【正文】 桂林理工大學 課程設(shè)計（論文） 題目： 基于 電感傳感器的路徑中心檢測裝置設(shè)計 作 者 屆 別 系 別 專 業(yè) 指導教師 職 稱 完成時間 2021年 月 日 目 錄 摘要 ?????????????????????????? 1 Abstract ???????????????????????? 2 1．緒論 ????????????????????????? 4 1． 1 引言 1． 2 傳感器介紹?????????????????????? 5 1． 3 研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題 ??????????? 6 2．整體的方框圖與工作原理 ???????????????? 8 3．各 個單元電路的設(shè)計 ??????????????????? 8 3． 1 8051單片機簡介 ??????????????????? 8 3． 2 電感式位移傳感器的基本原理 ????????????? 12 3． 3 電感測頭的結(jié)構(gòu)??????????????????? 14 3． 4 正弦波電路的設(shè)計 ?????????????????? 14 3． 5 零點殘余電壓的調(diào)整????????????????? 16 3． 6 交流放大電路???????????????????? 17 3． 7 相敏檢波電路???????????????????? 18 3． 8 A/D 轉(zhuǎn)換及顯示電路 ????????????????? 19 4．軟件部分的設(shè)計 4． 1 本系統(tǒng)設(shè)計的程序流程圖 ??????????????? 22 4． 2 單片機 8051 的 C 語言程序清單 ????????????? 22 致謝?????????????????????? 24 參考文獻???????????????????? 25 摘 要 隨著現(xiàn)代制造業(yè)的規(guī)模逐漸擴大，自動化程度愈來愈高。要保證產(chǎn)品質(zhì)量，對產(chǎn)品的檢測和質(zhì)量管理都提出了更高的要求。我們?yōu)榇艘O(shè)計一種精度的檢測位 移的儀器。 電感測微儀是一種分辨率極高、工作可靠、使用壽命很長的測量儀 ,應(yīng)用于微位移測量已有比較長的歷史 .國外生產(chǎn)的電感測微儀產(chǎn)品比較成熟 ,精度高、性能穩(wěn)定 ,但價格昂貴 .國內(nèi)生產(chǎn)的電感測微儀存在漂移大、工作可靠性不高、高精度量程范圍小等問題 ,一直與國外的傳感器水平保持一定的差距 .在超精密加工技術(shù)迅猛發(fā)展的今天 ,這種測量精度越來越顯得不適應(yīng)加工技術(shù)發(fā)展的需求 .該文針對這些問題 ,對電感傳感器測量電路進行了一定的設(shè)計和改進 .對電感測微儀的方弦波生成電路、交流放大電路、 檢波電路 等進行了分析和相應(yīng)的設(shè)計。 關(guān)鍵詞 : 電 感傳感器、交流放大器電路、 檢波電路、單片機處理電路、顯示電路、硬件調(diào)試 。 ABSTRACT A New high piracies inductance sensor is developed. This sensor consist s of a high piracies inductance probe and signal processing circuit . The circuit adopt speak sampling technique and direct digital output interface to substitute the conventional phase frequency detection technique and analog output interface. The non2linearity is also decreased. In addition ,the circuit adopts frequency and ampli2 tube stabilizing technique too. The accuracy and stability of the sensor circuits also increased greatly. Key Words : inductance sensor, Exchange amplifier circuit , Detection circuit, SCM processing circuit, Show circuit，Hardware debugging 1． 