【正文】 號的交流放大、相敏檢波、直流放大、A/D轉(zhuǎn)換并通過以 AT89S52單片機(jī)為核心控制A/D轉(zhuǎn)換和液晶顯示。所以要研究展寬電感式位移傳感器線性范圍、提高測量精度的方法。為提高系統(tǒng)的整體性能，人們在發(fā)展傳感器和數(shù)字化信息采集系統(tǒng)方面開展了大量富有成果的研究工作，主要體現(xiàn)在以下二方面：一、為大力改進(jìn)傳統(tǒng)傳感器的性能，采用高精度、高穩(wěn)定度的元器件以及各種校正電路，使傳感器特性得到了一定的改善；二、采用數(shù)字化儀表作為傳感器與計(jì)算機(jī)之間的接口，它將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并作相應(yīng)的預(yù)處理后再傳送給計(jì)算機(jī)。而對其測量電路進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)或改進(jìn)，使之與成熟的電感測頭技術(shù)相適應(yīng)則是一項(xiàng)低成本、高收益的措施，很適合目前國內(nèi)的超精測量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。Durham Instruments 公司生產(chǎn)的電感傳感器對溫度變化大的工作環(huán)境很適合，工作溫度范圍可以為55℃~+120℃、非線性優(yōu)于 %。高精度電感測量系統(tǒng)包括電感傳感器測頭、二次測量電路及相應(yīng)的軟件。而國內(nèi)在此方面的研究還比較落后，相同精度下的線性范圍一般僅達(dá) ，而且測量儀的功能單一、技術(shù)水平發(fā)展慢。電感測微儀的精度現(xiàn)在可以做到很高：國外以瑞士 TESA、意大利 MARPOSS、日本東京精密為代表，測量儀的分辨力可達(dá) ，線性測量范圍達(dá) 177。根據(jù)傳感元件的結(jié)構(gòu)、所使用的材料、測量原理以及轉(zhuǎn)換方式，目前常用的位移傳感器主要有：電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、感應(yīng)同步器、磁柵、光柵、激光傳感器等。所以必須研制和改進(jìn)電感傳感器測量系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的性能。總體來說，目前國外的傳感器生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)，精度水平和可靠性較高，而國內(nèi)傳感器技術(shù)水平與國外有相當(dāng)大的差距。一些早已形成傳感器產(chǎn)業(yè)的發(fā)達(dá)國家在上世紀(jì)末乃至本世紀(jì)仍把傳感器技術(shù)作為重點(diǎn)技術(shù)加以發(fā)展。作為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大核心技術(shù)之一的傳感技術(shù)是 21 世紀(jì)世界各國在高新技術(shù)發(fā)展方面爭奪的一個(gè)重要領(lǐng)域。文中介紹了整體電路的設(shè)計(jì)和單片機(jī)系統(tǒng)的硬件及軟件流程。電感傳感器的接口電路設(shè)計(jì)摘要：位移測量具有廣泛應(yīng)用，電感式傳感器以其結(jié)構(gòu)簡單可靠、輸出功率大、線性好、抗干擾和穩(wěn)定性好、價(jià)格低廉等特點(diǎn)獲得了大量的應(yīng)用。設(shè)計(jì)過程中用 Protel99 SE 對電路原理圖進(jìn)行了繪制，選用了單片機(jī)的開發(fā)工具 Keil C51μvision2 對軟件設(shè)計(jì)中的程序進(jìn)行編寫、編譯、模擬仿真，電路正常，完成了課題要求的電感傳感器對位移測量并顯示結(jié)果。傳感器是自動(dòng)測試、控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)之器件，其技術(shù)水平直接影響到自動(dòng)化系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的水平，自動(dòng)化技術(shù)水平越高，對傳感器技術(shù)依賴程度越大。我國在上世紀(jì)八十年代后期開始對傳感器技術(shù)的發(fā)展給予充分的重視，國務(wù)院發(fā)布的信息技術(shù)政策中把傳感器列為重點(diǎn)發(fā)展的新技術(shù)之一，在國家的“七五” 、 “八五”、 “九五”、 “十五” 國家重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃中連續(xù)八次將傳感器技術(shù)列為專項(xiàng)組織攻關(guān)，在高精度測量中，電感傳感器應(yīng)用廣泛。