感式 感器(LVIT)。2currency1据 路的 本 ,线的 感可 下式计 L=2mN R其中 N线的 数R 路 阻数在 度较小的情况下,可以 是 的, 路铁 , 的 阻其中 il 各 体的长度im 各 体的 率iS 各 体的 面 d 的 度0m 率s 面 ，线的电感 的 度、 的面 、 体的长度等有 。 据改变 的 度、 的面 、 体的长度来实 电感的变 ,从 实 测量的工作原理, 感式电感 感器可分 型、 面型、 型。型 面型型1一线

13、，2一铁，3一衔铁。型 感器灵敏度高，对测量电路的放大数要 ，它的点是非线性，了currency1制非线性，值范围“ 较小，于衔铁在运动方向铁的currency1制， 行程小。面型具有较的线性， 行程较大，制 装配比较方，灵敏度较 。 型 结构，制 装配fifl，于 大， 路的 阻高， 灵敏度 ，线性范围大 外，型具有 行程可任 安 、制 方等点，在量生产中的 换性较，这测量仪器的装配、调试、使用带来很大的方， 其在使用多个测微仪 合测量形 的时。 型的这 点,以们采用 型差动式电感测头。2.1.2 螺管型电感传感器的结构及工作原理分析2.1.2.1 差动式的结构及工作原理对于差动式 型 感器

14、的结构 差动式 感器结构3微小位移测量 2l = 1l ， 其”向的 度用线 下差动式线 度与位移线 :当铁的长度0.6L时, 铁工作在H线的 , 时”向的 度变 小， 。 铁向其中一个线移动 clD 时, 线的电感 fi 1lD ，一个线的电感 2lD , 1lD 和 2lD 大小相等，相,其值以 感器的差动输出：式 :1 差动式比 线式其灵敏度提高了一;2 要提高灵敏度,应使线与铁尺寸比值 cll 和 r cr 尽量小，一方面尺 cll 向于1时,可 ， 感器的非线性误差会 fi 3 选用铁的 率产，大的也可以提高灵敏度 4 LLD 与 CCllD成正比。 测量与 clD ，成正比, LD

15、 与测量也成正比。实 , 于 度分布的不 性,输入量与输出量 间的 是非线性的。采用差动式结构,了可以改 非线性、提高灵敏度 外,对电源电压、率波动以及温度变 等外影响也有 作用,从 可以提高测量精度。差动式电感侧头的结构主要：它主要测头10、衔铁3、以及两个电 参数和 路全相同的线2和4 成。测头10与测物体接接触,当测物体产生微小的位移时,测头10通过测杆8带动衔铁在电感线2和4中产生移动,使其中一个线的电感 fi,一个线的电感,形成差动结构。其中9 外 ,7 ,1引线,5使测杆 位的 。1 电感测量头的结构等 电路，其中R c 线的内阻，re和Rh 分 电感线的 流 ，C电fi 了线的f

16、i抗，激电源的工作率 要考虑 问题。两电感线的阻抗：Z=R+jL，其中 |e h cR r R R= + 。测量电路中，常用的是变压器电 。 3，它从变压器的中头，把次 分4currency1两个 接入是电 成对称的两 ，当次 线来 个电感 数相同时U1=U2= 2U 。当两线间的衔铁生位移的时电感 数变 ，电压差U。电感线的角率，在位置的电感量L， 在输出的值电感线等 电路 变压器电 电 电源的值和率接影响 感器的。 ,电感 感器激电源的量对整个测量的 定性和精度是很 的。2.2 电路总体设计电感 感器的测量电路主要 正弦波生成电路、变压器电 、交流放大电路、滤波器A/D采 电路、工/0及计

17、 分， 。DDS 数 生器产 生率 定的正弦 波 ， 经过 通滤波，滤其中的高 波并且起 放大的作用，作激电源 变压器电。当测量头检测工件使测杆产生微位移时，电 改变，作激电源提 变压器电。当测头检测工件使测杆产生微位移时,电 改变,输出 有检测工件位移 的正弦调波, 经分档、交流放大、带通放大， 入 数转换器，进入MCU 输 计 进行进一 的 理。2.3 正弦波发生电路的设计2.3.1 DDS构成激 源的量对整个 的 定性和精度 要。采用有源振和AD9850构成的 源，可以再 精度的提下，使时源有较大的灵活性。体的物理特性分 定， 在生产的体的率 定度可 30ppm.在-30度70度的 较高

