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 件实现数据处理 ,使测量精度得到进一步的提高 的可能

2、 。通过一系列的测试实验 ,对传感器的性能进行了一定的评价。实验表明 ， 电感测微仪性能比较稳定 ， 简化了制造工艺，增强了数据通信处理能力， 达到数字化改造的目的。 关键词 : 电感测微仪 ；单片机； 数字信号发生器 ； 相敏检波 ； 串口通信 微小位移测量系统 Micrometer displacement measuring system ABSTRACT Inductance micrometer is a kind of relative high resolution, reliable operation, long service life measuring instrume

3、nt, has a relatively long history used in micro-displacement measurement. 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. it

4、s inductance measurement circuit has been improved. The inductance 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 fabri

5、cation and commissioning, the rational distribution and wiring from 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

6、 performance of the sensor, which must be evaluated. Experiments 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； Micr

7、oprogrammed Control Unit； Digital signal generator； Phase sensitive detector； Serial communication绪论 - 1 - 第一章 绪论 1.1 国际精密加工测量技术概况 精密技工技术作为机械加工行业的尖端领域，随着电子技术的发展相关仪器仪表更加智能化和微型化。 目前，精密加工已从单一的技术方法发展为智能制造系统的最重要组成部分。其中测量技术是实现精密工的前提和保证。加工的过程中要对被测件的质量进行检测，还要对检测的信号进行数字化处理，反馈到控制系统，保证加工的质量。位移量的的测量已成为 精密技工系统的至

8、关重要的环节。 1.2 电感测微仪及现状分析 在精密加工技术迅猛发展的今天，测量技术水平、测量精度的不断提高显得尤为重要，而国内的精密加工现状，如何降低测量技术成本和降低加工成本，使之能够在工程实际中的到更广泛的应用，并降低对环境和操作水平的要求是目前需要解决的问题。因此设计通用想好、价格便宜、数字化程度高的测量仪器，避免单纯提高而付出的昂对代价，对国内更有意义。 电感测微仪是一种建立在电磁感应基础上，利用线圈的自感或者互感系数的改变来实现非电量（主要是位移）测量的是低成本、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、线性和稳定性较好、结构简单、输出功率大 、阻抗较小、抗干扰能

9、力强且价格便宜、安装简单、对工作环境要求不高，因此在精密加工领域得到非常广泛的应用。 电感测微仪主要用于接触式测量，在精密测量中既可以单独使用也可以多个传感器一起使用。单独使用时，一般用来测量单方向的微小尺寸，多个使用时一般用来测量工件和机床的个各种形状误差。在精密测量中配以相应的的测量装，可以实现长度、形状、振动精密等。 本设计针对 DFG-5 型电感测微仪进行数字化改造，以达到在理论和实践上的尝试。 1.3 基于微机的测量仪表设计任务 对于国内测量仪器发展历史和发展状况进行分析，对测量仪器的主要要求为精度要求、可靠性要求、经济性要求。 （一） 精度要求 对于测量仪表首先具有高精度，即要求测

10、量装置能准确地测量被测对象的状态和参数，这是获得高质量产品的前提和基础。测量电路的设计与制作、运行软件都会印象整个仪器的微小位移测量系统 - 2 - 测量精度。 （二） 可靠想要求 面向具体的工作环境，测量仪表的可靠性和安全性也必须考虑的一项要求。影响仪表正常工作的因素诸如电网电压、温度、湿度、振动等外部因素外，主要的内部因素：电子元器件的性能和可靠性、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。 （三） 经济性要求 面向国内的具体情况，经济性也是具体要考虑的要求。一个成本高昂的电路难以获得广泛的应用，希望能在满足性能要求的情况加尽量简化电路，合理设计电路，能在不对器件提出

11、过分要求的情况下获得良好的性能。 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、经济性要求的角度，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，降低生产成本。 具体的任务有： 1) 电感传感器测 量电路的设计制作与调试 2) 数据的处理，利用软件的灵活性对采集数据中的随机误差和系统误差进行处理 3) 传感器的性能分析和评价 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 电感传感器的实现方式及各自的特点 电感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变

