【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 由上式可以看出：交流電橋的輸出電壓與傳感器線圈電感的相對(duì)變化量是成正比的。 變壓器式電橋如圖二 b所示，它的平衡臂為變壓器的兩個(gè)二次側(cè)繞組，當(dāng)負(fù)載阻抗無(wú)窮大時(shí)輸出電壓為： 由于是雙臂工作形式當(dāng)銜鐵下移時(shí)， Z1=Z△ Z， Z2=Z+△ Z，則有： 同理，當(dāng)銜鐵上移時(shí)，則有： 可見(jiàn)，輸出電壓反映了傳感器線圈阻抗的變化，由于是交流信號(hào)，還要經(jīng)過(guò)適當(dāng)電路處理才能判別銜鐵位移的大小及方向。 圖三是軸向式電感測(cè)頭的結(jié)構(gòu)圖。測(cè)頭 10 用螺釘擰在測(cè)桿 8 上 ,測(cè)桿 8 可在鋼球?qū)к?7 上作軸向移動(dòng)。測(cè)桿上端固定著銜鐵 3 。線圈 4 放在圓筒形磁心 2 中 ,兩線圈差動(dòng)使用 ,當(dāng)銜鐵過(guò)零點(diǎn)上移時(shí) ,上線圈電感量增加 ,下線圈電感量減少。兩線圈輸出由引線 1 接至測(cè)量電路。測(cè)量時(shí) ,測(cè)頭 10 與被測(cè)物體接觸 ,當(dāng)被測(cè)物體有微小位移時(shí) ,測(cè) 頭通過(guò)測(cè)桿 8 帶動(dòng)銜鐵 3 在電感線圈 4 中移動(dòng) ,使線圈電感值變化 ,通過(guò)引線接入測(cè)量電路。彈簧 5 產(chǎn)生的力 ,保證測(cè)頭與被測(cè)物體有效地接觸。防轉(zhuǎn)銷(xiāo) 6 限制測(cè)桿轉(zhuǎn)動(dòng) ,密封套 9 防止灰塵進(jìn)入傳感器內(nèi)部。 圖 4 電感測(cè)頭結(jié)構(gòu)圖 ZZUURZZ ZZRRZURR RUZZ ZU ???? ???????? 22)( )(2..21211.211.2110.LLUU ?? 2.0.2112..221...20.222 ZZZZUUZZZUUIZ????????ZZUU ?? . ZZUU ??? . 我們?cè)O(shè)計(jì)及測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，很多時(shí)侯需要正弦波信號(hào) 。在電感式位移傳感測(cè)量電路中，我們需要一個(gè)頻率和幅值都穩(wěn)定的電路，否則會(huì)造成測(cè)量不穩(wěn)定及很大的誤差。 正弦波作為變壓器電橋的橋源，其精度對(duì)電橋的輸出信號(hào)影響極大，對(duì)于其幅值和頻率的穩(wěn)定性都有很高的要求。由于傳感器的 工作環(huán)境通常比較惡劣，竄入電源的隨機(jī)干擾不可避免，因此在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)該具有自動(dòng)補(bǔ)償環(huán)節(jié)。 圖 5 正弦波發(fā)生電路 由差動(dòng)電感傳感器的幅頻特性可知，傳感器的頻率選在平坦區(qū)域偏高點(diǎn) (提高靈敏度 )，頻率波動(dòng)將有可能改變傳感器的工作點(diǎn)，引起幅值的變化。而圖 傳感器的幅頗特性另一方面，電路總體設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)峰一峰采樣，即采樣頻率和模擬信號(hào)頻率應(yīng)保持嚴(yán)格的兩倍關(guān)系，這兩個(gè)信號(hào)頻率都由標(biāo)準(zhǔn)振蕩電路給出。顯然，任一個(gè)信號(hào)頻率的波動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致采不到 峰值，帶來(lái)的測(cè)量誤差是很大的。所以對(duì)信號(hào)源頻率的要求特點(diǎn)是單一穩(wěn)定。對(duì)于頻率單一穩(wěn)定的信號(hào)發(fā)生，最理想的是石英晶體振蕩器，石英的物理特性十分穩(wěn)定，而且品質(zhì)因數(shù)高，選頻特性好，波形失真小，在 20186。~60186。的范圍內(nèi)其頻率的穩(wěn)定度可以達(dá)到 107。所以電路采用了由石英晶振和 MC14060分頻器構(gòu)成信號(hào)源。石英 晶 體 振蕩器產(chǎn)生，經(jīng)振蕩分頻器 27，和 28分頻后產(chǎn)生 4KHZ的方波信號(hào)分別作為激勵(lì)信號(hào)和采樣的觸發(fā)信號(hào)實(shí)現(xiàn)峰一峰值采樣以及作為進(jìn)入 I/O作為 讀取波峰、波谷的參考信號(hào)。 