緒 論 傳感器檢測技術(shù)是實現(xiàn)超精位置和軌跡方向的前提和基礎(chǔ)。精密檢測和超精密檢測過程中不僅要對路徑的位置進行檢測，而且要檢測出路徑軌跡的方向，如果沒有權(quán)威性的檢測技術(shù)和儀器，就不能檢測出路徑的位置和軌跡方向。檢測和顯示軌跡方向和是不可分的，檢測是對路徑軌跡的檢測，顯示是對檢測出的路徑信息進行顯示。因此，路徑中心檢測技術(shù)已經(jīng)成為整個超精密路徑檢測中一項至為關(guān)鍵的技術(shù)。 檢測技術(shù)和裝置是自動化系統(tǒng)中不可缺少的組 成部分。任何生產(chǎn)過程都可以看作是“物流”和“信息流”組合而成，反映物流的數(shù)量、狀態(tài)和趨向的信息流則是人們管理和控制物流的依據(jù)。人們?yōu)榱擞心康牡剡M行控制，首先必須通過檢測獲取有關(guān)信息，然后才能進行分析判斷以便實現(xiàn)自動控制。所謂自動化，就是用各種技術(shù)工具與方法代替人來完成檢測、分析、判斷和控制工作。一個自動化系統(tǒng)通常由多個環(huán)節(jié)組成，分別完成信息獲取、信息轉(zhuǎn)換、信息處理、信息傳送及信息執(zhí)行等功能。在實現(xiàn)自動化的過程中，信息的獲取與轉(zhuǎn)換是極其重要的組成環(huán)節(jié)，只有精確及時地將被控對象的各項參數(shù)檢測出來并轉(zhuǎn)換成易于傳送 和處理的信號，整個系統(tǒng)才能正常地工作。因此，自動檢測與轉(zhuǎn)換是自動化技術(shù)中不可缺少的組成部分。 檢測系統(tǒng)或檢測裝置目前正迅速地由模擬式、數(shù)字式向智能化方向發(fā)展。帶有微處理機的各種智能化儀表已經(jīng)出現(xiàn)，這類儀表選用微處理機做控制單元，利用計算機可編程的特點，使儀表內(nèi)的各個環(huán)節(jié)自動地協(xié)調(diào)工作，并且具有數(shù)據(jù)處理和故障診斷功能，成為一代嶄新儀表，把檢測技術(shù)自動化推進到一個新水平。 傳感器介紹 傳感器是獲取被測量信息的元件，其質(zhì)量和性能的好壞直接影響到測量結(jié)果的可靠性和準確度，衡量其質(zhì)量的特性有許多，主要包括靜態(tài)和 動態(tài)兩個方面。當被測量不隨時間變化或變化很慢時，可以認為輸入量和輸出量都和時間無關(guān)。表示它們之間關(guān)系的是一個不含時間變量的代數(shù)方程，在這種關(guān)系的基礎(chǔ)上確定的性能參數(shù)為靜態(tài)特性；當被測量隨時間變化很快時，就必須考慮輸人量和輸出量之間的動態(tài)關(guān)系。這時，表示它們之間關(guān)系的是一個含有時間變量的微分方程，與被測量相對應(yīng)的輸出響應(yīng)特性稱為動態(tài)特性。 現(xiàn)在我們有很多測量磁場的方法，磁場傳感器利用了物質(zhì)與磁場之間的各種物理效應(yīng)：磁電效應(yīng)（電磁感應(yīng)、霍爾效應(yīng)、磁致電阻效應(yīng)）、磁機械效應(yīng)、磁光效應(yīng)、核磁共振、超導體與 電子自旋量子力學效應(yīng)。下面列出了一些測量原理以及相應(yīng)的傳感器： （ 1） 電磁感應(yīng)磁場測量方法：電磁線磁場傳感器、磁通門磁場傳感器、磁阻抗磁場傳感器。 （ 2） 霍爾效應(yīng)磁場測量方法：半導體霍爾傳感器、磁敏二極管，磁敏三極管。 以上各種磁場測量方法所依據(jù)的原理各不相同，測量的磁場精度和范圍相差也很大， 1011107G。我們需要選擇適合車模競賽的檢測方法，除了檢測磁場的精度之外，還需要對于檢測磁場的傳感器的頻率響應(yīng)、尺寸、價格、功耗以及實現(xiàn)的難易程度進行考慮。 我們選取最為傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)線圈的方 案。它具有原理簡單、價格便宜體積?。ㄏ鄬π。?、頻率響應(yīng)快、電路實現(xiàn)簡單等特點，適應(yīng)于初學者快速實現(xiàn)路經(jīng)檢測的方案。 