【正文】 普通單片式變極距型傳感器存在靈敏度較低，輸出電容非線性誤差較大的缺點(diǎn)。由式(22)得 (213)式中、為極板長(zhǎng)度和寬度，為第二種介質(zhì)進(jìn)入極間的長(zhǎng)度。它的靈敏度為 (212)3．變介質(zhì)型電容傳感器如圖25變介質(zhì)型電容傳感器原理圖所示，兩平行極板固定不動(dòng)、極距為，相對(duì)介電常數(shù)為的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積。動(dòng)極板圖24變面積型電容傳感器原理圖定極板設(shè)動(dòng)極板相對(duì)定極板沿長(zhǎng)度方向平移時(shí)，則電容為： (210)式中為初始電容，相對(duì)變化量為： (211)很明顯，這種傳感器的輸出特性呈線性。2．變面積型電容傳感器如圖24變面積型電容傳感器原理圖所示。由式（23）可知：電容相對(duì)變化量為 (24)上式按級(jí)數(shù)展開(kāi)為 (25)略去式（25）中的高次（非線性）項(xiàng)，可得近似的線性關(guān)系和靈敏度S分別為 (26)和 (27)如果考慮式(25)的線性項(xiàng)及二次項(xiàng)，則 (28)因此，以式(26)作為傳感器的特性使用時(shí)，其相對(duì)非線性誤差為 (29)由上討論可知：1)變極距型電容傳感器只有在很小(小測(cè)量范圍)時(shí)，電容才有近似的線性輸出；2)靈敏度S與初始極距的平方成反比，故可以用減小的辦法來(lái)提高靈敏度。傳感器的ε和A為常數(shù)，初始極距為。(2) 電容傳感器的分類(lèi)按照變化參量的不同，電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類(lèi)型，以下對(duì)這三種類(lèi)型的電容傳感器分別予以介紹。這些優(yōu)點(diǎn)，隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是集成電路的高速發(fā)展，將得到進(jìn)一步的體現(xiàn)，而它存在的分布電容、非線性等問(wèn)題以又將不斷地得到克服，因此電容式傳感器有著非常好的應(yīng)用前景[13,14]。在非接觸式位移測(cè)量方面，與電感傳感器相比，電容式傳感器測(cè)量精度更高，靈敏度也更好，因此在本課題中選用電容式位移傳感器。在本課題中，若采用電阻式傳感器作為傾角傳感器，由于電阻式傳感器是接觸式測(cè)量，所以將傳感器的一端固定在上端蓋，探頭與擺盤(pán)固連在一起。本文設(shè)計(jì)的電子水平儀提出了一種基于數(shù)字電位器和單片機(jī)的儀表數(shù)字調(diào)零方法，可以快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)儀表自動(dòng)調(diào)零。為實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)，必須采用體積較大的多圈精密電位器，通過(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)電位器實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)調(diào)整[11]。 零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)姆桨噶泓c(diǎn)漂移是所有傳感儀表都必須考慮的一個(gè)問(wèn)題，本文基于所設(shè)計(jì)的電子水平儀，提出了一種用單片機(jī)控制數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)水平儀自動(dòng)調(diào)零的方法，并給出了硬件設(shè)計(jì)電路和軟件控制流程。反饋式溫度補(bǔ)償適用于檢測(cè)系統(tǒng)中復(fù)雜溫度敏感參數(shù)的綜合溫度補(bǔ)償，但其硬件電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。(2) 反饋式溫度補(bǔ)償原理該原理利用反饋原理，通過(guò)自動(dòng)調(diào)整過(guò)程，始終保持自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的零點(diǎn)和靈敏度不隨溫度而變化。理論上并聯(lián)式溫度補(bǔ)償可以實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，但實(shí)際上只能進(jìn)行近似補(bǔ)償，特性曲線的溫度補(bǔ)償只能做到兩點(diǎn)或三點(diǎn)是全補(bǔ)償，其它的點(diǎn)不是過(guò)補(bǔ)償就是欠補(bǔ)償。主要從兩方面著手，一方面減小自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)輸出零點(diǎn)對(duì)溫度的有害靈敏度；另一方面減小自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度對(duì)溫度的敏感性。由于溫度對(duì)電路及電介質(zhì)的影響幾乎與信號(hào)具有相同的數(shù)量級(jí)而使儀器無(wú)法正常工作[9,10]，為此就必須對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償。對(duì)于電子線路而言，由于電阻的阻值、電容器的電容值、二極管和三級(jí)管的特性都隨環(huán)境溫度而變化[8]，導(dǎo)致放大器的放大倍數(shù)以及直流放大器的零點(diǎn)也隨環(huán)境溫度而變化。 溫度補(bǔ)償?shù)姆桨笝z測(cè)系統(tǒng)都是由敏感組件、變換放大環(huán)節(jié)等幾個(gè)基本環(huán)節(jié)組合而成。