工程测试课程设计-三维位移传感器设计【全套图纸】.doc

西安工业大学工程测试课程设计 工程测试课程设计说明书 题 目： 三维位移传感器设计 院(系)： 机电工程学院 专业、班级：机械设计制造及其自动化 学生姓名： 2013 年 7月 12日第 25 页 共 25 页目 录摘要3前言4第一章 总体方案设计与论证5第二章 机械本体设计6第三章 电路设计10总结20致谢23参考文献24全套图纸，电路图加153893706 摘 要 本文首先简要介绍PSD的特性和检测位移的方法，在此基础上基于PSD的三维位移测量系统设计。在本设计中，是以PSD作为位移传感器的主要部件，采用半导体激光二级管激光测在PSD板感光位移的方法。用放大器、AD转换器进行X、Y方向的信号采集。另外，还添加了STM32F10332位基于ARM核心的带128K字节闪存的微控制器，就信号进行分析,再通过RS-485接口输出。通过对电路的设计，减少了测量电路及安装PSD板是造成的机械误差，使精度可达到PSD板的精度。本文采用ADS A/D转换器，STM32F103微控制器，RS485接口，LM1117电压调节器，78L051三端稳压电源调整器, 组成系统。该系统的特点是：使用方便 、测量方便、稳定可靠、适用对象广。关键词： PSD 信号采集 STM32F103 前 言 传感器技术作为信息技术的三大基础之一，是当前各发达国家竞相发展的高技术，是进入21世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力，而现代科学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。传感器是信息系统的源头,在某种程度上是决定系统特性和性能指标的关键部件。 传感器是将物理、化学、生物等自然科学和机械、土木、化工等工程技术中的非电信号转换成电信号的换能器。当今社会的发展是信息化社会的发展，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理，而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段，是现代科学的中枢神经系统，它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。如果把计算机比喻为处理和识别信息的大脑，把通信系统比喻为传递信息的神经系统，那么传感器就是感知和获取信息的感觉器官。传感器技术是现代科技的前沿技术，发展迅猛，同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱，许多国家已将传感器技术列为与通信技术和计算机技术同等重要的位置现代传感器技术具有巨大的应用潜力，拥有广泛的开发空间，发展前景十分广阔。 本次课程设计所采用的是二维PSD位移传感器。位置敏感器件（Position Sensitive Detector,简称PSD），是一种对接受光点位置敏感的光电器件。自1957年由Wall Mark提出后，其研究与应用不断发展，八十年代曾有一段研究高潮。由于受光源结构的限制，其应用一段发展缓慢。近年来，由于半导体激光器的迅速发展，使PSD的光源在性能、体积得到很好的改善，促进PSD器件广泛的实用研究，PSD器件响应速度快、位置分辨率高、输出与光强无关，其独特的工作方式，使其在精密检测、三维测量、机器人定位系统等领域获得了广泛应用。 第一章 总体方案设计与论证 第一节 检测原理设计 位移是指物体的某个表面或某点相对于参考表面或参考点位置的变化。位移有线位移和角位移两种。线位移是指物体沿着某一条直线移动的距离；角位移是指物体绕着某一定点旋转的角度。在机械工程中经常要精确测量零部件的位移或位置，并且力、压力、扭矩、速度、加速度、温度、流量等参数也可经转换为位移进行测量。位移测量时，首先要根据不同的测量对象，选择适当的测量点、测量方向和测量仪器。但这些都是一个维度上的，要实现3维上就要采用3个方向的测量装置，测量仪器的尺寸就受到限制，不能检测很小的位移，而且检测范围也受到限制，后经过讨论选择一种新型的探测器-PSD光电位置探测器.可以解决上述弊端，同样可以很好的实现测量功能。 