【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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。 12 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： l rNL 220??? (21) 當(dāng)進(jìn)入線圈的鐵芯長(zhǎng)度為 cl ，則線圈的電感為： 22220 ])1([l rllrNL ccr ??? ??? (22) 當(dāng)鐵芯長(zhǎng)度增加 cl? 時(shí)，則電感量的變化為： 2220 )1(l lrNL crc ???? ??? (23) 式中 N — 單個(gè)線圈的匝數(shù)； 0? — 空氣的磁導(dǎo)率； r— 線圈半徑； l — 線圈長(zhǎng)度； 13 cr — 鐵芯半徑； cl — 鐵芯長(zhǎng)度； r? — 鐵芯磁導(dǎo)率； cl? — 鐵芯長(zhǎng)度變化量； 例如現(xiàn)有一單線圈 式 傳感器與一差動(dòng)式傳感器，其各種情況均相同，線圈匝數(shù) N =1000 ，線 圈半徑 r = ， 線圈 長(zhǎng)度 l =25mm ， 磁芯 半徑cr =，鐵芯長(zhǎng)度 cl =25mm， cl? =，這里的磁導(dǎo)率是指物質(zhì)的磁導(dǎo)率與真空的磁導(dǎo)率的比值，故空氣中的磁導(dǎo)率 0? 可取值為 1，查表可得，鐵芯磁導(dǎo)率 r? =。據(jù)條件可得，單線圈 式傳感器 的輸出為： ? ?223433411 ( / ) ( / ) [ 1 /( 1 ) ]0 .1 12 5 1 ( 2 5 / 2 5 ) ( 2 .2 / 2 .0 ) [ 1 /( 0 .9 9 9 9 7 1 ) ]14 1 01 1 .2 1 3 .3 3 1 041 0 4 .0 0 2 1 01 4 .0 3 1 0cc c c rlLL l l l r r ????????????????? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? 而假如采用差動(dòng)式傳感器，則輸出值為： ? ?22343342 11 ( / ) ( / ) [ 1 /( 1 ) ]0 . 2 12 5 1 ( 2 5 / 2 5 ) ( 2 . 2 / 2 . 0 ) [ 1 /( 0 . 9 9 9 9 7 1 ) ]18 1 01 1 . 2 1 3 . 3 3 1 081 0 8 . 0 0 4 1 01 4 . 0 3 1 0cc c c rlLL l l l r r ????????????????? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? 由以上計(jì)算可以得出： (1) 差動(dòng)式比單線圈式靈敏度提高了一倍； (2) 要提高靈敏度，應(yīng)使線圈與鐵芯尺寸比值 cll 和 crr 盡量小，但另一方面 cll 趨向于 1 時(shí)，傳感器的非線性誤差會(huì)增加 ； (3) 選用鐵芯的導(dǎo)磁率 r? 大的材料也可以提高靈敏度； (4) LL/? 與 cc ll /? 成正比若被測(cè)量與 cl? 成正比，則 L? 與被測(cè)量也成正比。但實(shí)際上，由于磁場(chǎng)強(qiáng)度分布的 不均勻性，輸入量和輸出量之間的關(guān)系是 14 非線性的。 電子柱量?jī)x的測(cè)量原理就是利用位移量的變化與電感量的變化成正比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在整個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)中，傳感器的測(cè)量精度影響和決 定著整個(gè)儀器可實(shí)現(xiàn)的測(cè)量精度，而傳感器輸出信號(hào)的后續(xù)信號(hào)處理電路對(duì)整個(gè)儀器的精度影響不大。因此，提高整個(gè)儀器的測(cè)量精度的關(guān)鍵是提高傳感器的測(cè)量精度 [7]。 15 第 3章 系統(tǒng) 硬件 設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)原則 要實(shí)現(xiàn)一臺(tái)功能豐富、運(yùn)行穩(wěn)定、工作獨(dú)立的量?jī)x，首先要考慮的就是系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含有兩部分內(nèi)容，一部分是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)的功能單元；二是系統(tǒng)配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備。