高精度懸浮軸振動(dòng)測量傳感器設(shè)計(jì)-資料下載頁
2025-08-24 14:42本頁面
【導(dǎo)讀】感器靈敏度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)施起來則更加困難。目前，在非接觸測振傳感。器的研究方面，主要有電渦流測振傳感器和激光傳感器。附近的電磁干擾和溫度的影響，激光傳感器成本高，穩(wěn)定性差?？紤]到電容傳感器結(jié)構(gòu)簡單、浮軸振動(dòng)測量傳感器，并在測量過程中實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)信號(hào)處理的數(shù)字化。器的采樣、差頻計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)、單片機(jī)智能控制幾大部分。元件，因而，電容量的變化會(huì)引起振蕩器輸出頻率的變化。同時(shí)，選擇另一只電容傳感器作。為溫度補(bǔ)償傳感器，通過振蕩器同樣得到一個(gè)頻率信號(hào)。振動(dòng)信號(hào)的采樣是由光電編碼器的。入差頻計(jì)數(shù)器就能得到固定時(shí)間間隔內(nèi)的計(jì)數(shù)值，送C8051F020單片機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，另外，設(shè)計(jì)時(shí)對電容傳感器的靈敏度、線性及寄生。電容的影響也給予充分考慮。設(shè)計(jì)時(shí)采用2只電容傳感器：1只用于測量，1只用于溫度補(bǔ)。△T是利用單片機(jī)計(jì)數(shù)光電編碼器的輸出脈沖確定的。由于光電編碼器采樣的時(shí)間間隔約為
【正文】 個(gè)與甲烷濃度成正比的電壓信號(hào)輸出 ,測出此信號(hào)的大小即可知道甲烷濃度的高低 ,信號(hào)將輸出到 A /D 轉(zhuǎn)換電路。 圖 2 載體催化元件檢測甲烷濃度的原理 甲烷檢測橋路 將圖 2 簡化如圖 3所示。當(dāng)電橋輸出端接至高輸入阻抗裝置 (如運(yùn)算放大器或數(shù)字電壓表等 )時(shí) ,電橋相當(dāng)于工作在輸出開路狀態(tài) ,其輸出電壓為 : 圖 3 簡化電路 A /D 轉(zhuǎn)換電 路 根據(jù)該傳感器的多功能與高精度要求 ,A /D 轉(zhuǎn)換電路采用 TLC2543C,把測量模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。 TLC2543C 為 10 位開關(guān)電容逐次逼近的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。通過一個(gè)串行的 3 態(tài)輸出端與主處理器或其他外圍器件相連 ,減少了硬件走線。除了高速轉(zhuǎn)換和通用控制功能之外 ,器件具有 11 路的模擬輸入端 ,完全能夠滿足多路采樣和功能升級(jí)。器件的轉(zhuǎn)換器結(jié)合外部輸入的差分高阻抗基準(zhǔn)電壓 ,具有簡化比例轉(zhuǎn)換以及模擬電路與邏輯電路和電源噪聲隔離的特點(diǎn)。開關(guān)電容的設(shè)計(jì)還可以使在整個(gè)溫度范圍內(nèi)減小轉(zhuǎn)換誤差 ,提高系統(tǒng)的精度。 顯示電路和 RS232 串行口通信電路及硬件看門狗電路 為了適 應(yīng)礦井環(huán)境 ,該傳感器采用帶背光的寬液晶顯示屏 ,增強(qiáng)視覺效果 ,并且?guī)в腥諝v、時(shí)間顯示功能。 與 PC機(jī)進(jìn)行通信 ,存儲(chǔ)數(shù)據(jù) ,從而對礦井環(huán)境建立數(shù)據(jù)庫 ,對環(huán)境進(jìn)行分析 ,單片機(jī)的串行口加上 MAX232電平轉(zhuǎn)換器 ,采用 3 線制與 PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送 ,波特率為 9 600 bp s。單片機(jī) T1計(jì)數(shù)器作為串行口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的波特率發(fā)生器。采用 XI2COR公司帶有串行接口 ( SP I) EEPROM的看門狗芯片 X5045,在傳感器初始化時(shí)進(jìn)行設(shè)置 ,并且將其設(shè)置數(shù)據(jù)保存在 EEPROM 中。使整個(gè)系統(tǒng)的可靠性大大提高 ,而且最大程度 的節(jié)省了系統(tǒng)的資源。 