【正文】 ........................................................48結(jié)論 ...........................................................................................................................50致謝 ...........................................................................................................................51參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................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(jī)械零件的形位誤差和尺寸誤差參數(shù) [1]對(duì)產(chǎn)品的使用性能有著重要的影響，在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，傳統(tǒng)方法是采用機(jī)械式量規(guī)、卡尺、千分尺和千分表等量具進(jìn)行測(cè)量。但是傳統(tǒng)方法的測(cè)量功能單一、測(cè)量誤差較大、并且無法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)直接進(jìn)行計(jì)算機(jī)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(duì)法精密測(cè)量的測(cè)量儀器，特別對(duì)圓度、平行度、垂直度等微小變動(dòng)量的測(cè)量極為有用。主要用于機(jī)械制造、加工及各種檢測(cè)中。在精密機(jī)械制造業(yè)、汽車拖拉機(jī)業(yè)、紡織業(yè)以及國防和科研等方面的精密測(cè)量中有著廣泛地應(yīng)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(bào)警、儀器功能擴(kuò)展性差等不足，不能實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量，越來越不能滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、制造及檢測(cè)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(shí)，對(duì)生產(chǎn)檢測(cè)技術(shù)都給予了極大的重視 [2]。專家們逐漸認(rèn)識(shí)到，制造技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)結(jié)下了不解之緣。新檢測(cè)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(jìn)一步改善和創(chuàng)新；新制造技術(shù)有反過來對(duì)檢測(cè)技術(shù)提出了更高的要求，二者相輔相成，互相促進(jìn)。世界各國的量儀廠之間的競(jìng)爭(zhēng)是很激烈的。為了在競(jìng)爭(zhēng)中取勝，就要不斷提高質(zhì)量，不斷改進(jìn)和推出下一代量儀。國內(nèi)外各制造商對(duì)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(jìn)的檢測(cè)技術(shù)。一般認(rèn)為檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)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(jì)算機(jī)輔助測(cè)量系統(tǒng)等就列入第三代技術(shù)了。幾年前，在檢測(cè)領(lǐng)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(shí)，氣、電量儀幾乎用于全部孔徑和軸徑的最終檢驗(yàn)，而電子柱量儀等先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)也紛紛登場(chǎng)。 7 近年來，浮標(biāo)氣動(dòng)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?yàn)槊绹歉?biāo)氣動(dòng)量儀的發(fā)源地，為何變化如此之快呢？因?yàn)殡娮又績x克服了浮標(biāo)氣動(dòng)量儀的許多缺點(diǎn)，如測(cè)量頭初始間隙小，線性不好，浮標(biāo)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(shí)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(cè)量時(shí)由氣電轉(zhuǎn)換器將氣壓轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路把 51 只發(fā)光二極管中的一只點(diǎn)亮，由此讀出發(fā)光二極管所對(duì)應(yīng)的刻度值。美國專刊書 3825827 中為“浮標(biāo)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(cè)量儀雖具有高精度、高效率，能進(jìn)行和差演算、記憶、峰值測(cè)量及數(shù)顯等特點(diǎn)，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(cè)量中還比較適用，用于多參數(shù)綜合測(cè)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(tái)合在一起時(shí)，將超出檢驗(yàn)人員的視野。檢驗(yàn)員要逐個(gè)觀看指針是否在合格的范圍內(nèi)，既費(fèi)時(shí)又疲勞。這個(gè)缺點(diǎn)就使電感測(cè)微儀的應(yīng)用受到了限制。量儀設(shè)計(jì)師們自然想到量儀直列拼臺(tái)式的優(yōu)點(diǎn)。七十年代末，國外在顯示領(lǐng)域又推出了等離子雙光柱自動(dòng)掃描顯示裝置，即 PDP 顯示板，它具有亮度強(qiáng)、體積小、功耗低及顯示面積和視角大等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)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(yīng)用了 PDP 顯示板，研制成電子柱電感式測(cè)微儀。測(cè)量時(shí)，電感傳感器給出電信號(hào)，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(dá)到直列式顯示的目的，給電感式量儀帶來了生機(jī)。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(dòng)或電感式）測(cè)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(cè)量時(shí)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(jì)”效應(yīng)。由于電子工業(yè)不斷地發(fā)展，電子柱測(cè)微儀價(jià)格下降，目前在美國購買一臺(tái)普通型電感式電子柱測(cè)微儀的售價(jià)為 500 至 600 美元，與浮標(biāo)式氣動(dòng)量儀的價(jià)格相差無幾，這也是電子柱測(cè)微儀在國外能迅速得到推廣的一個(gè)重要原因。在現(xiàn)代工業(yè)測(cè)量控制領(lǐng)域中，各種儀器對(duì)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(diǎn)，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)采用不同的顯示方式。指針式顯示表頭對(duì)被指示參數(shù)的變化趨勢(shì)一目了然，但是它抗 8 震能力差，機(jī)械慣性大，對(duì)參數(shù)的較快變化無力反應(yīng)；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(shì)，特別是在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多參數(shù)多表頭顯示時(shí)，更難辨明哪些參數(shù)在增加，哪些參數(shù)在減小。自上世紀(jì)九十年代以來，LED 作為一種新型光源有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在我國，不僅開創(chuàng)了巨大的新興市場(chǎng)，而且應(yīng)用面越來越廣泛。近年對(duì) LED 光柱顯示(又稱為 LED 條形顯示)開發(fā)和應(yīng)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(diǎn)與一身的顯示技術(shù)。