為了使硬件電路設(shè)計(jì)趨向合理，借鑒別人的成功經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中著重考慮到如下幾個(gè)方面 [7]： 1． 盡可能選擇典型電 路。 2． 設(shè)計(jì)時(shí)努力采用最新的一些技術(shù)。 3． 盡量選用功能強(qiáng)、集成度高的芯片，提高系統(tǒng)可靠性。 4． 注意選擇通用性強(qiáng)、市場(chǎng)貨源充足的元器件。 5． 系統(tǒng)的擴(kuò)展及各功能模塊的設(shè)計(jì)，留有適當(dāng)?shù)挠嗟?，以備將?lái)修改、 擴(kuò)展之需。 6． 硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。 7． 整個(gè)系統(tǒng)的性能要盡量做到性能匹配。 8． 在電路設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮應(yīng)用系統(tǒng)各部分的驅(qū)動(dòng)能力。 9． 可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)是硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)不可缺少的一部分。 硬件框架的設(shè)計(jì) 電子柱量?jī)x的測(cè)量原理就是通過(guò)電感傳感器將位移量轉(zhuǎn)換為電感量的變化，測(cè)頭與電感線圈內(nèi)的磁芯相連。當(dāng)磁芯處于兩線圈的中間 位置時(shí)，兩線圈的電感量相等，電橋平衡。當(dāng)測(cè)頭帶動(dòng)磁芯移動(dòng)時(shí)，線圈的電感量產(chǎn)生變化，從而交流阻抗相應(yīng)變化。當(dāng)振蕩器供電的電橋失去平衡而輸出一個(gè)交流 電壓信號(hào)， 其幅值則正比與磁芯的位移。將此點(diǎn)壓信號(hào) 送入微處理器，經(jīng)過(guò)微處理器處理后送顯示器，并與用戶的預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較，超限報(bào)警，并對(duì) 數(shù) 據(jù)進(jìn)行濾波、存儲(chǔ)、顯示， 使之 能與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。結(jié)構(gòu)圖如圖 31 所示 。 16 圖 31 電子柱量?jī)x硬件框架系統(tǒng) 硬件各模塊的設(shè)計(jì) 傳感器信號(hào)調(diào)理模塊 自感式傳感器電感量變換為電壓信號(hào)的變換原理，如圖 32 所示。該信號(hào)調(diào)理模塊，通過(guò)測(cè) 量電橋?qū)㈦姼辛孔兓儞Q為電信號(hào)，最終輸出正比于電感量變化的直流電壓信號(hào) [8]。通過(guò)調(diào)整電路參數(shù)實(shí)現(xiàn)與電感傳感器性能的最佳匹配。電路中電源電壓的大小和穩(wěn)定性直接影響著傳感器的靈敏度和精度。 17 圖 32 傳感器信號(hào)調(diào)理模塊 差動(dòng)交流放大器 本課題采用的放大器由 3 個(gè)運(yùn)算放大 器 組成 數(shù)據(jù)放大器 ， 其原理圖 如圖33 所示。 圖 33 放大電路原理圖 A A A3 按理想放大器分析 ，由圖可知， U3=U1， U4=U2，可求得 R2上的電流為： 221RUUI ?? (25) 進(jìn)一步可 求得： 18 112 215 URR UUU ???? (26) 212 216 URR UUU ????? (27) 定義 21 UUU ??? ，則有： 1265 2 RR UUUU ?????? (28) U5― U6為 后級(jí)的差分輸入電壓， 可求得輸出電壓為： 43210 )21( RRRRUU ???? (29) 在電路設(shè)計(jì)中一般令 R3=R4， 運(yùn)算放大器的增益公式簡(jiǎn)化 ： )21( 210 RRUU ??? (210) 由式 210 可見(jiàn)，調(diào)節(jié) R2 即可方便地調(diào)節(jié)電路增益?？?