正弦波信號(hào)的幅值將直接影響傳感器的輸出，為保證正弦波信號(hào)幅值的穩(wěn)定性，在電路設(shè)計(jì)上采用了穩(wěn)幅電路進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。穩(wěn)幅電路的基本思路是將輸出的變化量取出，補(bǔ)償?shù)捷斎攵?。?dāng)輸出增大時(shí)，補(bǔ)償?shù)淖饔檬秦?fù)反饋，使輸入信號(hào)被減少，當(dāng)輸出減少時(shí)，補(bǔ)償?shù)淖饔檬馆斎胄盘?hào)增大，從而保持輸出不變。在實(shí)際的測(cè)試電路中，主要有直流比較（如圖 6所示）和交流比較（如圖 7所示）兩石英晶振 可變?cè)鲆娣糯笃?K 積分放大 積分放大 比例積分 精密整流 參考電壓 U ． U ０ ． R 0 a) U ． U ０ ． R 0 b) U ． U ０ ． R 0 c) C 0 C 圖 8 減小零點(diǎn)電路 E 2 E 2 E 22 E 21 E 0 種典型電路 。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 圖 6 直流比較 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 圖 7 交流比較 在圖五所示的直流比較電路中，輸出信號(hào)經(jīng)衰減和精密整流之后，與標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)進(jìn)行比較，誤差值經(jīng)放大后去控制乘法器的放大增益，從而改變放大電路的輸入幅度，使輸出穩(wěn)定。這種電路由于有積分環(huán)節(jié)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與輸出有偏差時(shí)，通過(guò)積分最后消除輸出誤差，所以直流標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與交流輸出之間的線性極好，其缺點(diǎn)是對(duì)積分放大環(huán)節(jié)引起的波形失真沒(méi)有補(bǔ)償。 在圖六所示的交流比較電路中，輸出的交流信號(hào)衰減后與給定的標(biāo)準(zhǔn)交流信號(hào)進(jìn)行比較，誤差直接交流放大后與標(biāo)準(zhǔn)交流信號(hào)相加減，從而穩(wěn)定輸出。這種電 路線路相對(duì)比較簡(jiǎn)單，由于是交流瞬時(shí)值的比較，還可補(bǔ)償功率放大的波形失真，缺點(diǎn)是 :標(biāo)準(zhǔn)交流信號(hào)與交流輸出信號(hào)之間有靜差，因此線性比較差。為保證正弦波的精度，我們選擇直流比較電路來(lái)提高波形精度。 對(duì)于 變 壓 器電橋，從理論上來(lái)說(shuō)，當(dāng) Z1=Z 2時(shí)，電橋平衡，輸出電壓為零，但實(shí)際制作時(shí)要滿足兩電感線圈的等效參數(shù)完全相等是很難達(dá)到的，因此，即便是銜鐵位于平衡位置時(shí)，仍然存在有一定的電壓輸出，稱(chēng)為零點(diǎn)殘余電壓。 零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)的存在，使得傳感器的輸出特性在零點(diǎn)附近不靈敏，也對(duì)傳感器的線 性度有一定的影響，給測(cè)量帶來(lái)誤差，此值的大小是衡量差動(dòng)變壓器性能好壞的重要指標(biāo)。 所以在對(duì)變壓器電橋的設(shè)計(jì)和制作時(shí)有必要采用一定的措施。 差動(dòng)變壓器的輸出特性曲線如圖八所示 .圖中 E2 E22分別為兩個(gè)二次繞組的輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)， E2為差動(dòng)輸出電動(dòng)勢(shì) x表示銜鐵偏離中心位置的距 離。其中 E2的實(shí)線表示理想的輸出特性，而虛線 部分表示實(shí)際的輸出特性。 E0為零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)， 這是由于差動(dòng)變壓器制作上的不對(duì)稱(chēng)以及鐵心位 置等因素所贊成的。 為了減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)可采取以下方法： 盡可 能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路的對(duì)稱(chēng)。