（精密仪器及机械专业论文）电子自动安平激光扫平仪(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

中文摘要 扫平仪是一种提供水平面或水平直线基准的仪器。新型的自动安平激光扫平 仪，利用半导体激光器发出的激光束轨迹作为测量基准，具有小巧、廉价、操作 简单、适用面宽等特点。在大型推平、挖掘工程作业如修建机场、高速公路、隧 道和盐池推平中有广泛的应用。但是，目前国内工程建筑中使用的自动安平激光 扫平仪精度能达到1 0 以上的多为进口，成本过高。本课题旨在设计一种具有高 精度、低成本优势的电子自动安平扫平仪。 本论文分析了电子自动安平激光扫平仪的硬件电路设计，包括水平检测电 路、调平电路、激光扫描电路和充电电路等，并对器件选择和参数确定做了具体 说明；系统的软件包括水平判断、电机控制以及激光扫描控制等；最后对给出了 自动安平扫平仪水平误差的检测。该系统的主要特点如下： ( 1 ) 选用高精度的电容式倾角传感器作为水平检测传感器，通过低功耗、高精度、 完全集成的电容数字转换器( c d c ) 的使用大大降低了设计难度和外部元件 成本，从而根除了传统电容传感器测量电路的限制，保证了水平检测电路的 高精度和稳定性，并且具有低成本的优势。通过实验验证了系统可以进行高 精度的水平度监测。 ( 2 ) 通过1 2 c 总线进行数据传输，简化系统设计；采用p i d 算法对直流电机进行速 度控制，使调平更加稳定，提高仪器性能。 ( 3 ) 采用可充电电池为系统供电，达到便携仪器要求。并且采用低功耗单片机综 合管理系统的电源模块、水平调节模块和激光扫描模块，大大降低了系统的 功耗，提高了系统的可靠性，延长了系统的使用寿命。 关键词：电子自动安平激光扫平仪便携仪器c d c 直流电机 a b s t r a c t l e v e ll a s e ri s a ni n s t r u m e n tw h i c hc a l lg i v eal e v e lo rh o r i z o n t a ll i n e a s b e n c h m a r k t h en e wk i n do fa u t o m a t i cs e l f - l e v e l i n gl a s e rm a k et h el a s e rt r a j e c t o r ya s ab e n c h m a r k ，w h i c hi sb e a m e db ys e m i c o n d u c t o rl a s e rd i o d e s t h ei n s t r u m e n th a st h e a d v a n t a g eo fc o m p a c t ，c h e a p ，s i m p l ea n dw i d e l ya p p l i e d i ti sw i d e l yu s e di n e x c a v a t i o nw o r ks u c ha sa i r p o r tb u i l d i n g ，h i g h w a y sb u i l d i n g ，t u n n e l sb u i l d i n ga n ds a l t p o n ds c o o p i n g h o w e v e r , m o s to ft h ea u t o m a t i cs e l f - l e v e l i n gl a s e r su s e di nt h e d o m e s t i cc o n s t r u c t i o n ，p r e s i c e rt h a n1 0 ，i si m p o t e d , w i t he x o r b i t a n tc o s t t od e s i g n a ne l e c t r o n i ca u t o m a t i cs e l f - l e v e l i n gl a s e rw i t ht h ea d v a n t a g eo fh i 曲- p t e c i s i o na n d l o w c o s ti st h eo b j e c t i v eo f t h ep a p e r t h ee m p h a s i so ft h ep a p e ri sp l a c e do nt h eh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d