【正文】 ................................. 46 存儲器模塊 ............................................................................................. 47 外部通訊模塊 ......................................................................................... 47 結論 ........................................................................................................................... 49 致謝 ........................................................................................................................... 50 參考文獻 ................................................................................................................... 51 附錄 1 ........................................................................................................................ 53 附錄 2 ........................................................................................................................ 57 附錄 3 ........................................................................................................................ 66 5 第 1章 緒論 課題背景 及來源 機械零件的形位誤差和尺寸誤差參數 [1]對產品的使用性能有著重要的影響 ，在進行檢測 時，傳統(tǒng)方法是采用機械式量規(guī)、卡尺、千分尺和千分表等量具進行測量。但是傳統(tǒng)方法的測量功能單一、測量誤差較大、并且無法對測量數據直接進行計算機處理更談不上智能化。 電子柱量儀是一種 用長度尺寸的相對法精密測量的測量儀器 ， 特別對圓度、平行度、垂直度等微小變動量的測量極為有用。 主要用 于機械 制造、 加工及各種檢測 中 。在精密機械制造業(yè)、汽車拖拉機業(yè)、紡織業(yè)以及國防和科研等方面的精密測量中有著廣泛地應 用 。但是 目前國內的電子柱量儀存在數字化程度低、無超差報警、儀器功能擴展性差等不足，不能實現(xiàn)快速測量，越來越不能滿足現(xiàn)代工業(yè)生產、制造及檢測要求。 國內外發(fā)展現(xiàn)狀 在現(xiàn)代工業(yè)生產中，各制造商在不斷更新制造技術的同時，對生產檢測技術都給予了極大的重視 [2]。專家們逐漸認識到，制造技術與檢 測技術結下了不解之緣。新檢測技術不斷揭示了傳統(tǒng)制造技術的不足之處，促使工藝師們進一步改善和創(chuàng)新；新制造技術有反過來對檢測技術提出了更高的要求，二者相輔相成，互相促進。世界各國的量儀廠之間的競爭是很激烈的。為了在競爭中取勝，就要不斷提高質量，不斷改進和推出下一代量儀。 國內外各制造商對產品的質量都極為重視，而主要保證產品質量的手段之一，是先進的檢測技術。一般認為檢測技術的發(fā)展，機械量具算是第一代；氣電量儀可做第二代的典型；電子柱量儀和計算機輔助測量系統(tǒng)等就列入第三代技術了。幾年前，在檢測領域一直保持著“三代同 堂”的局面。這就是生產線上仍在使用卡板、塞規(guī)之類的專用量具的同時，氣、電量儀幾乎用于全部孔徑和軸徑的最終檢驗，而電子柱量儀等先進檢測技術也紛紛登場。 6 近年來，浮標氣動量儀“一統(tǒng)天下”的局面在美國發(fā)生了根本的變化，取而代之的是電子柱量儀。這一變化是出人意料的，因為美國是浮標氣動量儀的發(fā)源地，為何變化如此之快呢？因為電子柱量儀克服了浮標氣動量儀的許多缺點，如測量頭初始間隙小，線性不好，浮標容易粘在玻璃管上等等。那么取而代之的電子柱量儀是什么呢？