1、第 1 页 共 31 页位移测量装置的设计摘要：微小位移量的测量是测试技术中一个重要的课题.本文介绍了一种基于电涡流传感器及AVR单片机于一体的控制测量单元，采用电涡流位移传感器和ATmega8535L的信号采集与处理系统,应用传感器、与单片机内部A/D 转换功能实现位移量、电信号、数字信号之间的转换，中断信号控制数据的传输，使计算机可以控制微小位移量的测量与显示,为分析数据结果提供了条件。另外电涡流传感器为多种方式的位移测量提供了一种低成本，高精确度的解决方案。关键字：电涡流传感器，ATmega8535L，A/D转换，并行传输第 2 页 共 31 页The design of the dis
2、placement measurementAbstract：Small displacement of the measurement is testing technology an important issue in this paper, which is based on eddy current sensors and AVR microcontroller integrated in the control measurement unit, using eddy current displacement sensors and ATmega8535L signal acquis
3、ition and processing systems, applications Sensors, and microcontroller internal A/D converter functions to achieve displacement, signal, digital signal between the conversion, interrupt signal control the transmission of data so that the computer can control small displacement and the measurement,
4、analysis of data results The conditions. Eddy Current sensors offer a low-cost, high-accuracy solution for many common displacement measurements.Key words: Eddy current sensor, ATmega8535L, A/D converter, parallel transmission, level translation第 3 页 共 31 页1 绪论1.1 引言21 世纪，是人类全面进入信息电子化的时代。在这个信息技术(包括计
5、算机技术、通信技术及传感器技术)高度发展的时代，如果说计算机是人的大脑，通信相当于人的神经，那么传感器就是人的器官。随着技术的进步，由各种传感器制作的测量装置已广泛地应用到各行各业，实现了对 DWS 型超精密振动-位移测量仪、纳米测量系统等。而位移测量仪基本上都离不开传感器，位移传感器有：数字电子位移传感器、光纤式位移传感器、非接触型直线位移传感器、电涡流位移传感器及基于磁场测量原理的非接触型直线位移传感器等。电子技术的飞跃进步，单片机的普及与推广，为位移测量的发展做出了贡献；高精度、简捷化、自动化的测量仪逐步出现。 电涡流传感器是一种非接触的线性化计量工具，在高速旋转机械和往复式运动机械的状
6、态分析，振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数，如：轴的径向振动、振幅，轴向位置，偏心测量及胀差测量等 1。电涡流传感器有如下特点：长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等。本设计是利用传感器、单片机实现对模拟信号的采集和模数转化，并行传输到计算机显示采集结果。1.2 国内外测试技术发展近年来国外在仪器与测量方面的研究热点和科技与工业发展对仪器及测量技术的要求越来越高，另外国外近年来在该领域的研究工作集中在传感器和信号处理上。同时测试计量领域最有代表性的时频测控技术的发展反
7、映了仪器与测量技术与现代科学技术的最新成就之间存在着极为密切的关系。 在现代工业生产加工中，越来越高的技术指标和加工精度要求有新型、快速、柔性好、能直接在生产环境中进行非破坏性产品质量检测的传感器，所以传感器是测试领域中较为关键的一部分，而位移是工业产品的重要特征参数，以往典型的测位移方法靠的是机械接触，测量时存在着很多不便，现代的测量方法以其方第 4 页 共 31 页便的安装、高精度的测量等特点替代了以往的机械接触式测量，开辟了测试技术得新时代。随着科学技术水平和工业生产的不断发展,微小位移量的检测在表面测量、材料测量、精密机械测量等众多应用领域起着越来越重要的作用。检测微小位移量,可以采用