目前國產(chǎn)高精度傳感器的非線性指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到 %，已能滿足大部分需要，但對一些要求更高的場合，則無產(chǎn)品可供選擇，且測量儀的功能單一、常年未變。 課題的研究現(xiàn)狀傳感器的研究始于上世紀(jì) 30 年代，它以材料的物理、化學(xué)和生物、理化效應(yīng)為基礎(chǔ)，由物理、化學(xué)、材料科學(xué)、器件物理和工藝以及電子工程等多種學(xué)科交織發(fā)展形成，是研究非電量信息與電量間轉(zhuǎn)換的一門跨學(xué)科的邊緣技術(shù)科學(xué)。上述位移傳感器各有優(yōu)缺點(diǎn)，適應(yīng)于不同的測量場合和技術(shù)要求。1mm，但是價(jià)格昂貴；國內(nèi)也有好幾個(gè)廠家、院校及科研單位從事電感測微系統(tǒng)的研制和開發(fā)，其中最有代表的是中原量儀。在超精密加工技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，電感測微系統(tǒng)的精度有待于進(jìn)一步提高。因此，要提高電感測量系統(tǒng)的精度可以從提高測頭精度及其測量電路精度兩方面考慮。德國的米依技術(shù)測試公司生產(chǎn)的非接觸式 UP 推桿插入式電感直線位移傳感器分辨率為 %，線性度士 %。相對于其它的微位移測量系統(tǒng)，電感測微系統(tǒng)的測量電路比較復(fù)雜，其設(shè)計(jì)和制作的合理性對測量精度和可靠性的影響是很大的；同時(shí)，在測量系統(tǒng)中，利用控制器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理功能，合理地設(shè)計(jì)軟件，同樣可以提高測量的可靠性和抗干擾性，從而提高儀器的測量性能。由于傳感器自身和測量電路部分不同程度地存在非線性誤差，為了提高測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，擴(kuò)大其使用范圍和提高系統(tǒng)的性價(jià)比，對傳感器輸出信號或其它模擬信號進(jìn)行非線性補(bǔ)償來減小甚至消除非線性誤差就顯得尤為重要。另外，由于工業(yè)現(xiàn)場的噪聲、輻射干擾等對傳感器檢測精度的影響很大，傳感器的測量電路以及上位機(jī)的發(fā)熱、振動(dòng)、電磁輻射等也能影響傳感器的正常工作，所以不但要設(shè)計(jì)電感傳感器精密測量系統(tǒng)，還要研制合適的外設(shè)接口電路。同時(shí)也應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的激勵(lì)電路為電感傳感器和相敏檢波提供激勵(lì)電壓。簡明闡述了電感傳感器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。附錄一詳細(xì)介紹了 ptotel 99 SE 的使用。電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單 , 工作可靠, 測量精度高, 零點(diǎn)穩(wěn)定, 輸出功率較大等一系列優(yōu)點(diǎn), 其主要缺點(diǎn)是靈敏度、線性度和測量范圍相互制約, 傳感器自身頻率響應(yīng)低, 不適用于快速動(dòng)態(tài)測量。它的特點(diǎn)有：工作可靠、壽命長，靈敏度高，分辨力高，精度高、線性好，性能穩(wěn)定、重復(fù)性好。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí), 氣隙厚度 發(fā)生改變, 引起磁? ?路中磁阻變化, 從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化, 因此只要能測出這種電感量的變化, 就能確定銜鐵位移量的大小和方向。  ——穿過線圈的磁通。使用最廣泛的是變氣隙厚度 式電感傳感器。與線性度??銜鐵上移： 23000L??????????????????非 線 性 部 分銜鐵下移： 23000L??????????????非 線 性 部 分 － －可見：無論上移或下移，非線性都將增大。RCLZ圖 25 電感式傳感器的等效電路等效線圈阻抗為 （216）()jRjLCZ??????????將上式有理化并應(yīng)用品質(zhì)因數(shù) Q=ωL/R，可得 （217）2222 21(1)()LCjLQRZCLQ??????????????????