實際上電子柱就是一種顯示裝置，最早于 1974年由美國的 Bendix 公 司發(fā)明，測量時由氣電轉換器將氣壓轉換成電壓信號，經驅動電路把 51 只發(fā)光二極管中的一只點亮，由此讀出發(fā)光二極管所對應的刻度值。美國?？瘯?3825827 中為“浮標效果”。利用此類顯示裝置制造的量儀，定名為電子柱量儀。 電感式測量儀雖具有高精度、高效率，能進行和差演算、記憶、峰值測量及數顯等特點，但顯示方式傳統(tǒng)為指針和數顯，這種顯示方式在單參數測量中還比較適用，用于多參數綜合測量就極不方便。電感量儀的寬度一般為 250 毫米，如果需要多臺合在一起時，將超出檢驗人員的視野。檢驗員要逐個觀看指針是否在合格的范圍內，既費時 又疲勞。這個缺點就使電感測微儀的應用受到了限制。量儀設計師們自然想到量儀直列拼臺式的優(yōu)點。七十年代末，國外在顯示領域又推出了等離子雙光柱自動掃描顯示裝置，即 PDP 顯示板，它具有亮度強、體積小、功耗低及顯示面積和視角大等優(yōu)點，但價格比發(fā)光二極管要昂貴。美國 Vernon 公司，西德 Feinpruf 公司和意大利 Marposs 公司等先后應用了 PDP 顯示板，研制成電子柱電感式測微儀。測量時，電感傳感器給出電信號，由等離子器件發(fā)出醒目的橘紅色亮光，形成一束彩色的光柱，達到直列式顯示的目的，給電感式量儀帶來了生機。 八十年 代中期，歐美一些國家先后推出了品種繁多的電子柱（氣動或電感式）測微儀，顯示裝置常用 101 只發(fā)光二極管（簡稱 LED 光柱）或 301 只 PDP光柱顯示，測量時由一大串 LED（或 PDP）發(fā)亮，形成一條彩色光柱，示值清晰醒目，稱之“溫度計”效應。由于電子工業(yè)不斷地發(fā)展，電子柱測微儀價格下降，目前在美國購買一臺普通型電感式電子柱測微儀的售價為 500 至 600 美元，與浮標式氣動量儀的價格相差無幾，這也是電子柱測微儀在國外能迅速得到推廣的一個重要原因。 在現(xiàn)代工業(yè)測量控制領域中，各種儀器對參數的顯示方式中最常見的主要有兩種：指 針式和數字顯示式，它們各有優(yōu)缺點，在不同的應用場合應采用不同的顯示方式。指針式顯示表頭對被指示參數的變化趨勢一目了然，但是它抗 7 震能力差，機械慣性大，對參數的較快變化無力反應；數字顯示式表頭雖具有較好的可靠性，但它卻不能顯示參數的變化趨勢，特別是在工業(yè)現(xiàn)場多參數多表頭顯示時，更難辨明哪些參數在增加，哪些參數在減小。 自上世紀 九十 年代以來， LED 作為一種新型光源有了突飛猛進的發(fā)展。在我國，不僅開創(chuàng)了巨大的新興市場，而且應用面越來越廣泛。近年對 LED 光柱顯示 (又稱為 LED 條形顯示 )開發(fā)和應用也開展了不少的研究， LED 光柱顯示是一種可以集指針顯示和數字顯示兩者優(yōu)點與一身的顯示技術。 LED 光柱可以獨立地用于指示信號幅度，也可以配合數字顯示表頭以增強動態(tài)效果，與指針擺動的動態(tài)效果相比，此外， LED 光柱顯示還具有不存在機械慣性、使用壽命比較長、在暗處也無需照明、顯示精度比模擬指針顯示精度高等優(yōu)點?？梢哉fLED 光柱顯示器替代儀表指針，已成為儀表儀器行業(yè)的新趨勢 [3,4]。 隨著時代的進步，國內的工業(yè)生產大量應用電子柱測微儀的趨勢已經形成，這必將硬氣量儀專業(yè)廠為了趕上國外先進水平，替代進口量儀的國產化而加速工作。 課題研究內容 設計目的 本 設計的目的 是 開發(fā)一種 高精度 的三色電子柱量儀。 該儀器 以常用而且測量精度很高的電感傳感器為基礎 ， 將位移信號轉換為電信號， 對 該電 信號進行調理， 再 用單片機對信號進行處理并通過 FPGA 驅動 LED 三色光柱 顯示 測量結果 。 設計目標 設計目標如下： 1. 通過自感式差動傳感器可測量工件的形位誤差或尺寸誤差，并用 LED三色光柱對結果進行顯示。在測量值位于預警公差帶范圍內 LED 光柱顯示綠色，超出預警公差帶但未到達報警公差帶時 LED 光柱顯示黃色，位于報警公差帶時 LED 光柱顯示紅色。 8 2. 通過設定不同的報警 /預警公差帶的上下限 ，并搭配不同的自感式差動傳感器及其信號處理模塊可實現(xiàn)不同尺寸的測量。 3. 通過鍵盤輸入與 LCD 液晶顯示器可實現(xiàn)儀器的人機對話功能。 4. 能夠通過外部通訊口實現(xiàn)與計算機和其他設備的通訊。并能通過計算機對測量結果進行操作和實時顯示。 設計內容 該課題的設計內容主要包括 三 部分： 1. 電子柱量儀硬件電路的設計 。 2. 電子柱量儀 系統(tǒng) 軟件的設計 。 3. 電子柱量儀和控制軟件之間通訊協(xié)議的設計。 9 第 2章 傳感器測量原理 傳感器的定義 及構成 傳感器在我國國家標準（ GB7665— 1987）中的定義是：“能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律 轉換 成可用輸入信號 的器件或裝置”。 