磁性材料要經(jīng)過(guò)處理，消除內(nèi)部的殘余應(yīng)力，使其性能均勻穩(wěn)定。 選用合適的測(cè)量電路，如采用相敏整流電路。既可判別銜鐵移動(dòng)方向雙可改善輸出特性，減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。 采用補(bǔ)償線路減小零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)。在差動(dòng)變壓器二次側(cè)串、并聯(lián)適當(dāng)數(shù)值的電阻電容元件，當(dāng)調(diào)整這些元件時(shí)，可使零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)減小。 在許多需要 A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字采集的單片機(jī)系統(tǒng)中，很多情況下，傳感器輸出的模擬信號(hào)都很微弱，必須通過(guò)一個(gè)模擬放大器對(duì)其進(jìn)行一定倍數(shù)的放大，才能滿足 A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)電平的要求，這種情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。儀表器的選型很多，我們這里介紹一種用途非常廣泛的儀表放大器，其實(shí)就是典型的差動(dòng)放大器。它只需三個(gè)廉價(jià)的普通運(yùn)算放大器和幾只電阻器，即可構(gòu)成性能優(yōu)越的儀表用放大器。 交流放大電路的誤差主要由于集成運(yùn)放的輸入偏置電流、失調(diào)電流和失調(diào)電壓以及溫漂等參數(shù)不為零，電阻器阻值隨溫度的變化，外部電網(wǎng)電壓、溫度和負(fù)載電流的選擇運(yùn)放和電阻器，合理地進(jìn)行布線和安裝元器件，對(duì)運(yùn)放仔細(xì)調(diào)零等。 圖 10 放大電路 3． 7相敏檢波電路 在精密測(cè)量中，進(jìn)入測(cè)量電路的除了傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)外，還往往有各種噪聲。而傳感器的輸出信號(hào)一般又很微弱，將測(cè)量信號(hào)從含有噪聲的信號(hào)中分離出來(lái)是測(cè)量電路的一項(xiàng)重要任務(wù)。為了便于區(qū)別信號(hào)與噪聲，往往給測(cè)量信號(hào)賦以一定特征，這就是調(diào)制的主要功用。在將測(cè)量信號(hào)調(diào)制，并將它和噪聲分離，再經(jīng)放大等處理后，還要從已經(jīng)調(diào)制的信號(hào)中提取反映被測(cè)量值的測(cè)量信號(hào)，這一過(guò)程稱(chēng)為解調(diào)。 通過(guò)調(diào)制，對(duì)測(cè)量信號(hào)賦以一定的特征，使已調(diào)信號(hào)的頻帶在以載波信號(hào)頻率為中心的很窄的范圍內(nèi)，而噪聲含有各種頻率，即近乎于白噪聲。這時(shí)可以利用選頻放 大器、濾波器等，只讓以載波頻率為中心的一個(gè)很窄的頻帶內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，就可以有效地抑制噪聲。采用載波頻率作為參考信號(hào)進(jìn)行比較，也可抑制遠(yuǎn)離參考頻率的各種噪聲。 圖 11是一個(gè)采用了帶相敏整流的交流電橋。差動(dòng)電感式傳感器的兩個(gè)線圈作為交流電橋相鄰的兩個(gè)工作臂，指示儀表是中心為零刻度的直流電壓表或數(shù)字電壓表。 圖 11 帶相敏整流的交流電橋 設(shè)差動(dòng) 電感傳感器的線圈阻抗分別為 Z1 和 Z2。當(dāng)銜鐵處于中間位置時(shí)，Z1=Z2=Z，電橋處于平衡狀態(tài)， C點(diǎn)電位等于 D點(diǎn)地位，電表指示為零。 當(dāng)銜鐵上移，上部線圈阻抗增大， Z1=Z+△ Z，則下部線圈阻抗減少， Z2=Z△ Z。如果輸入交流電壓為正半周，則 A 點(diǎn)電位為正， B 點(diǎn)電位為負(fù)，二極管 V V4導(dǎo)通， V V3 截止。在 AECB 支路中， C 點(diǎn)電位由于 Z1 增大而比平衡時(shí)的 C點(diǎn)電位降低；而在 AFDB 支中中， D 點(diǎn)電位由于 Z2 的降低而比平衡時(shí) D 點(diǎn)的電位增高，所以 D點(diǎn)電位高于 C點(diǎn)電位，直流電壓表正向偏轉(zhuǎn)。 