12、化原理来实现非电量电测的传感器。传感器测头检测到被测物体的位移，通过测杆带动衔铁产生移动，从而使线圈的电感或互感系数发生变化，电感或互感信号再通过引线接入测量电路进行测量。当传感器用自感原理时，首先把被测量的变 化转化为自感 L 的变化，自感 L 接入不同的测量电路就可以转换成电信号输出。自感 L 又称电感，人们习惯上称谓的电感式传感器 (LVIT)就是特指这一种。当用互感原理时 ,主要的一种常做成差动变压器形式 ,这时一侧线圈要用固定电源激磁 ,它与两个二次侧线圈间互感 M 的变化可导致二次侧线圈产生电压信号输出。因为它具有测量电路的设计与改进 - 2 - 差动变压器的形式 ,故习惯上称为差

13、动变压器式传感器 (LVDT)。此外 ,还有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 ,利用互感原理的感应同步器等。本文论述的就是利用线圈的自感原理实现非电量测量的自感式传 感器 (LVIT)。 根据磁路的基本知识 ,线圈的自感可按下式计算 L= 2mNR其中 N 线圈的匝数 R 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 ,若忽略磁路铁损 ,则总的磁阻为其中 il 各段导磁体的长度 i 各段导磁体的磁导率 iS 各段导磁体的截面积 空气隙的厚度 0 真空磁导率 s 空气隙截面积 因此，线圈的电感跟空气隙的厚度、空气隙的面积、导磁体的长度等有关。根据改变空

14、气隙的厚度、空气隙的面积、磁体的长度来实现电感的变化 ,从而实现测量的工作原理 ,自感式电感传感器可分为气隙型、截面型、螺管型。 气隙型 截面型 螺管型 1 一线圈， 2 一铁心， 3 一衔铁。 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

15、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。 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 绪论 - 3 - 对于差动式螺管型传感器的结构如图 图 差动式传感器结构 若 2l =1l ，则其沿轴向的磁场强度为 用曲线表示如下 图 差动式线圈磁场强度与位移 由曲线表明 :当铁芯的长度取为 0.6L时 ,则铁芯工作在 H曲线的拐弯处 ,此时沿轴向的磁场强度变化小，认为磁场均匀。若铁芯向其中一个线圈移动 cl 时 ,则该线圈的电感增加 1l ， 而另一个

16、线圈的电感减少 2l ,则 1l 和 2l 大小相等 ， 符号相反 ,其值为 所以传感器的差动输出为 ： 由上式表明 : 1 差动式比单线圈式其灵敏度提高了一倍 ; 2 要提高灵敏度 ,应使线圈与铁芯尺寸比值 cll 和 rcr 尽量小，但另一方面尺 cll 趋向于 1 时 ,由图 可知，传感器的非线性误差会增加 ； 3 选用铁芯的导磁率产 ， 大的材料也可以提高灵敏度 ； 4 LL 与 CCll 成正比。 若被测量与 cl ， 成正比 ,则 L 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 ,输入量与输出量之间的关系是非线性的。 采用差动式结构 ,除了可以改善非线性、提高灵敏度

17、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。 螺旋管差动式电感侧头的结构主要由： 它主要由测头 10、衔铁 3、以及两个电气参数和磁路完全相同的线圈 2 和 4 组成。测头 10 与被测物体直接接触 ,当被测物体产生微小的位移时 ,测头 10 通过测杆 8 带动衔铁在电感线圈 2 和 4 中产生移动 ,使其中一个线圈的电感增加 ,另一个线圈的电感减少 ,形成差动结构。其中 9 为防尘外罩 ,7 为滚珠导轨 ,1 为引线 ,5 为使测杆复位的弹簧。 图 1 电感测量头的结构 等效电路示，其中 R c 拜师铜线圈的内阻， re 和 Rh 分别表示电感线

