【正文】 ........................................................48結(jié)論 ...........................................................................................................................50致謝 ...........................................................................................................................51參考文獻 ...................................................................................................................52附錄 1 ........................................................................................................................54附錄 2 ........................................................................................................................58附錄 3 ........................................................................................................................67 5 6 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(shù) [1]對產(chǎn)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(shù)據(jù)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(nèi)的電子柱量儀存在數(shù)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(chǎn)、制造及檢測要求。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，各制造商在不斷更新制造技術(shù)的同時，對生產(chǎn)檢測技術(shù)都給予了極大的重視 [2]。專家們逐漸認識到，制造技術(shù)與檢測技術(shù)結(jié)下了不解之緣。新檢測技術(shù)不斷揭示了傳統(tǒng)制造技術(shù)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(shù)有反過來對檢測技術(shù)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(zhì)量，不斷改進和推出下一代量儀。國內(nèi)外各制造商對產(chǎn)品的質(zhì)量都極為重視，而主要保證產(chǎn)品質(zhì)量的手段之一，是先進的檢測技術(shù)。一般認為檢測技術(shù)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(shù)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(chǎn)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(shù)也紛紛登場。 7 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(zhuǎn)換器將氣壓轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)驅(qū)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。美國專刊書 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(shù)顯等特點，但顯示方式傳統(tǒng)為指針和數(shù)顯，這種顯示方式在單參數(shù)測量中還比較適用，用于多參數(shù)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(nèi)，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(shù)的顯示方式中最常見的主要有兩種：指針式和數(shù)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(shù)的變化趨勢一目了然，但是它抗 8 震能力差，機械慣性大，對參數(shù)的較快變化無力反應；數(shù)字顯示式表頭雖具有較好的可靠性，但它卻不能顯示參數(shù)的變化趨勢，特別是在工業(yè)現(xiàn)場多參數(shù)多表頭顯示時，更難辨明哪些參數(shù)在增加，哪些參數(shù)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(shù)字顯示兩者優(yōu)點與一身的顯示技術(shù)。LED 光柱可以獨立地用于指示信號幅度，也可以配合數(shù)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(nèi)的工業(yè)生產(chǎn)大量應用電子柱測微儀的趨勢已經(jīng)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(chǎn)化而加速工作。 課題研究內(nèi)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(zhuǎn)換為電信號，對該電信號進行調(diào)理，再用單片機對信號進行處理并通過 FPGA 驅(qū)動 LED 三色光柱顯示測量結(jié)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(jié)果進行顯示。在測量值位于預警公差帶范圍內(nèi) 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。 9 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(jié)果進行操作和實時顯示。 設計內(nèi)容該課題的設計內(nèi)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。 10 第 2 章 傳感器測量原理 傳感器的定義及構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)系，且應有一定的精確程度。關(guān)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(nèi)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(zhuǎn)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(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電路參數(shù)。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(zhuǎn)換成電阻值的變化。 11 基本轉(zhuǎn)換電路：將電感變化量接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡稱轉(zhuǎn)換電路） ，便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。傳感器只完成被測參數(shù)至電量的基本轉(zhuǎn)換，然后輸入到測控電路，進行放大、運算、處理等進一步轉(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)換元件組成，如壓電式加速傳感器，其中質(zhì)量塊石敏感元件，壓電片是轉(zhuǎn)換元件，因傳感元件的輸出量已是電量，故無須轉(zhuǎn)換電路。而有些傳感器，轉(zhuǎn)換元件不止一個，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換。敏感元件與轉(zhuǎn)換元件在結(jié)構(gòu)上常是裝在一起的，而基本轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路后才能輸出電信號，從而決定了轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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， 12 對后續(xù)測量電路的放大倍數(shù)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(jié)構(gòu)簡單，制造轉(zhuǎn)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(chǎn)中的互換性較好，這給測量儀器的調(diào)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?；ジ惺絺鞲衅鞅旧硎瞧浠ジ邢禂?shù)可變的變壓器，當?shù)谝淮尉€圈介入激勵電壓后，二次線圈將產(chǎn)生感應電壓輸出，互感系數(shù)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，因而獲得了廣泛的應用。差動式傳感器與單線圈式傳感器相比，具有以下優(yōu)點：；度提高一倍，即銜鐵位移相同時，輸出信號大一倍；、電源波動、外間干擾、電磁吸力對傳感器精度影響，能相互抵消而減少。 本設計中傳感器的工作原理綜合考慮儀器需要，本課題測量傳感器采用自感式螺管型差動傳感器。自感式螺管型差動傳感器結(jié)構(gòu)圖 [6]如圖 22 所示。 13 圖 22 螺管型差動傳感器由圖可知，線圈中放入圓柱形銜鐵，也是一個可變自感。使銜鐵上下位移，自感量將相應變化，這就構(gòu)成螺管型傳感器。采用差動式結(jié)構(gòu)，除了可以改善非線性、提高靈敏度之外，對電源電壓、頻率波動以及溫度變化等外界影響也有補償作用，從而可以提高測量精度。單個線圈的電感為：(21)lrNL20???當進入線圈的鐵芯長度為 ，則線圈的電感為：c(22)220 ])1([lrlrLcr????當鐵芯長度增加 時，則電感