第二节 方案论证 对于选择PSD的结构实现形式有很多，可采用的方案也有很多种。方案一：采用一个PSD+电磁感应通路 这样的方案是二维平面上运用PSD检测位移量，在Z方向用电感线圈，该方案易于实现，操作简单，但电路设计复杂。方案二：采用一个PSD+电涡流通路 这样的方案是二维平面上运用PSD检测位移量，在Z方向用电感线圈，该方案易于实现，操作简单，但电路设计复杂，信号检测精度不高。方案三：采用一个二维PSD+一维PSD . 这样的设计简单可行，在X、Y方向用一个二维PSD，在Z方向用一个一维的PSD传感器，这样的设计便于数字化集成，测量精度高，相对前两个方案在性能、功能及可操作性方面有了较大的提升。所以，本次设计采用的是方案三的设计。 第三节 系统的工作原理 在X、Y方向用一个二维PSD，在Z方向用一个一维的PSD传感器。通过机械的导轨装置，将检测的位移通过检测杆的移动带动导轨上滑块的移动，进而将位移量传给PSD，PSD产生电流，经跟随电路、放大电路用、AD转换器进行X、Y方向的信号采集转换，后经过STM32F10332位基于ARM核心的带128K字节闪存的微控制器，就信号进行分析,再通过RS-485接口输出，对于接口电路还添加了稳压电路。 第四节 系统框图 本系统主要包括机械本体（PSD），放大电路，AD转换器，STM32F103微控制器，RS-485接口及与其对应的接口的稳压电路。 微处理器STM32F103机械本体（PSD） 放大电路 接口 (RS485) 稳压电路 第二章 机械本体设计 1、机械本体任务说明： 本次课程设计的主题是三维位移传感器，主要由测量装置，电路转换装置，处理器，接口，机械本体等几个要素组成。 机械本体的功能是为其他部件提供工作平台使其能够按预期的功能发挥功效，并且结构尽可能的紧凑合理。要求：设计出机械本体的结构方案，画出结构图。2、原理方案设计： 本次课程设计的主题是三维位移传感器，要求此传感器能够测量X,Y,Z三个方向的位移，故而需要有测量这三个方向位移的元器件及相关设备。经过多项对比选择评定，初选一个能够测量X,Y方向的二维设备，用来测量X，Y方向的位移，预定为一个二维传感器和与其搭配的滑块导轨；再加一个测量Z方向的一维设备，主要由一个二维位移传感器和一个金属滑杆组成。从而实现三维位移的测量。3、结构方案设计： (1)测量X,Y方向位移的是一个二维位移传感器（PSD），它是一个光电器件，X,Y方向的电阻具有随光照位置变化而变化的特点。故而初选结构为PSD固定，激光发生器固定在一个二维导轨上，与测头同步移动。二维导轨分为X方向和Y方向，X方向由导轨滑块组成，滑块在导轨上滑动形成X方向的位移，测头和激光发生器固定在滑块上；Y方向由滑轨滑槽组成，Y方向滑轨即X方向的导轨，Y方向滑槽开在两侧的壁上，当滑轨在滑槽中滑动时，带动导轨在Y方向的位移。 （2）测量Z方向位移的由一差动变压器式位移传感器来实现，差动变压器主要是由一个线框和一个铁芯组成,框上绕有一组初级线圈作为输入线圈(或称一次线圈),在同一线框上另绕两组次级线圈作为输出线圈(或称二次线圈),并在线框中央圆柱孔中放入铁芯,当初级线圈加以适当频率的电压激励时,根据变压器作用原理,在两个次级线圈中就会产生感应电势,当铁芯向右或向左移动时,在两个次级线圈内所感应的电势一个增加一个减少。如果输出接成反向串联，则传感器的输出电压u等于两个次级线圈的电势差，因为两个次级线圈做得一样，因此，当铁芯在中央位置时，传感器的电压u为0，当铁芯移动时，传感器的输出电压u就随铁芯位移x成线性的增加。如果以适当的方法测量u，就可以得到与x成比例的线性读数。这就是差动变压器式传感器的工作原理。4、设计参数 本传感器最大测量范围在X，Y，Z方向分别为15mm*15mm*15mm。X方向尺寸54mm；Y方向尺寸54mm；Z方向最大尺寸97mm，最小尺寸82mm； 总重量348.4g。耐磨寿命: 100X106次25X106米无噪音输出工程导轨线性精度误差: 0.05%重复性误差: 0.005mm最大移动速度: 10m/s冲击系数: IEC 68-2-29:1968 50g振动系数: IEC 68-2-6:1982 20g最大容许电压: DC60V/5K 20KDC36V/2K4KDC24V/1K温漂系数: 1.5ppm/解析度: 无断解析拉杆（含两端绞接型）或滑块型,通用型或微型.