【正文】 4096 倍以上。 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 輸入在切換通道時的沖擊，由于在選擇新通道時，來自轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的 2pF 取樣電容器的駐留電荷會產(chǎn)生瞬間沖擊，在保持之前，信號源必須消除這種瞬時沖擊，可以通過在軟件中加入延時來穩(wěn)定信號，或者通過硬件 方法，即采用快速運(yùn)放來穩(wěn)定信號。 22 圖 38 模擬 輸入通道電路 由圖可知，該電路包括輸入級運(yùn)放、 RC 濾波、保護(hù)限壓三部分組成。 本儀器設(shè)計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，以一個通道為例說明其電路構(gòu)成。但這樣相應(yīng)的犧牲了系統(tǒng)的靈活性，外部的輸入信號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 ，可見輸入信號的范圍較小。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)過工廠標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)的 基準(zhǔn)電壓，同時也可由外部基準(zhǔn)經(jīng) VREF驅(qū)動，可在 引腳電壓范圍內(nèi)。使用的硬件平臺對后期的軟件和硬件設(shè)計決策有相當(dāng)大的影響，本課題選用 ADμC812 單片機(jī)。因為這樣能使系統(tǒng)連線大為減少，同時內(nèi)置的 12 位 ADC、 DAC 使系統(tǒng)精度大為提高，這便大大簡化了硬件電路的設(shè)計和程序的開發(fā)過程。 圖 36 低通濾波器 電路 數(shù)據(jù)采集 模塊 一個測量系統(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)計簡單、電路成本低、有益于軟件設(shè)計為設(shè)計的總體原則。 20 低通濾波器 通過濾波電路，將相敏整流后的信號轉(zhuǎn)化為直流信號，以反映位移量的變化，而被濾除的高頻信號為干擾信號、器件元件的噪聲、以 及相敏整流信號的各種。由分析可知，在傳感器銜鐵移動方向相反時，差動電橋輸出 U0 的方向是相反的，即相位差為 180176。其整流 波形如圖 35 所示： 圖 35 相敏 整流 波形圖 相敏整流 可用來檢測相位及幅值等。其原理為：三極管工作于開關(guān)狀態(tài)，振蕩信號 Vosc 經(jīng)過比較器產(chǎn)生同相的方波信號 V2，當(dāng) V2 為高電平時，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 UI=― U0， 在 V2為低電平時，三極管截止， U0 同時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 UI= U0。 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 為過零檢測器， A2 和三極管構(gòu)成了相敏整流器。由 A3 組成的后級是一個標(biāo)準(zhǔn)的差動放大器，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。 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)計中一般令 R3=R4， 運(yùn)算放大器的增益公式簡化 ： )21( 210 RRUU ??? (210) 由式 210 可見，調(diào)節(jié) R2 即可方便地調(diào)節(jié)電路增益。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。該信號調(diào)理模塊，通過測 量電橋?qū)㈦姼辛孔兓儞Q為電信號，最終輸出正比于電感量變化的直流電壓信號 [8]。結(jié)構(gòu)圖如圖 31 所示 。當(dāng)振蕩器供電的電橋失去平衡而輸出一個交流 電壓信號， 其幅值則正比與磁芯的位移。當(dāng)磁芯處于兩線圈的中間 位置時，兩線圈的電感量相等，電橋平衡。 9． 可靠性及抗干擾設(shè)計是硬件系統(tǒng)設(shè)計不可缺少的一部分。 7． 整個系統(tǒng)的性能要盡量做到性能匹配。 5． 系統(tǒng)的擴(kuò)展及各功能模塊的設(shè)計，留有適當(dāng)?shù)挠嗟?，以備將來修改? 擴(kuò)展之需。 3． 盡量選用功能強(qiáng)、集成度高的芯片，提高系統(tǒng)可靠性。為了使硬件電路設(shè)計趨向合理，借鑒別人的成功經(jīng)驗，系統(tǒng)的電路設(shè)計中著重考慮到如下幾個方面 [7]： 1． 盡可能選擇典型電 路。 15 第 3章 系統(tǒng) 硬件 設(shè)計 硬件設(shè)計原則 要實(shí)現(xiàn)一臺功能豐富、運(yùn)行穩(wěn)定、工作獨(dú)立的量儀，首先要考慮的就是系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。