18、的 定性。AD9850是AD 司生产的高时125 MHz、采用先进的CMOS“的接率合成器，主要可编程DDS 、高性 数变换器（DAC）和高速比较器3分构成， 实 全数 编程制的率5MSP430f169LF356置放大 相敏检波电路 VCA810可放大AD9850DDS正选生器测量头相移电路制数据输出器DA制 通滤波器AD微小位移测量 合成。 。 AD9850内结构AD9850内 可编程DDS 和高速比较器，可实 全数 编程制的率合成。可编程DDS 的核是相位累fi器，一个fi器和一个N位相位寄存器 成，N 一般2432。每来一个外参考时，相位寄存器以 长M递fi。相位寄存器的输出与相位制相f

19、i可输入 正弦查询 地址。正弦查询 一个正弦波周期的数 度 ，每一个地址对应正弦波中0360范围的一个相位点。查询 把输入地址的相位 射成正弦波度 ， 驱动DAC 输出 拟量。相位寄存器每过2N/ M 个外参考时返回 初始 态一次，相应地正弦查询 每经过一个循 也回 初始位置，从 使整个DDS 输出一个正弦波。输出的正弦波率fout = M*fc/ 2的N次方（fc 外参考时率）。AD9850 采用32 位的相位累fi器将 成14 位输入 正弦查询 ，查询 的输出再 成10 位输入 DAC ，DAC 再输出两个 的电流。DAC 满量程输出电流通过一个外接电阻RSET调，典型值3.9。将DAC的

20、输出经 通滤波接 AD9850 内的高速比较器即可接输出方波。在125MHz 的时下，32 位率制 可使AD9850 输出率分辨率 0. 0291Hz 。2.3.2制方式D9850有40 位制 ，32 位用于率制（ 32位），5 位用于相位制，1 位用于电源休眠( Powerdown) 制，2位用于选择工作方式。这40 位制 可通过并行 行方式输入 AD9850 。在并行装入方式中，通过8 位 线D0 D7将数据输入 寄存器，在W - CL K 的升装入8位数据，并把指针指向下一个输入寄存器，在 5 次 再在FQ - UD 升把40位数据从输入寄存器装入 率/ 相位数据寄存器(新DDS 输出率

21、和相位) ，同时把地址指针 位 第一个输入寄存器。AD9850的 位(RESET) 高电有 ，且脉宽度不小于5个参考时周期。AD9850的参考时率一般远高于 的时率（小厮用 89C51，使用12M振）， AD9850的 位(RESET)可与 的 位接相连。6currency12.4 可控增益放大模块放大 块LF356 成的置放大 块和VCA810 成的可 益放大 块 成。VCA810是流耦合宽带连可变电压制 益放大器。它提 了差分输入 输出转换，用来改变高阻抗的 益制输入超过- 40DB 益+40 dB的范围内成dB/ V的线性变。在电源电压5V的情况下，将调整VCA810的 益制电压在0V输

22、入- 40DB 益在-2V输入 +40 dB。 益制线 。通过 带的12内置DA，可以实 80d 0.01953125dB4096dB= =V 的 进 益制。出色的共 抑制，并在两个高阻抗输入的共 输入范围允许VCA810提 差分接收器的作与 整。以地参考的输出 。零差分输入电压 出了一个很小的流偏移误差 0V输出。 输入噪声电压 确 在高 益设置输出 噪比。在实 应用中脉的 是 要的和正在使用的VCA810以 不同的 道 ，群延迟变 小 益设置将 留秀的脉边 。VCA810压放大电路2.5 相敏检波2.5.1相敏检波原理相敏检波电路是具有鉴 调制 相位和选 的检波电路。相敏检波电路 鉴 调制

23、 相位，从 辨 测量的变 方向，同时相敏检波电路具有选的 ，从 提高测 的抗干扰 。从电路结构来看相敏检波电路的主要特点是，了 的调 外，要输入一个参考 。有了参考currency1就可以用来鉴 输入 的的相位和率。相敏检波电路与滤波器配合可将条波原成原 波形，起 调作用。调制与调过程（波形转换）的过程。7微小位移测量 了使相敏检波器 共正常工作，其参考电压Ur与测量currency1电压Ux应满足一下几个条件1.率特征：调制 与参考 必须全相同2.度特征：UrUx,在实 的应用中10，率距离越远络的特性越，并且方滤波器设计。3.相位条件：是同向 向，这一点 不 尊谁，相敏检波器 工作，性 会有一定影响。通滤波电路了消高噪声，对放大的 进行滤波，滤波器的的止率正弦波的载波率，电路设计采用2.6 MSP430F169核心控制系统制 MSP430F169 核， 了 位、时电路和 输入外围电路。MSP430F16x 是超 功 Flash型16位RISC指令集 。它采用“冯-纽曼“结构，RAM、ROM和全外围 块都位于同一个地址 间内。MSP430F16x 的设计结构全以8