18、圈的涡流损耗 ， C 电容测量电路的设计与改进 - 4 - 反映了线圈的容抗，激励电源的工作频率需要考虑该问题。两电感线圈的阻抗为： Z=R+j L，其中 |e h cR r R R。 测量电路中，最常用的是变压器电桥。如图 3 所示，它从变压器的中心抽头，把次级分为两个绕组接入是电桥成为对称的两臂，当次级线圈来那个电感系数相同时 U1=U2= 2U 。 当两线圈间的衔铁发生位移的时候电感系数变化，电压差 U。电感线圈的角频率，在某位置的电感量为 L，则在输出端的值为 电感线圈等效电路 变压器电桥 电桥电源的幅值和频率直接影响传感器的。因此 ,电感传感器激励电源的质量对整个测量系统的稳定性和精

19、度是很关键的。 2.2 电路总体设计 电感传感器的测量电路主要包括正弦波生成电路、变压器电桥、交流放大电路、滤波器A/D 采样电路、工 /0 及计算机部分，如图 所示。 由 DDS 数字信号发生器产生频率稳定的正弦波信号，然后经过低通滤波，滤除其中的高频杂波并且起到缓冲放大的作用，作为激励电源供给变压器电桥。当测量头 检测工件使测杆产生微位移时 ， 电桥平衡改变 ， 作为激励电源提供给变压器电桥。 当测头检测 工件使测杆产生微位移时 ,电桥平衡改变 ,输出含有被检测工件位移信息的正弦调幅波 ,信号经分档、交流放大、带通放大后， 送入到模数转换器 ，进入 MCU 然后传输到计算机进行进一步的处理

20、。 2.3 正弦波发生电路的设计 2.3.1 DDS 构成 激励信号源的质量对整个系统的稳定性和精度至关重要。采用有源石英晶振和 AD9850构成 的信号源 ，可以再保证精度的前提下，使时钟源有较大的灵活性 。石英晶体的物理特性十分稳定，现在生产的石英晶体的频率稳定度可达 30ppm.在 -30 度 70 度的仍能保持较高的稳定M S P 4 3 0 f 1 6 9L F 3 5 6 前 置 放 大 相 敏 检 波 电 路 V C A 8 1 0 可 控 放 大A D 9 8 5 0D D S 正 选 发 生 器测 量 头相 移 电 路显 示 控 制数 据 输 出 串 口减 法 器D A控 制

21、 按 键低 通 滤 波 器A D绪论 - 5 - 性。 AD9850 是 AD 公 司生产的最高时钟为 125 MHz、采用先进的 CMOS 技术的直接 频率 合成器，主要由可编程 DDS 系统、高性能模数变换器（ DAC）和高速比较器 3 部分构成，能实现全数字编程控制的 频率 合成。 如 图所示。 图 AD9850 内部结构 AD9850 内含可编程 DDS 系统和高速比较器，可实现全数字编程控制的频率合成。可编程 DDS 系统的核心是相位累加器，由一个加法器和一个 N 位相位寄存器组成， N 一般为 2432。每来一个外部参考时钟，相位寄存器便以步长 M 递加。相位寄存器的输出与相位控制

22、字相加后可输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个地址对应正弦波中 0 360范围的一个相位点。查询表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动 DAC 输出模拟量。 相位寄存器每过 2N/ M 个外部参考时钟后返回到初始状态一次，相应地正弦查询表每经过一个循环也回到初始位置，从而使整个 DDS 系统输出一个正弦波。输出的正弦波 频率 fout = M*fc/ 2 的 N 次方 （ fc 为外部参考时钟 频率 ） 。 AD9850 采用 32 位的相位累加器将信号截断成 14 位输入到正弦查询表，查询表的输出再被截 断成 10 位后输入到 DAC ，