如果輸入交流電壓為負(fù)半周， A點(diǎn)電位為負(fù)， B點(diǎn)電位為正，二極管 V V3導(dǎo)通， V V4 截止，則在 AFCB 支中中， C 點(diǎn)電位由于 Z2 減少而比平衡時(shí)降低（平衡時(shí)，輸入電壓若為負(fù)半周，即 B 點(diǎn)電位為正， A 點(diǎn)電位為負(fù)， C 點(diǎn)相對(duì)于B點(diǎn)為負(fù)電位， Z2減少時(shí)， C點(diǎn)電位更負(fù)）；而在 AEDB支路中， D 點(diǎn)電位由于Z1 的增加而比平衡 時(shí)的電位增高，所以仍然是 D 點(diǎn)電位高于 C 點(diǎn)電位，電壓表正向偏轉(zhuǎn)。 同樣可以得出結(jié)果：當(dāng)銜鐵下移時(shí)，電壓表總是反向偏轉(zhuǎn)，輸出為負(fù)。 可見(jiàn)采用帶相敏整流的交流電橋，輸出信號(hào)既能反映位移大小又能反映位移的方向。 3． 8 A/D轉(zhuǎn)換及顯示電路 在測(cè)量出信號(hào)之后送入單片機(jī)時(shí)要經(jīng)過(guò) A/D轉(zhuǎn)換。 A/D轉(zhuǎn)換器是測(cè)控系統(tǒng)中將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的重要器件。 A/D轉(zhuǎn)換的技術(shù)主要有：計(jì)數(shù)式 A/D轉(zhuǎn)換；逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換；雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換；并行 A/D、串 /并行 A/D轉(zhuǎn)換及 V/F變換等。在這些轉(zhuǎn)換中，主要區(qū)別是速 度、精度和價(jià)格。 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)有分辨率、量程、精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間。分辨率它是表示轉(zhuǎn)換器對(duì)微小輸入量變化的敏感程度，通常用轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示，目前常用芯片有 8位、 10位、 12位、 14位等。轉(zhuǎn)換時(shí)間是指從發(fā)出啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令到轉(zhuǎn)換結(jié)束獲得整個(gè)數(shù)字信號(hào)為止所需的時(shí)間間隔。我們常用的集成 A/D芯片有 ADC0809，它具有 8路模擬量輸入，可在程序控制下對(duì)任意通道進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)只有一路信號(hào)輸入，因此地址 A、B、 C直接接地 圖 12 ADC0809引腳圖 ADC0809外部引 腳示于圖 12，其引腳功能為： IN7～ IN0： 8路模擬量輸入端，在多路開(kāi)關(guān)控制下，任一時(shí)刻只能有一路模擬量實(shí)現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換。 A、 B、 C：多路開(kāi)關(guān)地址選擇輸入端，當(dāng)取值 000～ 111時(shí)與 A/D轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)的通道為 IN0～ IN7。 ALE：地址鎖存輸入線，該信號(hào)的上升沿可將地址選擇信號(hào) A、 B、 C鎖入地址寄存器。 START：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換輸入線，其上升沿用以清除 A/D內(nèi)部寄存器，其下降沿用以啟動(dòng)內(nèi)部控制邏輯，開(kāi)始 A/D轉(zhuǎn)換工作。 EOC：轉(zhuǎn)換完畢輸出線，其上出現(xiàn)高電平時(shí)表示 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。 21～ 28（ D7～ D0）： 為 8位數(shù)據(jù)輸出端，可直接接入微型機(jī)的數(shù)據(jù)總路線。 OE：