而運(yùn)算檢測(cè)電路的優(yōu)點(diǎn)不僅可以保證輸出的穩(wěn)定性，而且其輸出與變極距型傳感器的極距成正比，可以保證測(cè)量精度會(huì)大大高于其它測(cè)量電路。本設(shè)計(jì)除在電容式傳感器的設(shè)計(jì)中采取措施外，根據(jù)已有的小電容測(cè)量電路原理[7]，設(shè)計(jì)了一種高分辨力的信號(hào)調(diào)理電路。其系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2l所示。47 第2章 電子水平儀的總體設(shè)計(jì) 第2章 電子水平儀的總體設(shè)計(jì) 方案的確定傾角傳感器信號(hào)調(diào)理模塊A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)數(shù)碼顯示電池電源管理系統(tǒng)待測(cè)角度角度轉(zhuǎn)換模塊數(shù)據(jù)處理模塊圖21水平儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖電子水平儀的測(cè)量系統(tǒng)主要由機(jī)械系統(tǒng)、傾角傳感器、AD轉(zhuǎn)換、微處理器、數(shù)碼顯示五部分構(gòu)成。第3章，先簡(jiǎn)單介紹了電子水平儀的結(jié)構(gòu)原理、設(shè)計(jì)技術(shù)，并對(duì)其選型和性能進(jìn)行分析。本文主要內(nèi)容如下：第1章緒論，闡述了選題背景和意義，分析了國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)及研究現(xiàn)狀，并對(duì)本論文的主要工作進(jìn)行了介紹。4) 在軟件設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)軟件完成的主要任務(wù)是：對(duì)信號(hào)采集進(jìn)行編程控制，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，精確計(jì)算測(cè)量角度值并在數(shù)碼管上顯示出來(lái)。2) 針對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)要求，本畢業(yè)設(shè)計(jì)擬設(shè)計(jì)一種采用差動(dòng)電容式傳感器作為微驅(qū)動(dòng)傳感器的電子水平儀，差動(dòng)電容式傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要，關(guān)系到因變量的確定，檢測(cè)方式的確定，計(jì)算的復(fù)雜程度以及單片機(jī)工作量的大小。（二）擬解決的主要問(wèn)題1) 為了降低環(huán)境對(duì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)工作的影響，應(yīng)設(shè)法減小系統(tǒng)對(duì)溫度的有害靈敏度。4) 確定溫度補(bǔ)償?shù)姆桨?，包括硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。2) 掌握水平儀的基本測(cè)量原理，本課題所設(shè)計(jì)的電子水平儀是根據(jù)擺原理，結(jié)合傳感器技術(shù)、微機(jī)測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)而成的。 課題任務(wù)（一）研究的基本內(nèi)容本課題研究的主要內(nèi)容是：1) 通過(guò)查閱資料了解各種水平儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)課題要求確定要設(shè)計(jì)的水平儀的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)的具體方案。目前國(guó)外數(shù)字式電子水平儀的產(chǎn)品主要有：瑞士Wyler公司和法國(guó)EDA公司的電子水平儀，美國(guó)Federal公司的V4683電子水平儀聯(lián)機(jī)系統(tǒng)等。其中電容式電子水平儀的原理是將差動(dòng)式電容傳感器的兩個(gè)固定極板固定在水平儀的底座上，當(dāng)水平儀處于自然水平位置時(shí)，可動(dòng)極板位于兩固定極板的正中位置，與兩個(gè)極板的間隙相等，電容量相等，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出為零。目前生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的電子水平儀在原理上以重物鉛垂線為直線基準(zhǔn)，這類(lèi)水平儀主要有電感式和電容式兩種。它可安裝于運(yùn)動(dòng)物體上，采集地平儀信號(hào)，在較大的視場(chǎng)顯示地平線，實(shí)時(shí)顯示出物體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。測(cè)量范圍可達(dá)[3]。由南京理工大學(xué)應(yīng)用物理系的袁紅星、賀安之等人研制的用PSD構(gòu)成的全方位高準(zhǔn)確度數(shù)字水平儀，是用連續(xù)型光電位置探測(cè)器作為傳感器，由半導(dǎo)體激光器另加配重并懸掛于殼體頂部作為豎直基準(zhǔn)，輔以高準(zhǔn)確度信號(hào)變換電路，以單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。圓柱面半徑為l所時(shí)，量程為177。檢測(cè)水平度時(shí)，讓燈泡發(fā)光，有氣泡處CCD接收到光信號(hào)，輸出信號(hào)數(shù)字信號(hào)1(整形后)，無(wú)氣泡處光信號(hào)被溶液吸收，輸出數(shù)字信號(hào)0。