研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題： 該電感傳感器的路跡中心檢測裝置電路主要包括電感式傳感器、方波信號源、 交流放大器電路 、檢波 電路及單片機系統(tǒng)。方波振蕩器為電感式傳感器和相敏檢波器提供了頻率和幅值穩(wěn)定的激勵電壓，方波振蕩器輸出的信號加到漆包線。 由電 磁學可知，導線周圍的空間充滿了交變的電磁場，如果在里面放置一個電感線圈，電磁感應(yīng)會使線圈中產(chǎn)生交變的電流。在導線位置和導線中電流既定的條件下 ，線圈中感應(yīng)電流 (或者電壓 )是空間位置的函數(shù)。因此，電感線圈就可以作為傳感器。 檢測裝置經(jīng) 3組 電感式傳感器感應(yīng)的交變電流大小來確定導線偏移方向和偏移距離量以及偏移大小，當導線與檢測裝置平行且處于檢測裝置的中間位置時，兩線圈的感應(yīng)電流相等，導線無偏移檢測裝置。當導線處于檢測裝置左邊時，檢測裝置左邊的電感的感應(yīng)電動勢減掉右邊的電感的感應(yīng)電動勢大于 0；若導線處于檢測裝置右邊時，檢測裝置左邊的電感的感應(yīng)電動勢減掉右邊的電感的感應(yīng)電動勢小于 0； 下線圈的電感量則增加。交流阻抗相應(yīng)地 變化，電橋失去平衡從而輸出了一個幅值與位移成正比，頻率與振蕩器頻率相同，相位與位移方向相對應(yīng)的調(diào)制信號。此信號經(jīng)放大，由相敏檢波器鑒出極性，得到一個與銜鐵位移相對應(yīng)的直流電壓信號， 經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換器輸入到單片機，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理進行顯示。 電感式傳感器測位移時，由于線圈中的電流不為零，因而銜鐵始終承受電磁吸力，會引起附加誤差，而且非線性誤差較大；另外，外界的干擾(如電源電壓頻率的變化，溫度的變化 )也會使輸出產(chǎn)生誤差。所以在實際工作中常采用差動形式，這樣既可以提高傳感器的靈敏度，又可以減小測量誤差。兩個完全相同的單個線 圈的電感式傳感器共用一個活動銜鐵就構(gòu)成了差動式電感傳感器。采用差動式結(jié)構(gòu)除了可以改善線性、提高靈敏度外，對外界影響，如溫度的變化、電源頻率的變化等也基本上可以相互抵消，銜鐵承受的電磁吸力也較小，從而減小了測量誤差。零點殘余電壓也是反映差動變壓器式傳感器性能的重要指標。理想情況是在零點時，兩個次級線圈感應(yīng)電壓大小相等方向相反，差動輸出電壓為零實際情況是兩組次級線圈的不對稱鐵心的 BH曲線的非線性，以及激勵電源存在的高次諧波等因素引起零點處 U≠ 0知。其數(shù)值約為零點幾毫伏，有時甚至可達幾十毫伏，并且無論怎樣調(diào)節(jié)銜 鐵的位置均無法消除。零點殘余電壓的存在，使傳感器的靈敏度降低，分辨率變差和測量誤差增大。克服辦法主要是提高次級兩繞組的對稱性 (包括結(jié)構(gòu)和匝數(shù)等 )，另外輸出端用相敏檢測和采用電路補償方法，可以減小零點殘余電壓影響。 2．整體的方框圖與工作原理 電感式位移傳感器元件由靜止的螺管線圈和可在線圈上移動的銜鐵測頭組成 ,它依據(jù)電磁感應(yīng)原理工作 .當線圈由高頻電源驅(qū)動時 ,其兩路引出端將輸出兩個感應(yīng)電勢 ,這些信號經(jīng)信號檢出電路綜合后 ,形 成在幅值及相位上隨測頭位置而變的電壓信號 ,代表了位移量的大小和方向 .此信號再經(jīng)放大、濾波及整形等初步調(diào)理后，由 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字量送入微控制器。微控制器對它進行信號處理、存儲以及顯示，獲得較高精度的測量結(jié)果，然后按系統(tǒng)組成態(tài)設(shè)定的輸出方式，以要求的信號形式將測量結(jié)果輸出。系統(tǒng)的整體方框圖如圖 2 所示。 測頭信號 變壓器電橋 正弦波發(fā)生器 相敏檢波 帶通放大 A/D 轉(zhuǎn)換 顯示器 單片機 圖 1系統(tǒng)的整體方框圖 3．各個單 元電路的設(shè)計 3． 1 8051單片機簡介 目前， 8051 單片機在工業(yè)檢測領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，因此我們可以在許多單片機