證明，在前級(jí) A1和 A2 參數(shù)匹配，即它們外部電路參數(shù)相同且其電氣特性也相同的情況下，兩個(gè)輸入端的失調(diào)所導(dǎo)致的輸出是互相抵消的。由 A3 組成的后級(jí)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的差動(dòng)放大器，其產(chǎn)生的輸出誤差失調(diào) 在 增益為 1 的情況下也是很小的。 因此，該數(shù)據(jù)放大器是一種高輸入電阻、高共模抑制比、高增益的直接耦合放大器，具有差動(dòng)輸入、單端輸出的特點(diǎn)，非常適合用于放大傳感器輸出的信號(hào) [9]。 相敏整流器 本課題采用的是方波相敏 整流 電路，如圖 34 所示 ： 19 圖 34 相敏整流電路 圖中 A1 為過(guò)零檢測(cè)器， A2 和三極管構(gòu)成了相敏整流器。 U0 為傳感器輸出信號(hào)， V2 為與振蕩信號(hào)同相的方波信號(hào)。其原理為：三極管工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，振蕩信號(hào) Vosc 經(jīng)過(guò)比較器產(chǎn)生同相的方波信號(hào) V2，當(dāng) V2 為高電平時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通， A2 同相輸入端接地， U0 加到 A2 的反相輸入端，放大器 A2 的放大倍數(shù)為 ― 1，輸出信號(hào) UI=― U0， 在 V2為低電平時(shí)，三極管截止， U0 同時(shí)加到放大器的同相和反相輸入端，放大器 A2 的放大倍數(shù)為 +1，輸出信號(hào) UI= U0。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入信號(hào)的整流過(guò)程，最后由濾波器將整流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)。其整流 波形如圖 35 所示： 圖 35 相敏 整流 波形圖 相敏整流 可用來(lái)檢測(cè)相位及幅值等。該電路的信號(hào)輸出幅值表示測(cè)量位移量的大小，信號(hào)的輸出的正負(fù)，則實(shí)現(xiàn)了傳感器銜鐵位移大小和方向的判斷。由分析可知，在傳感器銜鐵移動(dòng)方向相反時(shí)，差動(dòng)電橋輸出 U0 的方向是相反的，即相位差為 180176。，從 波形圖 中可以看出：相敏整流電路輸出 UI 的極性是對(duì)應(yīng)于 U0的相位的，從而實(shí)現(xiàn)了銜鐵移動(dòng)方向的判別 [10]。 20 低通濾波器 通過(guò)濾波電路，將相敏整流后的信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)，以反映位移量的變化，而被濾除的高頻信號(hào)為干擾信號(hào)、器件元件的噪聲、以 及相敏整流信號(hào)的各種。濾波器電路采用低通有源濾波器，如圖 36 所示。 圖 36 低通濾波器 電路 數(shù)據(jù)采集 模塊 一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制電路關(guān)鍵是微處理器以及 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇，以硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、電路成本低、有益于軟件設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)的總體原則。 綜合性價(jià)比考慮，本設(shè)計(jì)最終選擇的方案是： 采用內(nèi)置 12 位 ADC 及DAC 及高精度電壓基準(zhǔn)的單片機(jī)。因?yàn)檫@樣能使系統(tǒng)連線大為減少，同時(shí)內(nèi)置的 12 位 ADC、 DAC 使系統(tǒng)精度大為提高，這便大大簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)和程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程。 在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的初期，必須做出單片機(jī)的最初選 擇。使用的硬件平臺(tái)對(duì)后期的軟件和硬件設(shè)計(jì)決策有相當(dāng)大的影響，本課題選用 ADμC812 單片機(jī)。 