i n gt h el e v e m o n i t o r i n gc i r c u i t ，t h el e v e lc o n t r o l i n gc i r c u i t ，l a s e rs c a n i n gc i r c u i t ，t h ef a s t - c h a r g e m a n a g e m e n tc i r c u i t t h ei n t e r f a c e ，p a r t ss e l e c t i n ga n dp a r a m e t e rs e t t i n g ；t h es o f t w a r e d e s i g ni n c l u d i n gl e v e lj u d g e m e n tp r o g r a m ，m o t o r sc o n t r o l i n gp r o g r a ma n d l a s e rs c a n c o n t r o l i n gp r o g r a m ；a tl a s t ，t h el e v e l i n ge r r o ro ft h ei n s t r u m e n ti sm e a s u r e d t h e o u t s t a n d i n go f t h i ss y s t e ml i e si nt h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ： f i r s t ，h i g h - p r e c i s i o nc a p a c i t a n c ea n g l e s e n s o ri su s e da sal e v e lm o n i t o r i n gs e n o r , c a p a c i t a n c e - d i g i t a lc o n v e r t o rw i t ha d v a n t a g eo fl o w c o s ta n dh i g h - p r e c i s i o n i s c o n v e r tt h ec a p a c i t a n c es i g n a l sf r o mt h ed i f f e r e n t i a lc a p a c i t i v es e n s o r sd i r e c t l yt o d i g i t a ld a t a ，s ot h ed i f f i c u l t yf o rs y s t e r md e s i g ni se a s e da n dt h ec o s ti sr e d u c e d a n d t h e nm a k et h ec a p a c i t a n c em e a s u r e m e n tr e l e a s ef r o mt h el i m i ti nt r a d i t o n l e v e l m o n i t o r i n gw i t hh i g hp r e c i s i o n ，g o o ds t a b i l i t ya n dl o wc o s tc a n b ea c h i e v e dw i t ht h e c i r c u i ti nt h i sp a p e r s e c o n d , t r a n s m i t i n gd a t at h r o u g h1 2 cb u ss i m p l i f yd e s i g no ft h es y s t e m p i d a l g o r i t h m si su s e di nt h ev e l o c i t yc o n t r o l i n go f t h ed cm o t o r s ，s ob e t t e rp e r f o f m a n c e o ft h ei n s t r u m e n tc a l lb eg o tf o rm o r es t e a d i l yl e v e l i n g t h i r d ，r e c h a r g e a b l eb a t t e r i e si su s e df o rt h ep o r t a b l ei n s t r u m e