表面电泳防静电和辐射高耐磨工程滑环和密封全部为抗寒、耐高温抗老化型: -60 +150全部采用高防护等级: 拉杆式IP67滑块式IP55、安装维护位移传感器在正常工作时不需要什么维护工作，只需定期清除表面尘土，及给导轨和滑槽添加少量润滑油。由于该传感器工作频繁，测头易磨损导致精度下降，应及时观察其工作状态，必要时予以更换。安装滑块时需先将导轨装上，并使其从滑槽一端的开口处伸出适当距离，然后装上滑块，再将导轨安装到预定位置，拆卸时同理。6、常见故障及排除方法此传感器常见故障为滑块卡死或滑轨卡死，原因是灰尘过多或有杂物进入系统。需清理灰尘或清除杂物。Z方向容易受外界其他金属部件的移动发生干扰，尽量避免在线圈周围使用金属部件。复位时可能发生复位误差较大的情况，主要由于传感器使用时间过长，复位弹簧失去弹性，也有可能是有杂物进入复位装置。7、注意事项：（1）所有装配部位的加工尺寸及公差要严格控制。（2）在Z轴方向测量部件周围尽量少使用金属部件。（3）在使用中注意传感器的有效测量范围，在测量时应将被测物体至于测量范围之内。（4） 由于滑槽开在外围壁上，故而当外壁受损或发生变形时将会影响传感器精度，因此使用传感器时应注意安装位置，避免其受到挤压，冲击，震动等影响。8、方案与结构优化： （1）在老师的指导下得知，滑槽的加工比较困难，无法保证其精度，故而改为圆柱导轨,导轨两端用沉头螺钉固定。结构如图10-1 图 10-1 （2）考虑到差动变压器式传感器电路较复杂，故而将Z方向位移的测量也换为PSD，结构如图10-2： 图10-2附图：机械本体设计的三视图 第三章 电路设计在前面的设计中已经介绍了电路部分的总体设计放大电路，AD转换器，STM32F103微控制器，RS-485接口及与其对应的接口电路。1、PSD介绍及电路 PSD（Position Sensitive Detectors）是一种能测量光点在探测器表面上连续位置的光学探测器。PSD 由P衬底、PIN 光电二极管及表面电阻组成。与CCD 探测器相比，PSD 有诸多优点，如位置分辨率高，响应速度快和处理电路简单等。另外，位置信号与落在探测器上的光斑形状无关。特点位置分辨率高 光谱响应宽响应速度快 位置和光强同时测量不受光斑的约束可靠性高应用范围光学位置和角度的探测光学遥测系统位移和振动测量激光对中和准直距离测试人类运动姿态分析工作原理与 PSD 特点1 结构 PSD 由在平面硅衬底上的三层组成：P型层在表面，N 型层在另一面，I层在它们中间。落在PSD 上的入射光转换成光电子后由P型层上，两端电极探测并形成光电流。2 原理当一束光落在PSD 上，相应于光能量的电荷在入射点产生，电荷通过P型电阻层被电极收集。P 型层是均匀一体的电阻层，被电极收集到的光电流与入射点和电极间距成反比。由此可得出如下公式：I1 和I2 是电极的光电流，L和I0 分别代表电极间距和总光电流。 原理电路 经过对比参数，我们小组最终选择了上海欧光的HY0202（2D-PSD）型的PSD有效光敏面1515mm 分辨率 1m光谱响应范围3801100nm 响应时间0.8s工作温度-1060 2、 放大电路设计 根据PSD电路原理图本次采用运用最简单的运算放大电路，采用两次反相输入将PSD中的电流信号放大时从正向 反向 正向的变换。从而将电路放大了2次。 运算放大原理图 设计放大电路图3、 A/D转换器的选择与设计电路在我们所测控的信号中均是连续变化的物理量，通常需要用计算机对这些信号进行处理，则需要将其转换成数字量，A/D转换器就是为了将连续变化的模拟量转换成计算机能接受的数字量根据A/D转换器的工作原理，常用的A/D转换器分为2种，双积分式A/D转换器和逐次逼近式的AD转换器。随着信息技术和计算机技术的高速发展，数字信号处理技术已逐渐成为一门主流技术，并在许多领域得到广泛应用。再加上光纤通信技术和传感技术的日趋成熟完善，使得研制新型的电力互感器成为可能。在本次设计系统中，为了将模拟量转换为数字量，采用的是电子式互感器是一种利用现代数字处理和光纤通信技术来实现电力系统电压、电流测量和保护的新型互感器装置。