在整個測量環(huán)節(jié)中，傳感器的測量精度影響和決 定著整個儀器可實(shí)現(xiàn)的測量精度，而傳感器輸出信號的后續(xù)信號處理電路對整個儀器的精度影響不大。但實(shí)際上，由于磁場強(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。 單個線圈的電感為： l rNL 220??? (21) 當(dāng)進(jìn)入線圈的鐵芯長度為 cl ，則線圈的電感為： 22220 ])1([l rllrNL ccr ??? ??? (22) 當(dāng)鐵芯長度增加 cl? 時，則電感量的變化為： 2220 )1(l lrNL crc ???? ??? (23) 式中 N — 單個線圈的匝數(shù)； 0? — 空氣的磁導(dǎo)率； r— 線圈半徑； l — 線圈長度； 13 cr — 鐵芯半徑； cl — 鐵芯長度； r? — 鐵芯磁導(dǎo)率； cl? — 鐵芯長度變化量； 例如現(xiàn)有一單線圈 式 傳感器與一差動式傳感器，其各種情況均相同，線圈匝數(shù) N =1000 ，線 圈半徑 r = ， 線圈 長度 l =25mm ， 磁芯 半徑cr =，鐵芯長度 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? =。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。 自感式螺管型差動傳感器結(jié)構(gòu)圖 [6]如圖 22 所示。 差動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，輸出信號大一倍； 、電源波動 、外間干擾、電磁吸力對傳感器精度影響，能相互抵消而減少。所以，近年來這種類型傳感器的使用逐漸減少。也可以分為氣隙型、截面型和螺管型三種。一般，這種傳感器的二次線圈有兩個，接線方式 又是差動的，故常稱之為差動變壓器式傳感器。此外，螺管型還具有自由行程可任意安排、制造方便等優(yōu)點(diǎn)，在批量生產(chǎn)中的互換性較好，這給測量儀器的調(diào)試、使用帶來很大的方便，尤其在使用多個測微儀組合來測量物體形狀的時候。截面型具有較好的線性，自幼行程較大，制造裝配比較方便，但靈敏度較低。 自感式電感傳感器有氣隙型、截面型和鑼管型。此外，利用電渦流原理的電渦流式傳感器， 利用壓磁原理的壓磁式傳感器，利用平面繞組互感原理的感應(yīng)同步器，亦屬此類。 電感式傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單可靠、輸出功率大、輸出阻抗小、抗干擾能力強(qiáng)、對工作環(huán)境 要求不高、分辨力較高（如在測量長度時一般可達(dá)）、示值誤差一般為示值范圍的 %%、穩(wěn)定性好。 電感傳感器 電感 式 傳感器的特點(diǎn) 電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化實(shí)現(xiàn)測量的一種裝置，其核心部分是可變自感或可變互感， 在將被測量轉(zhuǎn)換成線圈自感或線圈互感的變化時，一般要利用磁場作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象。 敏感元件與轉(zhuǎn)換元件在結(jié)構(gòu)上常是裝在一起的，而基本轉(zhuǎn)換電路為了減小外界的影響也希望和 它們裝在一起，不過由于空間的限制或者其他原因，基本轉(zhuǎn)換電路常裝入電箱中。有些傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成， 如壓電式加速傳感器，其中質(zhì)量塊石敏感元件，壓電片是轉(zhuǎn)換元件，因傳感元件的輸出量已是電量，故無須轉(zhuǎn)換電路。傳感器只完成被測參數(shù)至電量的基本轉(zhuǎn)換，然后輸入到測控電路，進(jìn)行放大、運(yùn)算、處理等進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，以獲得被測值或進(jìn)行過程控制。 如應(yīng)變式壓力傳感器中的應(yīng)變片就是傳感元件，它的作用是將彈性載體的變形轉(zhuǎn)換成電阻值的變化。 如應(yīng)變式壓力傳感器的彈性載體就是敏感元件，它的作用是將壓力轉(zhuǎn)換成彈性載體的形變。從字面上可以作如下解釋：傳感器的功用是一 感二傳，即感受被測信息并傳送出去。 此定義具有以下幾方面的含義： 部分，能完成部分監(jiān)測任務(wù)； ，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等； ， 這種量要便于轉(zhuǎn)換、處理等等，這種量可以是氣、光、電物理量，但主要是電物理量； 有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。 3. 電子柱量儀和控制軟件之間通訊協(xié)議的設(shè)計。 設(shè)計內(nèi)容 該課題的設(shè)計內(nèi)容主要包括 三 部分： 1. 電子柱量儀硬件電路的設(shè)計 。 4. 能夠通過外部通訊口實(shí)現(xiàn)與計算機(jī)和其他設(shè)備的通訊。 8 2. 