LED 光柱可以獨(dú)立地用于指示信號(hào)幅度，也可以配合數(shù)字顯示表頭以增強(qiáng)動(dòng)態(tài)效果，與指針擺動(dòng)的動(dòng)態(tài)效果相比，此外，LED 光柱顯示還具有不存在機(jī)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(diǎn)?？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(shì) [3,4]。隨著時(shí)代的進(jìn)步，國內(nèi)的工業(yè)生產(chǎn)大量應(yīng)用電子柱測(cè)微儀的趨勢(shì)已經(jīng)形成，這必將硬氣量儀專業(yè)廠為了趕上國外先進(jìn)水平，替代進(jìn)口量儀的國產(chǎn)化而加速工作。 課題研究內(nèi)容 設(shè)計(jì)目的本設(shè)計(jì)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(cè)量精度很高的電感傳感器為基礎(chǔ)，將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，對(duì)該電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，再用單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并通過 FPGA 驅(qū)動(dòng) LED 三色光柱顯示測(cè)量結(jié)果。 設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：1. 通過自感式差動(dòng)傳感器可測(cè)量工件的形位誤差或尺寸誤差，并用 LED三色光柱對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯示。在測(cè)量值位于預(yù)警公差帶范圍內(nèi) LED 光柱顯示綠色，超出預(yù)警公差帶但未到達(dá)報(bào)警公差帶時(shí) LED 光柱顯示黃色，位于報(bào)警公差帶時(shí) LED 光柱顯示紅色。 9 2. 通過設(shè)定不同的報(bào)警/預(yù)警公差帶的上下限，并搭配不同的自感式差動(dòng)傳感器及其信號(hào)處理模塊可實(shí)現(xiàn)不同尺寸的測(cè)量。3. 通過鍵盤輸入與 LCD 液晶顯示器可實(shí)現(xiàn)儀器的人機(jī)對(duì)話功能。4. 能夠通過外部通訊口實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備的通訊。并能通過計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行操作和實(shí)時(shí)顯示。 設(shè)計(jì)內(nèi)容該課題的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括三部分：1. 電子柱量儀硬件電路的設(shè)計(jì)。2. 電子柱量儀系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。3. 電子柱量儀和控制軟件之間通訊協(xié)議的設(shè)計(jì)。 10 第 2 章 傳感器測(cè)量原理 傳感器的定義及構(gòu)成傳感器在我國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665—1987）中的定義是： “能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸入信號(hào)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(cè)任務(wù)；，可能是物理量，也可能是化學(xué)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(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)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(cè)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(cè)量，并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。如應(yīng)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(yīng)變式壓力傳感器中的應(yīng)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(cè)參數(shù)至電量的基本轉(zhuǎn)換，然后輸入到測(cè)控電路，進(jìn)行放大、運(yùn)算、處理等進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，以獲得被測(cè)值或進(jìn)行過程控制。事實(shí)上，有些傳感器很簡單，有些則較復(fù)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(gè)，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?yàn)椴簧賯鞲衅饕谕ㄟ^轉(zhuǎn)換電路后才能輸出電信號(hào)，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(diǎn)電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化實(shí)現(xiàn)測(cè)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(cè)量轉(zhuǎn)換成線圈自感或線圈互感的變化時(shí)，一般要利用磁場(chǎng)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(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單可靠、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)工作環(huán)境要求不高、分辨力較高（如在測(cè)量長度時(shí)一般可達(dá)） 、示值誤差一般為示值范圍的 %%、穩(wěn)定性好。它的缺點(diǎn)是頻率響應(yīng)低，不宜用于快速測(cè)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(yīng)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(duì)后續(xù)測(cè)量電路的放大倍數(shù)要求低，它的缺點(diǎn)是非線性嚴(yán)重，為了限制非線性，示值范圍只能較小，由于銜鐵在運(yùn)動(dòng)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(diǎn)，在批量生產(chǎn)中的互換性較好，這給測(cè)量儀器的調(diào)試、使用帶來很大的方便，尤其在使用多個(gè)測(cè)微儀組合來測(cè)量物體形狀的時(shí)候。互感式傳感器本身是其互感系數(shù)可變的變壓器，當(dāng)?shù)谝淮尉€圈介入激勵(lì)電壓后，二次線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電壓輸出，互感系數(shù)變化時(shí)，輸出電壓將作相應(yīng)變化。一般，這種傳感器的二次線圈有兩個(gè)，接線方式又是差動(dòng)的，故常稱之為差動(dòng)變壓器式傳感器?；ジ惺絺鞲衅鞯念愋团c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(diǎn)是靈敏度高，缺點(diǎn)是示值范圍小、非線性嚴(yán)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(yīng)用。差動(dòng)式傳感器與單線圈式傳感器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：；度提高一倍，即銜鐵位移相同時(shí)，輸出信號(hào)大一倍；、電源波動(dòng)、外間干擾、電磁吸力對(duì)傳感器精度影響，能相互抵消而減少。 本設(shè)計(jì)中傳感器的工作原理綜合考慮儀器需要，本課題測(cè)量傳感器采用自感式螺管型差動(dòng)傳感器。自感式螺管型差動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)圖 [6]如圖 22 所示。 13 圖 22 螺管型差動(dòng)傳感器由圖可知，線圈中放入圓柱形銜鐵，也是一個(gè)可變自感。使銜鐵上下位移，自感量將相應(yīng)變化，這就構(gòu)成螺管型傳感器。采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)，除了可以改善非線性、提高靈敏度之外，對(duì)電源電壓、頻率波動(dòng)以及溫度變化等外界影響也有補(bǔ)償作用，從而可以提高測(cè)量精度。單個(gè)線圈的電感為：(21)lrNL20???當(dāng)進(jìn)入線圈的鐵芯長度為 ，則線圈的電感為：c(22)220 ])1([lrlrLcr????當(dāng)鐵芯長度增加 時(shí)，則電感