8、接触式测量法和非接触式测量法。传统的接触式测量方法有很多局限性,如无法精确测量软质材料的高精度表面,测量结果容易出现偏差，不精确等，所以微小位移的测量一般采用非接触式测量法。随着科学技术的发展，结构简单、结果准确的测量方法涌现出来：激光数字化位移测量仪、非接触 DWS 型超精密振动-位移测量仪、基于 CPLD 的高精度位移测量电路等 2。从二十世纪七十年代以来，电涡流传感器得到迅速发展，它具有结构简单、灵敏度高、频率响应范围宽、有常驻油污等介质的影响、适用范围广、并能进行非接触测量等优点，已广泛用来测量位移、振动、厚度、转速、硬度等参数，以及用于无损探伤领域。其非接触式测量的特点使测量过程简单
9、易操作，应用越来越广泛。1.3 位移测量装置的研究目的及意义经上述介绍位移测量装置中使用的传感器多种多样，而且大多为非接触测量，在电子机械行业位移传感器可用于监视机械装置的运行情况，精密行业中也可用来检测某些物体表面的光滑平整度，甚至用于医药行业检测牙齿咀嚼度的应用，另外日常生活中位移传感器的应用也非常多，而电涡流传感器方便实用，可达到设计要求的精度，且电涡流传感器的测量属于非接触测量，这给使用和安装带来很大的方便，特别是用于测量运动的物体。他的应用没有特定的目标，没有固定的输入量，因此一切与涡流有关的因素都可以用于测量的目的。故该课题的研究步只针对位移的测量，当然在其他方面也可以应用此类装置
10、 3。 位移测量在国民经济的各个领域都是必不可少的，是工程中应用非常广泛的一个参数，因此掌握它有重要意义。由于电涡流传感器具有结构简单、体积小、频率响应宽、灵敏度高等特点，在测试技术中日益得到重视和推广应用。1.4 本设计要研究或解决的问题在目前的市场中，位移测量装置大都采用传感器作为信号采集系统，其基本原理是接收到的信号转化成电压模拟信号，进行二次放大或缩小使其满足后续电路的电压范围，模数转换，输出数字量，最后显示成图像形式方便我们观察。由此带来的问题是：因为传输的是模拟信号，易受干扰，采集的信号传输时也会出第 5 页 共 31 页现不稳定的情况，影响试验结果。因为跟随装置可以起到稳定模拟信
11、号的功能，所以可以在传感器之后加一个射极跟随器就可有效避免这一问题。另外本文要实现以下三个目标：1、稳定采集到的模拟信号及将其变换到后续电路所需要的范围保证总电路的正常工作；2、单片机实现模数转换并进行传输；3、上位机实现信号的采集及显示。1.5 论文章节分配第一章 绪论：对国内外测试技术的发展作了简要说明，并简述了位移测量的发展状况及趋势。第二章 位移测量装置的总体设计：介绍了该设计的设计要求，并对整个系统结构及各自的功能块做了总体的介绍。第三章 位移测量装置的硬件实现：详细介绍该设计主要元器件的选择及该装置的硬件设计。第四章 位移测量装置的软件设计：对单片机及计算机的工作过程进行了说明，画
12、出了部分流程图。第五章 总结与展望：整篇论文的总结。第 6 页 共 31 页2 位移测量装置的总体设计2.1 总体方案概述根据设计要求，该装置需要由六部分组成，传感器、调理电路、A/D 转换器、单片机、计算机，首先是传感器接收金属物体振动时位移的变化将它转换成电信号，对此信号调理之后（使其符合 A/D 转换器的电压输入范围），再由 A/D 转换器将电信号转换成数字信号并存储起来，最后由 VB 程序控制计算机从单片机内读取信号并显示成图像形式 4方便我们观察所设计的装置是否接收到我们期望的信号，即此设计是否合格。本着方便实用的原则选择电涡流传感器作为采集系统，它的非接触性避免了传统传感器依附在被
13、测物体上测量的缺点，使信号采集更方便。把原本单独的 A/D 电路，用 AVR 单片机内部功能实现，并通过中断实现数字信号的传输。同时，采用并行传输，利用 25 针口 378H、379H 、37AH 各管脚功能实现与计算机间的通信。系统结构框图如图 2.1 所示：传感器调理电路电平转换电路上位机单片机内置模数转换功能图 2.1 位移测量装置系统框图功能实现：1）传感器实现位移信号的转化，将位移量转化成电信号； 2）调理电路将电信号放大或缩小使其满足 A/D 转换所要求的电压范围；3）单片机实现信号的模数转换及数据的传输；4）上位机就是指计算机，计算机对单片机输出口进行不间断的检测，察看这些端口是
14、否有数据，即采用查询方式对单片机的 I/O 口实行监测。如果检测到 I/O口有数据则向单片机发出是否准备好的信号，若单片机准备好则计算机从输出口第 7 页 共 31 页读取数据；若没有准备好则一直等待。5）计算机读取信号之后经由 VB 程序控制使数据以图形的形式显示出来。总的来说，该电路完成了对金属物体振动微位移的测量、模拟量与数字量之间的转化及 PC 机通过并行口对单片机读数的功能，实现了信号的采集与处理。2.2 系统工作原理首先被测信号通过传感器部分转化为电信号。其中被测信号为金属物体振动信号：振动信号由电涡流传感器经过内部电路将物体的振动变化转换为电信号输出，从而完成将位移变换为电信号的