n t ，a n dt h ep u r p o s e o ft h ei n t e l l i g e n tm a n a g e m e n to ft h ee n e r g y , l e v e l i n gc i r c u i ta n dl a s e rs c a n i n gc i u c u i t b ym e a n so fl o wp o w e rm c u i st om i n i m i z et h ep o w e rc o n s u m p t i o na n dp r o l o n gt h e w o r k i n gp e r i o do ft h ei n s t r u m e n t k e y w o r d s ：e l e c t r o n i cs e l f - l e v e l i n g ，l e v e ll a s e r , p o r t a b l ei n s t r u m e n t ，c d c ，d cm o t o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：壤麟 签字嗍歹卯7 年石月帅 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 鹰葛 j 签字日期：砷年f 月，占日 导师签名： 签字吼锣夕年多月f 厂日 第一章绪论 第一章绪论 近2 0 年来，我国测绘科技得到飞速发展( 1 】，这一方面是得益于科学技术的新 成就，电子计算机技术、微电子技术、激光技术、空间技术等新技术的发展与应 用，以及测绘科技本身的进步，为工程测量技术进步提供新的方法和手段；另一 方面则是因为改革开放以来，城市建设不断扩大，各种大型建筑物和构筑物的建 设工程、特种精密建设工程等不断增多，对工程测量不断提出新的要求。测绘仪 器从总体上划分为测距、测角、测高三大类，八十年代以测距仪、光学与电子经 纬仪、光学水准仪为主，九十年代以全站仪、电子经纬仪、激光扫平仪为主要代 表，加上g p s 的广泛应用，进入二十一世纪，全站仪、激光扫平仪更为普遍，朝 着电子化、数字化、实时化、可视化方向发展。 进入w t o 以来，各行各业都在争创国际品牌【2 】，随着中国内外环境的好转， 中国产品正逐步走向世界。在国内全竞争同时，中国测绘仪器已被动或主动地走 向国际市场，早在九十年代中，中国的水准仪、脚架附件就大批量出口，现在占 据欧美半以上的市场，这些技术含量不高的产品已被中国占据了优势，国外已 很少厂家生产了。而进入二十一世纪以来，中国的电子经纬仪、扫平仪、全站仪 已崭露头角，小批量地销往美国、西欧、东南亚等地，销量逐年上升。 扫平仪是一种提供平面或直线基准的仪器。新型的自动安平激光扫平仪，利 用半导体激光器发出的激光束轨迹作为测量基准，具有小巧、廉价、操作简单、 适用面宽等特点。在大型推平、挖掘工程作业如修建机场、高速公路、隧道和盐 池推平中有广泛的应用 3 - 5 1 。国内外已将微型的激光扫平仪应用于建筑物装修、 体育场地、停车场修建等民用场合。它与探测器配合，可以在一定的半径范围内 控制任一测点的水平高度，能将测量与施工结合在一起，实现施工的自动化。但 是，目前国内工程建筑中使用的自动安平激光扫平仪精度能达到1 0 ( 5 m m 1 0 0 m ) 以上的多为进口，成本过高。本课题旨在设计一种具有高精度、 低成本优势的电子自动安平扫平仪。 第章绪论 1 1 激光扫平仪发展状况 激光扫平仪能提供一个水平基准平面，可以通过目视或探测器在一定的半 径范围内控制任一点的高度，它在各种建筑施工、平整场地、机场建筑等施工工 作中得到广泛应用。 作为激光仪器的核心元件，过去很长一段时间内一直使用h e - n e 激光管， 而h e - n e 激光管必须高压供电，因此仪器配备一个笨重的电源箱，且用一根电 缆与交流电源相连，这样在建筑施工场地携带及使用很不方便。半导体激光二极 管体积小，为h e n e 激光管的几百分之一，具有重量轻、低压直流供电、功耗低、 寿命长等突出优点。为了目视，我们能选到几乎与h e n e 激光管接近的红色波 长，由于电路技术的完善，克服了激光功率随温度变化而变化的缺陷，因此在小 功率激光仪器，尤其在建筑施工类仪器中，采用激光二极管替代固体或气体激光 元件的产品更新换代已不可避免，同时产品的性能，使用范围、产品品种近年来 得到很大扩展。 