ADμC812 中集成 8 通道 12 位單電源 ADC，是基于電容 DAC 的常規(guī)逐次逼近轉(zhuǎn)換器原理組成的。其模擬輸入電壓范圍為 0VVREF，內(nèi)部提供高精度、低漂移并經(jīng)過(guò)工廠標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)的 基準(zhǔn)電壓，同時(shí)也可由外部基準(zhǔn)經(jīng) VREF驅(qū)動(dòng)，可在 引腳電壓范圍內(nèi)。其框圖如圖 37 所示： 21 78C R E F外 部 參 考 源內(nèi) 部 基 準(zhǔn)A D C 0A D C 711 4A I NM U X采 樣保 持1 2 位 A D轉(zhuǎn) 換 和校 準(zhǔn) 單 元控 制 器 圖 37 使用片外基準(zhǔn)電源 ADC 原理 采用單片機(jī)內(nèi)部的內(nèi)置 A/D 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，在簡(jiǎn) 化硬件電路， AD 控制及軟件編程方面有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但這樣相應(yīng)的犧牲了系統(tǒng)的靈活性，外部的輸入信號(hào)必須為單極性正電源輸入，范圍在 0VREF之間， AD 轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)才是有意義的，而基準(zhǔn)源電壓范圍為 ，可見(jiàn)輸入信號(hào)的范圍較小。在本課題中采用 3V 外部基準(zhǔn)參考源，此時(shí) 12 位 A/D 采樣值的 1LSB 的變化代表的輸入電壓的變換量為 3V/4096=732μV，可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)電路的設(shè)計(jì)特別模擬輸入電路是要充分考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性，否則很難達(dá)到系統(tǒng)的精度要求。 本儀器設(shè)計(jì)的模擬量輸入通道共有四路，它們的 電路結(jié)構(gòu)和功能完全一致，以一個(gè)通道為例說(shuō)明其電路構(gòu)成。輸入通道電路原理如圖 38 所示。 22 圖 38 模擬 輸入通道電路 由圖可知，該電路包括輸入級(jí)運(yùn)放、 RC 濾波、保護(hù)限壓三部分組成。 由于 A/D 轉(zhuǎn)換器存在直流漏電流，如果電路信號(hào)源阻抗太大，就會(huì)產(chǎn)生明顯誤差，由數(shù)據(jù)手冊(cè)可知 ADμC812 模擬輸入最大有 10μA 的漏電流，即10IA??? ，源阻抗為 61Ω， 為基準(zhǔn)源時(shí)，誤差電壓有： 1 0 6 1 6 1 0U I R A V? ? ? ?? ? ? ? ? ? 2 .51 6 1 04096LS B V V??? 1U LSB? ? 可知該誤差剛好對(duì)應(yīng) A/D 的 1LSB 誤差，輸入運(yùn)算放大器的接入有利于降低輸入信號(hào)的輸入阻抗，從而降低測(cè)量誤差。 RC 電路有利于濾除一些高頻率噪聲，看似是濾波器電路，但實(shí)際上其截止頻率遠(yuǎn)在 AD 采樣的奈奎斯特頻率之上，其主要功能是保證抑制 ADC 輸入在切換通道時(shí)的沖擊，由于在選擇新通道時(shí)，來(lái)自轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的 2pF 取樣電容器的駐留電荷會(huì)產(chǎn)生瞬間沖擊，在保持之前，信號(hào)源必須消除這種瞬時(shí)沖擊，可以通過(guò)在軟件中加入延時(shí)來(lái)穩(wěn)定信號(hào)，或者通過(guò)硬件 方法，即采用快速運(yùn)放來(lái)穩(wěn)定信號(hào)。本課題中采用加入電容器的方法，即不增加軟件負(fù)擔(dān)，又不需要高成本的快速運(yùn)放，就可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的穩(wěn)定。由于 電容是 2pF 的4096 倍以上。當(dāng)來(lái)自先前通道的 2pF 電荷被投放到它的時(shí)候， 電容器上的電壓變化不到 12 位分辨率的最低有效位 (1LSB，即 FS/4096)。 圖中肖特基二極管是為了限制輸入引腳電壓，由于對(duì) ADμC812 安全輸入 23 電壓范圍為 0V