15、过程。然后，传感器输出的电信号经调理电路传至单片机，由单片机内部的A/D 转换单元进行处理。这部分的主要工作是将信号缩放成适合A/D 转换的电压范围，完成A/D转换，通过中断形式把信号送到单片机的输出口。最后，计算机通过查询方式从单片机读取转换后的数字信号，并由VB进行处理。除了以上两个主要功能外，上位机部分还可实现数据的更新补充，软件的调试等许多功能。第 8 页 共 31 页3 位移测量装置的硬件实现3.1 基本电路介绍位移测量装置的硬件连接电路，主要是传感器与调理单元的接口电路（信号转换单元） ，信号转换单元与单片机接口电路（信号处理单元） ，单片机输出信号经电平转换单元与计算机接口电路（
16、显示单元）三个部分。信号转换单元主要是完成将传感器测得的非电量信号（振动位移信号）转换成电信号，经稳压后由单片机对该信号进行采集、处理。信号处理单元的设计主要是完成将传感器输入的电压信号进行A/D 转换和信号传输等处理。显示单元主要是计算机读取处理后的信号，经一定的程序处理后由显示在桌面上，便于我们观测。3.2 主要元器件的选择及功能介绍3.2.1 电涡流传感器1、引言中介绍的各种位移测量仪和位移传感器测量精度较高，本课题要求设计一非接触式的金属微位移测量装置，根据设计要求选择电涡流位移传感器即可，它是一种常用的位移测量装置，其特点是：非接触测量、结构简单、频响宽、灵敏度高、分辨率高、抗干扰能
17、力强、测量线性范围大等，且成本不高 5。电涡流传感器是转换成电信号输出的非电量电测装置。它由探头（传感器） 、延伸电缆和变换器（前置器）组成，具有频响宽，线性测量范围宽，体积小，抗干扰能力强，安装使用方便，能长期连续稳定地工作等优点。它能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。是一种非接触的线性化计量工具。在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析、振动研究、分析测量中，对非接触的高精度振动、位移信号，能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数，如轴的径向振动、振幅，轴向位置，偏心测量及胀差测量等。电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、
18、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点，在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用 6 7。而测量金属物体的振动位移就是电涡流传感器的主要应用之一，由于它的非接触测量这一特点给测量金第 9 页 共 31 页属等物体的振动位移、监测机器的运转的状况等带来很大的方便，使我们在应用所设计的装置测量或监测时可在物体之外对其进行测量或监测，不用将传感器粘贴到被测物体上，省时又方便，而且电涡流传感器的选择非常宽，足以满足我们的测量需求。2、电涡流传感器的工作特点：电涡流传感器是利用金属导体中的涡流与激励磁场之间进行电磁能量传递的，因此必须有一个交变磁场的激励源（传感器线圈）
19、，即：利用电涡流效应（电涡流效应：根据电磁感应原理，当金属导体置于变化的磁场中时，由于磁通量发生变化，金属导体内就会产生涡旋状闭合的感应电流，即称电涡流）制成的 8。被测对象则以某种方式调制磁场，从而改变激励线圈的电感。从这个意义上看，电涡流传感器也是一种电感传感器，是一种特别的电传感器。这种传感技术属主动测量技术，即在测试中测量仪器主动发射能量，观察被测对象吸收（透射式）或反射式能量，不需要被测对象主动做功。前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变的磁场。当被测金属体靠近这一磁场，则在此金属表面产生感应电流。与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的
20、交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变（线圈的有效阻抗），这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。另外，输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化，电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动、温度等参数的测量。图 3.1 电涡流传感器工作原理图第 10 页 共 31 页其工作过程是：当被测金属与探头之间的距离发生变化时，探头中线圈的Q（品质因数）值也发生变化，Q 值的变化引起振荡电压幅度的变化，而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压（电流）变化，最终完成机械位移(间隙)转换成电压（电流）。由上所述，电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一半，即一个电涡流位移传感器的性能与被测体有关。根据设计任务书，要求分辨率为 1m，因此选择型号为 CWY-DO-501 的电涡流传感器，特点是：非接触式测量、结构简单、频响宽、灵敏度高、分辨率高、抗干扰能力强、测量线性范围大等 9。它的规格符合设计要求。