當(dāng) Qω2LC 且 ω2LC1 時(shí)，上式可近似為  ZRjL? 交流電橋式測量電路Z1Z2Z3163。RoU?U?圖 26 交流電橋測量電路把傳感器的兩個(gè)線圈作為電橋的兩個(gè)橋臂 Z1 和 Z2，另外兩個(gè)相鄰的橋臂用純電阻 R 代替。②差動(dòng)式的非線性項(xiàng)(忽略高次項(xiàng))。當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮大時(shí)，橋路輸出電壓為 (227)2211oZZUU????????當(dāng)傳感器的銜鐵處于中間位置，即 Z1=Z2=Z，此時(shí)有 U0 =0，電橋平衡。調(diào)幅電路：傳感器電感 L 與電容 C、變壓器原邊串聯(lián)在一起，接入交流電源U，變壓器副邊將有電壓 U0 輸出，輸出電壓的頻率與電源頻率相同，而幅值隨著電感 L 而變化，如圖 28（ a） 28（b）為輸出電壓 U0 與電感 L 的關(guān)系曲線，其中 L0 為諧振點(diǎn)的電感值。當(dāng) L1/(2)fC??變化時(shí)，振蕩頻率隨之變化，根據(jù) f 的大小即可測出被測量的值。如圖 31 所示。電壓幅度必須穩(wěn)定是因?yàn)閭鞲衅鳂蚵返霓D(zhuǎn)換靈敏度與激勵(lì)電壓幅度成正比；波形失真要小是因?yàn)閭鞲衅鳂蚵啡菀讓我活l率調(diào)到平衡以得到低的零位電壓。同時(shí)它也為直流放大做準(zhǔn)備。（6）電源模塊為各器件提供電壓。當(dāng)銜鐵處于兩線圈的中間位置時(shí)，兩線圈的電感量相等，電橋平衡。電感測微儀是一種能夠測量微小尺寸變化的精密測量儀器，它由主體和測頭兩部分組成，配上相應(yīng)的測量裝置（例如測量臺架等），能夠完成各種精密測量。 振蕩器電路設(shè)計(jì)及其說明 電感三點(diǎn)式振蕩器原理的介紹（1）電路組成 圖 33 電感三點(diǎn)式振蕩器（a） 電感三點(diǎn)式振蕩電路電路 （b） 交流等效電路電感三點(diǎn)式振蕩器電路組成如圖 33(a)由圖可見，這種電路的 LC 并聯(lián)諧振電路中的電感有首端、中間抽頭和尾端三個(gè)端點(diǎn)，其交流通路分別與放大電路的集電極、發(fā)射極(地) 和基極相連，反饋信號取自電感 L2 上的電壓，因此，習(xí)慣上將圖 33(a)所示電路稱為電感三點(diǎn)式 LC 振蕩電路，或電感反饋式振蕩 電路。根據(jù) 射同基反 的原則，也可以判別三點(diǎn)式振蕩 電路 的相位平衡條件，方法是先畫出交流等效電路如圖 33(b)所示,顯然該電路符合 射同基反的原則，因此滿足相位平衡條件。（3）振蕩頻率：考慮 LL 2 間的互感，電路的振蕩頻率可近似表示為：012()fCMC???? 振蕩器電路在本系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)圖 34 振蕩器設(shè)計(jì)電路本設(shè)計(jì)如圖 34 采用電感三點(diǎn)式 LC 振蕩回路，電感線圈 L 和電容 C3 組成振蕩回路。因?yàn)镕＞1，所以能滿足 KF≥1 的振蕩條件，調(diào)節(jié) 的比值可以改變反饋系數(shù) F，使振蕩C器既容易起振，又有較好的波形。R1 是 Q1 的偏流電阻。 相敏檢波電路設(shè)計(jì)及其說明 相敏檢波電路原理的介紹相敏檢波電路如圖 35 所示。 輸出信號 uL 從變壓器 T1 與 T2 的中心抽頭引出。 由圖 36（b）中（a ） 、 （c） 、(d) 可知, 當(dāng)位移 Δx 0 時(shí), u2 與 u0 同頻同相, 當(dāng)位圖 35 相敏檢波電路圖 36 波形圖移 Δx 0 時(shí), u2 與 u0 同頻反相。 其等效電路如圖 35 中（c）所示, 輸出電壓 uL 表達(dá)式與式(3 5）相同, 說明只要位移Δx0, 不論 u2 與 u0 是正半周還是負(fù)半周，負(fù)載 RL 兩端得到的電壓 uL 始終為正。交流放大器的輸出信號電壓接到振蕩器變壓器中間的抽頭“9”上，在這種電路中只有當(dāng)“6”點(diǎn)為正周期時(shí)，DD5 截止，D6 、D7 導(dǎo)通，才有電流到直流放大電路中放大，因此是一種半坡相敏整流電路。反相比例放大電路的基本電路如圖 38 所示。但 KF 越大，閉環(huán)頻帶越窄。增加 1M 時(shí)很難保證阻值的穩(wěn)定性，而且阻值的絕對誤差較大。當(dāng)確定電源電壓后，集成運(yùn)放最大輸出幅度被稱為飽和輸出電壓（U B） 。IDRO= // ， ＜U IO/IIi (310)pFrp式(310)中, 為平衡電阻。sr n (313)o0(1)VDFA??