隨著光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，也相應(yīng)的產(chǎn)生了一些基于光電原理的光電式水平儀和激光式水平儀。每一個(gè)傾斜角度對(duì)應(yīng)一個(gè)電容值，于是在測(cè)量物體的傾斜度時(shí)，可用電容值的變化來(lái)反應(yīng)被測(cè)物體的傾斜角度，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和8031的處理后，傾斜角度由液晶顯示器顯示出來(lái)。大圓筒和小圓筒之間充滿整個(gè)容量一半左右的流體介質(zhì)。湛江師范學(xué)院測(cè)試中心的孫國(guó)敏、林勁松研制的智能化水平儀，以單片機(jī)作為中樞系統(tǒng)配上傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器等外圍部件，可自動(dòng)檢測(cè)物體與標(biāo)準(zhǔn)水平面的傾斜程度。尤其是存在著智能化程度不高，對(duì)數(shù)據(jù)缺乏處理能力，無(wú)法一次性測(cè)量出被測(cè)面傾斜角和方位角等缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，微控制器在工業(yè)測(cè)量和控制領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛；在很多計(jì)量檢測(cè)儀器中應(yīng)用了單片機(jī)，使計(jì)量檢測(cè)儀器具有了一定程度的智能，但在電子水平儀中微控制器的應(yīng)用尚不多見(jiàn)。隨著精密制造技術(shù)的發(fā)展，已有的電子水平儀不能滿足精度要求，國(guó)內(nèi)數(shù)顯式電子水平儀靈敏度、反應(yīng)時(shí)間等與國(guó)外相比，差距較大。用它可測(cè)量對(duì)于水平位置的傾斜度、兩部件相互平行度和垂直度，機(jī)床、儀器導(dǎo)軌的直線度，工作臺(tái)平面度，以及平板的平面度等。 水平儀的設(shè)計(jì)與研究畢業(yè)論文目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景 1 課題的目的和意義 1 國(guó)內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析 1 課題任務(wù) 3 本文結(jié)構(gòu) 4第2章 電子水平儀的總體設(shè)計(jì) 5 方案的確定 5 溫度補(bǔ)償?shù)姆桨?6 零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)姆桨?7 傳感器的選擇 8 電容傳感器 8 本課題所采用的傳感器類(lèi)型 12 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 12 AD轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)及介紹 12 本課題中對(duì)AD轉(zhuǎn)換器的選擇 14 單片機(jī)的選擇 14 本章小結(jié) 15第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 16 傾角傳感器的設(shè)計(jì) 16 差動(dòng)電容傳感器測(cè)角原理 16 差動(dòng)電容傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16 角度轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì) 17 激勵(lì)源電路設(shè)計(jì) 18 測(cè)量電橋 20 第一級(jí)放大電路 21 整流濾波電路 23 第二級(jí)放大電路 27 數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì) 29 信號(hào)采集與A/D轉(zhuǎn)換 29 單片機(jī)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 33 LED顯示 36 溫度與零點(diǎn)誤差補(bǔ)償 38 本章小結(jié) 41第4章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 42 總體流程圖 42 按鍵服務(wù)程序 43 濾波程序 43 AD轉(zhuǎn)換程序 44 數(shù)據(jù)處理 46 LED顯示程序 46 自動(dòng)調(diào)零程序 46 本章小結(jié) 47結(jié)論 48參考文獻(xiàn) 49致謝 51附錄1 開(kāi)題報(bào)告 52附錄2 文獻(xiàn)綜述 61附錄3 中期報(bào)告 67附錄4 文獻(xiàn)翻譯 75附錄5 文獻(xiàn)翻譯原文 83I第1章 緒論 第1章 緒論 課題背景 課題的目的和意義水平儀從過(guò)去簡(jiǎn)單的氣泡水平儀到現(xiàn)在的電子水平儀已經(jīng)歷經(jīng)多次更新。電子水平儀是一種非常急需的測(cè)量小角度的量具。在機(jī)械測(cè)量及光機(jī)電技術(shù)一體化技術(shù)應(yīng)用中占有重要地位。研究分辨率更高、性能更好的智能電子水平儀具有重要意義。 國(guó)內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析目前國(guó)內(nèi)已有的水平儀不能很好的滿足生產(chǎn)和應(yīng)用的需求，國(guó)內(nèi)電子水平儀的生產(chǎn)和研制能力與國(guó)外相比相對(duì)落后。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)在水平儀的研制開(kāi)發(fā)方面取得了不少進(jìn)展。傳感器有兩個(gè)金屬圓筒構(gòu)成，小圓筒固定在大圓筒內(nèi)并密封。