外遙控電路和放大電路 系統(tǒng)中也使用了紅外通信的模式。 TOSH IBA的 TC9148P 紅外調(diào)制發(fā)射芯片 ,有單鍵發(fā)射功能和連續(xù)發(fā)射功能。遙控發(fā)射器的選擇、上調(diào)、下調(diào)三鍵均采用連續(xù)發(fā)射的模式。接收部分只采用了紅外接收頭 ,在單片機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了軟件解碼的功能。紅外遙控的使用使得操作方便、可靠。 采用數(shù)字電位器 X9313 取代了模擬電位器。對傳感器的精度和靈敏度進(jìn)行調(diào)整 ,使得精度和準(zhǔn)確度提高。 4 軟件設(shè)計(jì)和算法實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)上電后 ,首先對單片機(jī)進(jìn)行初始化 ,然后對 A /D 進(jìn)行 初始化 ,之后系統(tǒng)開始工作。首先采樣甲烷濃度并顯示 ,超過安全值報(bào)警 。 然后采樣環(huán)境溫度并顯示 。 最后顯示時(shí)間 ,循環(huán)采樣并實(shí)時(shí)顯示。 另一方面用外部中斷 INT0等待鍵盤輸入 ,INT0中斷即進(jìn)入鍵盤設(shè)置程序 ,可調(diào)整日歷時(shí)間、設(shè)置安全報(bào)警值。其主程序與 PC機(jī)和紅外線、鍵盤中斷程序流程圖如圖 4 所示。在系統(tǒng)工作的初始狀態(tài)設(shè)定完成之后 ,可以對甲烷傳感器進(jìn)行氣體的測定。 圖 4 主程序與 PC和紅外線、鍵盤中斷程序流程圖 Script type=text/javascript function ImgZoom(Id)//重新設(shè)置圖片大小 防止撐破表格 { var w = $(Id).width。 var m = 650。 if(w m){return。} else{ var h = $(Id).height。 $(Id).height = parseInt(h*m/w)。 $(Id).width = m。 } } = function() { var Imgs = $(content).getElementsByTagName(img)。 var i=0。 for(。i 5 誤差討論 工作電壓帶來的誤差 由傳感器測 量電路輸出電壓推導(dǎo)公式可知 ,在對輸出電壓線性化時(shí)忽略了二次項(xiàng) ,因此存在著非線性誤差 ,這個(gè)誤差可以在單片機(jī)中采用模糊數(shù)學(xué)補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行消除。在 A /D ( TLC2543)轉(zhuǎn)換通道中 ,基準(zhǔn)電壓的波動(dòng)可導(dǎo)致不可預(yù)測的誤差甚至錯(cuò)誤結(jié)果。這種誤差的消除方法只有在基準(zhǔn)電壓輸入端采用精密電源芯片 ,使電壓值穩(wěn)定在準(zhǔn)確值 V。 算法誤差 設(shè)計(jì)中乘除法采用 4 字節(jié)的定點(diǎn)算法 ,數(shù)字表示范圍是 : 0～ 4 294 967 295。計(jì)算結(jié)果的相對誤差在 104 ,所以計(jì)算精度可以得到保證。最終的相對誤差 在 %以下。 6 結(jié)論 (1)處理芯片的升級(jí) ,滿足 0%～ 4%甲烷濃度測量。在此范圍之中測量誤差在 %以內(nèi)。甲烷濃度超出安全值準(zhǔn)確報(bào)警 ,同時(shí)可測量和顯示環(huán)境溫度。 (2)傳統(tǒng)儀表功能擴(kuò)展 :日歷、時(shí)鐘顯示 ,紅外遙控芯片使用和硬件看門狗電路。 (3)測量儀表自動(dòng)化程度高 ,無需大量手工操作。可與 PC機(jī)進(jìn)行通信 ,為礦井環(huán)境數(shù)據(jù)庫的建立 ,從而分析井下環(huán)境走勢提供了必要條件。尤其是儀表的紅外芯片的使用方便了調(diào)試和使用。 (4)實(shí)現(xiàn)了低功耗 ,高可靠性 ,操作方便。正常工作情況下處于充電 ,備用電池在 現(xiàn)場斷電情況下自動(dòng)切換。 在目前的試用中 ,對該傳感器的設(shè)計(jì)反映很好 ,它能夠可靠、穩(wěn)定、安全的測量井下瓦斯 ,對于預(yù)防井下安全事故起到了重要作用 ,具有推廣應(yīng)用價(jià)值。
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