式(313)中， 為電路的輸出電阻； 為集成運(yùn)放的輸出電阻； 為集成soR0RVDA運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)。在這里我設(shè)計(jì) K=1000， =10, =100。本設(shè)計(jì)采用雙積 A/D 轉(zhuǎn)換器，它的性能比較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換精度高，具有很高的抗干擾能力，電路結(jié)構(gòu)簡單，其缺點(diǎn)是工作速度較低。在常用的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片（如 ADC 080ICL7135 、ICL7109 等）中，ICL7135 與其余幾種有所不同，它是一種四位半的雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器，具有精度高（精度相當(dāng)于14 位二進(jìn)制數(shù)） 、價(jià)格低廉、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。能在但極性參考電壓下對雙極性模擬輸入電壓進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 ⑦ 輸出為動(dòng)態(tài)掃描 BCD 碼。7135 一次A/D 轉(zhuǎn)換周期分為四個(gè)階段：自動(dòng)調(diào)零（AZ） ； 被測電壓積分（INT） ；基準(zhǔn)電壓反積分（DE） ；積分回零（ZI） 。因此利用 R/H 端的功能可以使數(shù)據(jù)有保持功能。第一個(gè) ST 負(fù)脈沖在上次轉(zhuǎn)換周期結(jié)束后 101 個(gè)時(shí)鐘周期產(chǎn)生。③ BUSY（21 腳）在雙積分階段（INT+DE）， BUSY 為高電平，其余時(shí)為低電平。在 DE 階段開始時(shí)變低。當(dāng)輸入電壓為正，則 POL等于“1”，反之則等于“0”。當(dāng)輸入電壓過量程時(shí)，D5D1 在 AZ 階段開始時(shí)只分別輸出一個(gè)脈沖，然后都處于低電平，直至 DE 階段開始時(shí)才輸出連續(xù)脈沖。當(dāng)輸入電壓過量程時(shí)，各位數(shù)輸出全部為零，這一點(diǎn)在使用時(shí)應(yīng)注意。 ICL7135 需要外部的時(shí)鐘信號，本設(shè)計(jì)采用 CD4060 來對 4M 信號進(jìn)行 3 2 分頻得到 125KHz 的時(shí)鐘信號。AT89S52 還有以下主要特點(diǎn)：① 采用了 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲器（NVSRAM ）技術(shù)；② 其片內(nèi)具有 256 字節(jié) RAM，8KB 的可在線編程（ISP）FLASH 存儲器；③ 有 2 種低功耗節(jié)電工作方式：空閑模式和掉電模式；④ 片內(nèi)含有一個(gè)看門狗定時(shí)器（WDT） ，WDT 包含一個(gè) 14 位計(jì)數(shù)器和看門狗定時(shí)器復(fù)位寄存器(WDTRST) ，只要對 WDTRST 按順序先寫入 01EH，后寫入0E1H， WDT 便啟動(dòng)，當(dāng) CPU 由于擾動(dòng)而使程序陷入死循環(huán)或“ 跑飛”狀態(tài)時(shí)，WDT即可有效地使系統(tǒng)復(fù)位，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。一個(gè)字符由 68 或 88 點(diǎn)陣組成，即要找到和屏上某幾個(gè)位置對應(yīng)的顯示 RAM 區(qū)的 8 個(gè)字節(jié)，并且要使每個(gè)字節(jié)的不同的位為‘1’，其它的為‘0’ ，為‘1’的點(diǎn)亮，為‘0’的點(diǎn)暗，這樣一來就組成某個(gè)字符。LCD 各地址列舉如下表：表 34 LCD1601 161 顯示字的外部地址1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1680 81 82 83 84 85 86 87 C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7注：161 16 字 1 行 1601表 35 LCD1601 的指令組設(shè)置碼指 令說 明 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0