ADS8344是TI公司生产的8通道、16位、高精度、低功耗A/D转换芯片。TMS320LC545是TI公司生产的16位、低功耗、高速DSP芯片。 3.1、电子式互感器高压侧数据处理系统电子式互感器高压侧数据处理系统主要由信号预处理、A/D转换、DSP主控和E/O转换四部分组成。信号预处理部分接收各种传感头测量的模拟信号并对其进行一些预处理。比如：Rogowski线圈感应的电动势需经一积分器变换成与一次电流同相位成正比的电压信号;传感头测量的模拟信号必须经过调压，且要考虑一定的裕度，使其符合A/D芯片模拟通道的允许输入范围。A/D转换部分主要是在DSP主控芯片的控制下实时将模拟信号变换成数字信号。E/O转换部分是将数字信号经过调制变成光脉冲信号，然后由光纤传输到低压侧。 3.2、 ADS8344的主要特点3.2.1、 ADS8344的结构特点ADS8344是一个高速、低功耗、16位逐次逼近型ADC，采用2.7V至5V单电源供电，最大采样速率为100kHz，信噪比达84dB?带有串行接口，它包含8个单端模拟输入通道(CH0CH7)?也可合成为4个差分输入。100kHz时的典型功耗为10mV。参考电压VREF的范围从500mV到VCC，相应的每个模拟通道的输入从0V到VREF。自带采样/保持功能，采用20引脚QSDP封装或20引脚SSOP封装，工作温度范围为-40+85。该芯片适合应用在电池供电系统(如个人数字助理、移动通信)和测试装置中。主要由多路转换开关、采样/保持器、参考电压、A/D转换器、比较器、控制逻辑电路和逐次逼近寄存器(SAR)等部分组成，其内部结构原理如图1所示。3.2.2、 ADS8344的引脚排列及说明 ADS8344的引脚排列如图2所示，各引脚说明如下：CH0CH7：模拟输入通道的输入端，8个单端模拟输入通道可合用为双端差分输入，所有通道的输入范围从0V到+VREF，未用的输入通道应接GND以避免噪声输入。COM：模拟输入的参考地，单端输入通道的零地位点，直接接地或接地电位参考点。SHDN：掉电控制位，当为低时，芯片切换到低功耗掉电模式。+VCC：电源输入端，范围为+2.7V+5V。DOUT：串行数据输出端，在DCLK的下降沿时数据输出，当CS为高时，输出为高阻态。DIN：串行数据输入端，当CS为低时，数据在DCLK的上升沿被锁存。DCLK：外部时钟输入端，该外部时钟决定了芯片的转换率(fDCLK=24fSAMPLE)。CS：片选端，为低电平时，选中该芯片。GND：参考地。VREF：参考电源输入端。BUSY：模数转换状态输出引脚。当进行模数转换时，该引脚输出低电平，当BUSY端产生一下降沿时，表示模数转换结束，数据输出有效。3.3、 ADS8344的工作特点ADS8344的控制寄存器是一个8位只写寄存器，数据从DIN引脚输入，当微机读取完上次转换结果时，下一个转换通道的控制字节就写到了DIN引脚，需要8个DCLK时钟才能将完整的控制信息写到控制寄存器。控制寄存器各位功能说明如下：S：控制字节的开始位，为高时才表示输入的字节有效。A2A0：模拟输入通道选择位。SGL/DIF：模拟通道输入方式选择位。当为高时，为单端输入;为低时，为双端差分输入。PD1PD0：功率管理选择位。 图 联ADS8344接线路图4、 控制处理电路 本设计由于要同时处理5个通道的数据，所以，经过比较对比选择较为新的处理器，STM32F10332位基于ARM核心的带128K字节闪存的微控制器。4.1、STM32F103的功能简介 内核：ARM 32位的Cortex-M3 CPU 最高72MHz工作频率，在存储器的0等待周 期访问时可达1.25DMips/MHz(Dhrystone2.1) 单周期乘法和硬件除法 存储器 从64K或128K字节的闪存程序存储器 高达20K字节的SRAM 时钟、复位和电源管理 2.03.6伏供电和I/O引脚 上电/断电复位(POR/PDR)、可编程电压监测器(PVD) 416MHz晶体振荡器 内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器 内嵌带校准的40kHz的RC振荡器 产生CPU时钟的PLL 带校准功能的32kHz RTC振荡器 低功耗 睡眠、停机和待机模式 VBAT为RTC和后备寄存器供电 2个12位模数转换器，1s转换时间(多达16个输入通道) 转换范围：0至3.6V 双采样和保持功能 温度传感器 DMA： 7通道DMA控制器 支持的外设：定时器、ADC、SPI、I2C和USART 多达80个快速I/O端口 26/37/51/80个I/O口，所有I/O口可以映像到16个外部中断；几乎所有端口均可容忍5V信号。 