通過設(shè)定不同的報警 /預(yù)警公差帶的上下限 ，并搭配不同的自感式差動傳感器及其信號處理模塊可實(shí)現(xiàn)不同尺寸的測量。 設(shè)計目標(biāo) 設(shè)計目標(biāo)如下： 1. 通過自感式差動傳感器可測量工件的形位誤差或尺寸誤差，并用 LED三色光柱對結(jié)果進(jìn)行顯示。 課題研究內(nèi)容 設(shè)計目的 本 設(shè)計的目的 是 開發(fā)一種 高精度 的三色電子柱量儀?？梢哉fLED 光柱顯示器替代儀表指針，已成為儀表儀器行業(yè)的新趨勢 [3,4]。近年對 LED 光柱顯示 (又稱為 LED 條形顯示 )開發(fā)和應(yīng)用也開展了不少的研究， LED 光柱顯示是一種可以集指針顯示和數(shù)字顯示兩者優(yōu)點(diǎn)與一身的顯示技術(shù)。 自上世紀(jì) 九十 年代以來， LED 作為一種新型光源有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。 在現(xiàn)代工業(yè)測量控制領(lǐng)域中，各種儀器對參數(shù)的顯示方式中最常見的主要有兩種：指 針式和數(shù)字顯示式，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，在不同的應(yīng)用場合應(yīng)采用不同的顯示方式。 八十年 代中期，歐美一些國家先后推出了品種繁多的電子柱（氣動或電感式）測微儀，顯示裝置常用 101 只發(fā)光二極管（簡稱 LED 光柱）或 301 只 PDP光柱顯示，測量時由一大串 LED（或 PDP）發(fā)亮，形成一條彩色光柱，示值清晰醒目，稱之“溫度計”效應(yīng)。美國 Vernon 公司，西德 Feinpruf 公司和意大利 Marposs 公司等先后應(yīng)用了 PDP 顯示板，研制成電子柱電感式測微儀。量儀設(shè)計師們自然想到量儀直列拼臺式的優(yōu)點(diǎn)。檢驗員要逐個觀看指針是否在合格的范圍內(nèi)，既費(fèi)時 又疲勞。 電感式測量儀雖具有高精度、高效率，能進(jìn)行和差演算、記憶、峰值測量及數(shù)顯等特點(diǎn)，但顯示方式傳統(tǒng)為指針和數(shù)顯，這種顯示方式在單參數(shù)測量中還比較適用，用于多參數(shù)綜合測量就極不方便。美國?？瘯?3825827 中為“浮標(biāo)效果”。這一變化是出人意料的，因為美國是浮標(biāo)氣動量儀的發(fā)源地，為何變化如此之快呢？因為電子柱量儀克服了浮標(biāo)氣動量儀的許多缺點(diǎn)，如測量頭初始間隙小，線性不好，浮標(biāo)容易粘在玻璃管上等等。這就是生產(chǎn)線上仍在使用卡板、塞規(guī)之類的專用量具的同時，氣、電量儀幾乎用于全部孔徑和軸徑的最終檢驗，而電子柱量儀等先進(jìn)檢測技術(shù)也紛紛登場。一般認(rèn)為檢測技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械量具算是第一代；氣電量儀可做第二代的典型；電子柱量儀和計算機(jī)輔助測量系統(tǒng)等就列入第三代技術(shù)了。為了在競爭中取勝，就要不斷提高質(zhì)量，不斷改進(jìn)和推出下一代量儀。新檢測技術(shù)不斷揭示了傳統(tǒng)制造技術(shù)的不足之處，促使工藝師們進(jìn)一步改善和創(chuàng)新；新制造技術(shù)有反過來對檢測技術(shù)提出了更高的要求，二者相輔相成，互相促進(jìn)。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，各制造商在不斷更新制造技術(shù)的同時，對生產(chǎn)檢測技術(shù)都給予了極大的重視 [2]。在精密機(jī)械制造業(yè)、汽車拖拉機(jī)業(yè)、紡織業(yè)以及國防和科研等方面的精密測量中有著廣泛地應(yīng) 用 。 電子柱量儀是一種 用長度尺寸的相對法精密測量的測量儀器 ， 特別對圓度、平行度、垂直度等微小變動量的測量極為有用。 RS485 Serial munication protocol 3 目 錄 摘要 ............................................................................................................................. 1 ABSTRACT ............................................................................................................... 2 第 1 章 緒論 ............................................................................................................... 5 課題背景及來源 .............................................................................................. 5 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 ......