此定義具有以下幾方面的含義： 部分，能完成部分監(jiān)測任務； ，可能是物理量，也可能是化學量、生物量等； ， 這種量要便于轉換、處理等等，這種量可以是氣、光、電物理量，但主要是電物理量； 有對應關系，且應有一定的精確程度。 關于傳感器，我國曾出現(xiàn)過多種名稱，如發(fā)送器、傳送器、變送器、換能器等，它們的內涵相同或相似，所以近來已逐漸趨向統(tǒng)一，大都是用傳感器這一名稱了。從字面上可以作如下解釋：傳感器的功用是一 感二傳，即感受被測信息并傳送出去。 傳感器一般由敏感元 件 、傳感元件 、基本轉換電路三部分組成 [5]，組成框圖 如圖 21 所示： 圖 21 傳感器 組成框圖 敏感元件 ：它是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關系的某一物理量的元件。 如應變式壓力傳感器的彈性載體就是敏感元件，它的作用是將壓力轉換成彈性載體的形變。 傳感元件 ：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉換成電路參數。 如應變式壓力傳感器中的應變片就是傳感元件，它的作用是將彈性載體的變形轉換成電阻值的變化。 10 基本 轉換電路：將電感變化量接入基本轉換電路（簡稱 轉換電路）， 便可轉換成電量輸出。傳感器只完成被測參數至電量的基本轉換，然后輸入到測控電路，進行放大、運算、處理等進一步轉換，以獲得被測值或進行過程控制。 事實上，有些傳感器很簡單，有些則較復雜，大多數是開環(huán)系統(tǒng)，也有些是帶反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。有些傳感器由敏感元件和轉換元件組成， 如壓電式加速傳感器，其中質量塊石敏感元件，壓電片是轉換元件，因傳感元件的輸出量已是電量，故無須轉換電路。而 有些傳感器，轉換元件不止一個，要經過若干次轉換 。 敏感元件與轉換元件在結構上常是裝在一起的，而基本轉換電路為了減小外界的影響也希望和 它們裝在一起，不過由于空間的限制或者其他原因，基本轉換電路常裝入電箱中。盡管如此，因為不少傳感器要在通過轉換電路后才能輸出電信號，從而決定了轉換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。 電感傳感器 電感 式 傳感器的特點 電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化實現(xiàn)測量的一種裝置，其核心部分是可變自感或可變互感， 在將被測量轉換成線圈自感或線圈互感的變化時，一般要利用磁場作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。這類傳感器的主要特征是具有電感繞組。 電感式傳感器具有以下優(yōu)點：結構簡單可靠、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強、對工作環(huán)境 要求不高、分辨力較高（如在測量長度時一般可達）、示值誤差一般為示值范圍的 %%、穩(wěn)定性好。它的缺點是頻率響應低，不宜用于快速測量。此外，利用電渦流原理的電渦流式傳感器， 利用壓磁原理的壓磁式傳感器，利用平面繞組互感原理的感應同步器，亦屬此類。 電感 式 傳感器的分類 首先電感傳感器可分為自感式和互感式兩種。 自感式電感傳感器有氣隙型、截面型和鑼管型。氣隙型傳感器靈敏度高， 11 對后續(xù)測量電路的放大倍數要求低，它的缺點是非線性嚴重，為了限制非線性，示值范圍只能較小，由于銜鐵在運動方向上受鐵芯的限制， 故自由行程小。截面型具有較好的線性，自幼行程較大，制造裝配比較方便，但靈敏度較低。螺管型則結構簡單 ，制造轉配容易 ，由于空氣隙大 ，磁路的磁阻高，靈敏度低，但線性范圍大。此外，螺管型還具有自由行程可任意安排、制造方便等優(yōu)點，在批量生產中的互換性較好，這給測量儀器的調試、使用帶來很大的方便，尤其在使用多個測微儀組合來測量物體形狀的時候。 互感式傳感器本身是其互感系數可變的變壓器， 當第一次線圈介入激勵電壓后，二次線圈將產生感應電壓輸出，互感系數變化時，輸出電壓將作相應變化。一般，這種傳感器的二次線圈有兩個，接線方式 又是差動的，故常稱之為差動變壓器式傳感器。 互感式傳感器的類型與自感式傳感器的極為相似。也可以分為氣隙型、截面型和螺管型三種。氣隙型互感式傳感器與氣隙型自感式傳感器一樣 ，其優(yōu)點是靈敏度高，缺點是示值范圍小、非線性嚴重。所以，近年來這種類型傳感器的使用逐漸減少。螺管型互感式傳感器，雖然其靈敏度較低，但其示值范圍大，自由行程可任意安排，制造裝配也較為方便，因而獲得