调试模式 串行单线调试(SWD)和JTAG接口 多达7个定时器 3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入 1个16位带死区控制和紧急刹车，用于电机控制的PWM高级控制定时器 2个看门狗定时器(独立的和窗口型的) 系统时间定时器：24位自减型计数器 多达9个通信接口 多达2个I2C接口(支持SMBus/PMBus) 多达3个USART接口(支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和调制解调控制) 多达2个SPI接口(18M位/秒) CAN接口(2.0B 主动) USB 2.0全速接口 CRC计算单元，96位的芯片唯一代码4.2、管脚图 由于功能较多，本次设计之涉及部分电路，所以采用48管脚的分布5、 接口电路 在实际应用中，输入输出因为外设的原因比如说种类、速度的差异、信号类型和电平都是很复杂的，任何外设都不能和系统总线直接连接，在两者之间必须有一个专门的接口电路。 本次设计采用的是RS-485接口电路，RS-485接口芯片已广泛应用于工业控制、仪器、仪表、多媒体网络、机电一体化产品等诸多领域。可用于RS-485接口的芯片种类也越来越多。5.1、 RS-485接口标准 传输方式：差分传输介质：双绞线标准节点数：32最远通信距离：1200m 共模电压最大、最小值：+12V；-7V差分输入范围：-7V+12V接收器输入灵敏度：200mV接收器输入阻抗：12k5.2、接口电路图6、 稳压电路设计 本次设计中需要采用不同的恒流源，进行稳压，使各个线路处于正常工作状态。所以采用了2个稳压电路78L05和L11176.1、稳压电路的简介 78L05:CYT78L05 是一颗三端稳压电源调整器。CYT78L05 能被用作齐纳二极管/电阻器组合替换。它提供二个数量级的有效的产品改善阻抗,低静态电流。这些特性使稳压器可以给本机或板卡稳压提供一个很好的解决噪声干扰问题的方案。CYT78L05 提供一个极好计算机主板立体声电源解决方案。主要特点: 输出电流可达150mA。 输出电压5.0V。 输出精度可达4%。 简单的外围电路。 静电防护ESD可达2.7KVLM1117:6.2稳压电路设计 总 结本次课程设计持续了2个星期时间非常紧张，我的题目是三维位移传感器。我们小组由我和董心牖两个人组成，需要完成的任务是一份机械本体装配图，一份设计说明书。我们采用分工合作，我的主要任务是设计三维位移传感器的机械本体结构。做课程设计时，指导老师给了我们很大帮助发现了很多我们没有想到的问题提了很多改进系统的意见，比如我起初为传感器设计了底座，老师告诉我传感器并非要放在地上工作，所以不需要底座。没有老师的帮助和指点我们是无法完成系统设计的。 课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节这次课程设计虽然很累但我学到了不少东西对软件的设计过程和方法有了更深入的了解培养了我们的团队精神锻炼了我们的沟通和表达能力。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的只有理论知识是远远不够的只有把所学的理论知识与实践相结合起来才能真正为社会服务从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关传感器方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了传感器的识别和测试；熟悉了传感器的工作原理；了解了机械制图的一些方法；以及如何提高机械结构的性能等等，通过查询资料，也了解了A/D转换的原理。我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学