電介質(zhì)呈粘滯性液體，在小圓筒內(nèi)壁和大圓筒外壁各引出一根導(dǎo)線，當(dāng)它水平時(shí)有一電容值，當(dāng)平板發(fā)生一偏轉(zhuǎn)角度后，該圓柱電容值的變化與偏轉(zhuǎn)角度的正切成線性關(guān)系，形如，a、b為常量，只與傳感器本身有關(guān)。不過(guò)該傳感器在靈敏度方面有所欠缺，有待于進(jìn)一步改進(jìn)[1]。上海交通大學(xué)的李佳列、顏國(guó)正等研制的數(shù)字式電子水平儀，由帶CCD的普通探頭、CCD信號(hào)驅(qū)動(dòng)板、整形電路、單片機(jī)及后繼電路四部分構(gòu)成，采用普通水平儀的探頭、內(nèi)灌黑色油狀液體放在一個(gè)暗盒內(nèi)，頂部有一氣泡，氣泡長(zhǎng)度為5～7mm之間，探頭一邊為毛玻璃和一組小燈泡，模擬出近似的平行光源，另一邊為有2160個(gè)象元的線陣CCD傳感器(該傳感器用到其中的2048個(gè)象元)。通過(guò)算法對(duì)串行信號(hào)的處理來(lái)判斷氣泡的位置，算出氣泡的中心，最后通過(guò)氣泡中心位置得到傾斜角度。50′，″，反應(yīng)時(shí)間小于10ms(CCD采樣頻率為20MHz)[2]。當(dāng)激光器的懸掛點(diǎn)距光敏面垂直距離R=100mm時(shí)，PSD敏感面為時(shí)，″。軍械工程學(xué)院的牛燕雄等人研制出的激光水平儀是一種智能化顯示裝置儀器，該儀器在二維空間實(shí)時(shí)產(chǎn)生一條激光掃描線，使這條掃描線總是與地平線平行。應(yīng)用于飛機(jī)上，可防止空間定向障礙；在醫(yī)學(xué)檢測(cè)重，利用手動(dòng)信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)激光掃描線的位置，還可對(duì)人體進(jìn)行某些病理檢測(cè)[4]。由于電容傳感器和其他傳感器相比有輸入能量極低，只需要非常小的輸入力就可以獲得較大的相對(duì)變化量，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，在目前廣泛應(yīng)用的數(shù)字式電子水平儀中多采用這種傳感器。當(dāng)?shù)鬃形⑿A斜時(shí)，裝在底座上的兩個(gè)極板隨之傾斜，于是可動(dòng)極板與兩個(gè)固定極板之間的空氣間隙便不相等，造成電容量不等，從而破壞電橋的平衡，則輸出即為反應(yīng)傾斜量的電壓信號(hào)[5]。其中最著名的是瑞士Wyler公司，其生產(chǎn)的NT系列新型電子水平儀適用于測(cè)量小角度，主要用于測(cè)量工件表面的平面度，也可測(cè)量機(jī)床的幾何誤差，具有數(shù)字顯示功能，可選擇角度讀數(shù)和mm/m讀數(shù)，國(guó)內(nèi)的同類(lèi)產(chǎn)品主要有青島前哨SDSIO和SDS11型，航空304所的TD80型數(shù)字型電子水平儀，[6]。對(duì)幾種非接觸式位移傳感器進(jìn)行比較后，選擇了差動(dòng)電容傳感器。3) 在掌握了測(cè)量原理的基礎(chǔ)上逐步進(jìn)行系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)檢測(cè)電路、溫度補(bǔ)償電路以及零點(diǎn)補(bǔ)償電路等。5) 采用匯編語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，以解決水平度計(jì)算、數(shù)碼顯示以及溫度補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題。但是硬件電路的設(shè)計(jì)又不能太復(fù)雜，而且還要提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，這就在軟件方面對(duì)設(shè)計(jì)提出了要求。3) 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)綜合考慮引線屏蔽、電容器的邊緣效應(yīng)等因素。 本文結(jié)構(gòu)本文將圍繞設(shè)計(jì)一個(gè)完整的電容式傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)的過(guò)程展開(kāi),包括角度轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。第2章，通過(guò)對(duì)角度轉(zhuǎn)換中涉及的傾角傳感器和信號(hào)調(diào)理以及數(shù)據(jù)處理中涉及的A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)碼顯示等各部分綜合分析，確定本系統(tǒng)的總體方案，并給出系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖，為后續(xù)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。然后詳細(xì)介紹了角度轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)處理模塊中信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、輸入輸出接口、顯示模塊，并詳細(xì)介紹了所用到的主要器件性能及其連接電路圖。進(jìn)行測(cè)量時(shí)，水平儀發(fā)生微小傾斜，傳感器探頭與擺盤(pán)的相對(duì)位置發(fā)生變化，于是傳感器輸出與探頭、擺盤(pán)間距成正比的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)，按照測(cè)量算法就可得到傾斜角，結(jié)果通過(guò)LED數(shù)碼顯示器顯示出來(lái)。，傳感電容的變化量?jī)H