23、DAC 再输出两个互补的电流。 DAC 满量程输出电流通过一个外接电阻 RSET 调节，典型值 3.9。将DAC 的输出经低通滤波后接到 AD9850 内部的高速比较器上即可直接输出方波。在 125MHz 的时钟下 ， 32 位 频率 控制字可使 AD9850 输出频率分辨率达 0. 0291Hz 。 2.3.2 控制方式 D9850 有 40 位控制字， 32 位用于 频率 控制（低 32 位）， 5 位用于相位控制， 1 位用于电源休眠 ( Powerdown) 控制， 2 位用于选择工作方式。这 40 位控制字可通过并行或串行方式输入到 AD9850 。在并行装入方式中，通过 8 位 总

24、线 D0 D7 将数据输入到寄存器，在W - CL K 的上升沿装入 8 位数据，并把 指针 指向下一个输入寄存器，在重复 5 次之后再在FQ - UD 上升沿把 40 位数据从输入寄存器装入到 频率 / 相位数据寄存器 (更新 DDS 输出频率和相位 ) ， 同时把地址指针复位到第一个输入寄存器。 AD9850的复位 (RESET) 信号为高电平有效，且脉冲宽度 不小于 5个参考 时钟周期 。 AD9850的参考时钟 频率 一般远高于单片机的时钟频率（小厮所用为单片机 89C51，使用 12M 晶振）， 因此 AD9850的复位 (RESET)端可与单片机的复位端直接相连。 测量电路的设计与

25、改进 - 6 - 2.4 可控增益放大模块 放大模块由 LF356 组成的前置放大模块 和 VCA810 组成的可控增益放大模块组 成。 VCA810 是直流耦 合宽带连续可变电压控制增益放大器。它提供了差分输入单端输出转换， 用来改变高阻抗的增益控制输入超过 - 40DB增益至 +40 dB的范围内成 dB/ V的线性变化。在电源电压为 5V的情况下， 将调整为 VCA810 的增益控制电压在 0V输入 - 40DB增益在 -2V输入到 +40 dB。 增益控制 曲线 如前如图 所示。 通过单片机所带的 12 为内置 DA，可以实现80d 0 .0 1 9 5 3 1 2 5 d B4096

26、dB 的步进增益控制。 出色的共模抑制，并在两个高阻抗输入的共模输入范围 允许 VCA810 提 供差分接收器的0V在实际应用中 脉冲前沿的信息是至关重要的 和正在使用的 VCA810 以平衡不同的信道损耗， 群延迟变化最小增益设置将保留优秀的脉冲边沿信息 。 图 VCA810 压控放大电路 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别调制信号相位和选频能力的检波电路。 相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而辨别被测量的变化方向，同时相敏检波电路还具有选 频的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。从电路结构来看相敏检波电路的主要特点是，除了所需的解调信号外，还要输入一个参考

27、信号。有了参考限号就可以用来鉴别输入信号的的相位和频率。相敏检波电路与滤波器配合可将条幅波还原成原信号波形，起到解调作用。 调制与解调过程（波形转换） 的过程。 绪论 - 7 - 为了使相敏检波器能共正常工作，其参考电压 Ur 与测量限号电压 Ux应满足一下几个条件 1.频率特征：调制信号 与参考信号必须完全相同 2.幅度特征： UrUx,在实际的应用中至少 10 倍，频率距离越远包络的特性越好，并且方便滤波器设计。 3.相位条件：最好是同向或者反向，这一点若不能严格尊谁，相敏检波器仍能工作，但性能会有一定影响。 低通滤波电路 为了消除高频噪声，对放大后的信号进行滤波，滤波器的的截止频率为正弦波的载波频率，电路设计采用 2.6 MSP430F169 核心控制系统 控 制系统由 MSP430F169 单片机为核心，包括了复位、时钟电路和按键输入外围电路。 MSP430F16x系列是超低功耗 Flash 型 16 位 RISC 指令集单片机。它采用 “冯 -纽曼 “结构， RAM、ROM 和全部外围模块都位于同一个地址空间内。 MSP430F16x 单片机的设计结构完全以系统低