我国在7 0 年代中期，_ 些大学、研究所、仪器厂开始研究开发建筑用激光 扫平仪，1 9 7 5 年研制成功水泡式激光扫平仪，1 9 7 6 年研制成功重锤式自动安平 激光扫平仪当时主要是应用h e - n e 激光管作光源及利用悬挂h e n e 激光管即 重锤原理达到自动安平的目的，产品在建筑业中得到一定应用，并取得了成效， 但仪器存在体积较大，重量较重，施工现场使用、携带不便等缺陷。 8 0 9 0 年代以h e n e 激光管为光源的激光扫平仪几乎消声匿迹1 6 ，世界上 各著名生产厂家为瑞士l e i c a 公司、日本t o p c o n 、美国s p 等公司都推出了自己新 一代的系列产品，以适用于不同的用途。而国内，近几年也出现自主研发生产自 动安平扫平仪的诸多厂家。表1 1 给出了部分厂家生产的激光扫平仪产品的型号、 主要性能指标。 表1 - 1 激光扫平仪产品情况 生产商仪器型号 光源类型波长安平范围水平精度 t o p c o n r l - h 2 s激光二极管 6 3 3 n m 1 0 。5 m m 1 0 0 m d a v i dw h i t ea e l 一21 2 5激光二极管6 3 5 n m 5 。 1 0 m m 1 0 0 m s o k k i al p 3 a激光二极管 6 7 0 n m1 0 。 5 n 吁n 1 0 0 m 台湾泰仕 l s 6 0 4激光二极管 6 3 5 n m3 5 。 3 0 m m 1 0 0 m 上海敏测电l s 5 1 1激光二极管 6 3 5 n m3 5 。 2 0 m m 1 0 0 m 子有限公司 北京博飞仪s j z l 激光二极管 6 3 5 n m1 0 。 1 0 m m 1 0 0 m 器有限公司 第一章绪论 1 2 补偿安平方式的分类及比较 低精度的水泡安平一般用于低精度的激光工具上。由于工程施工操作的快速 方便要求及某些特殊场合的高精度要求，水泡安平难以满足要求，于是，各种自 动激光仪器应运而生，并发展了一些独特的安平方式。目前，补偿安平方式主要 有如下几种【7 j ： 1 、吊丝补偿安平方式 用金属吊丝将准直物镜( 含激光器) 悬吊在一起座上。利用重力实现出射光 束的自动安平作用。其特点是原理简明，结构简单，补偿精度高，可达o 3 0 5 ， 重复精度o 3 ，能实现高精度的自动安平。其缺点是补偿范围小( 3 - 57 ) ，需 借助元水准器粗安平；对吊丝材料的抗拉强度、材料均匀性要求高，抗电磁干扰 能力强；安装调整相对复杂，要求三根吊丝长度一致，安平状态下受力应一致； 为防冲击、振动，仪器不工作时，需用专门的机构将悬吊的激光器拖起，是吊丝 处于非工作状态。 2 、轴承摆补偿安平方式 ： 激光器及准直系统安装在重力摆上，重力摆绕两个精密轴承确定的轴线摆 动。重力安平，磁阻尼稳定，实现自动安平。其特点是补偿范围较大( 1 - 2 。) ， 大的可达3 - 5 。，补偿精度可达1 左右。其优点是轴承摆耐冲击，稳定性好， 调整相对容易。为确保白的精度和寿命，以其设计需有保护机构，开机摆处于工 作状态，关机即将摆托起。这是目前应用相对较多的一类补偿安平方式，用在相 对大型的仪器中。 3 、电子补偿安平方式 采用倾角传感器测量仪器基座的倾斜大小和方向，利用伺服电机对激光器准 直系统的输出方向进行实时修正。电子补偿方式的补偿范围大，可达3 。或者 更大，自动安平精度可达1 。因此，对于大补偿范闱的仪器，许多不需要粗 安平，只要将仪器安放在一个大致水平的地方，就能工作，降低了对使用人员的 要求。其缺点是党工作场所振动较大或不稳定是，以期将一直处于安平状态，不 能稳定下来。 4 、液体补偿安平方式 使准直激光束痛多一个稳定的液槽，当仪器安平时，液槽内的液体形成一个 平行平板，当仪器微倾视时，液槽内的液体形成一个液体光楔，将对出射光束的 方向进行一定补偿。为了对光束出射方向能够完全补偿，让光连续通过二层折射 率不同的液体，当两种液体折射率满足一定条件是，即能对光束出射方向实现完 全补偿。液体补偿精度高，可达0 0 3 o 0 5 的补偿精度。但液体膨胀系数大， 第一章绪论 受温度变化大，直接影响安平精度和仪器工作的稳定性与可靠性。为此常常在一 起内部设计有温控装置，控制液体的工作温度。当工作温度与环境温度相差较大 时，以期温控时间长( 可长达近3 0 分钟) 。目前在高层建筑电梯安装的激光垂准 仪中已有应用。 综上所述，基于本文中自动安平激光扫平仪的便携性要求，成本等方面的综 合考虑，在满足仪器精度、功能要求的前提下，电子补偿安平方式是该仪器最好 的选择。 1 。3 本课题研究的目的和内容 本论文的主要内容包括以下几个方面： 1 ) 第一章阐述了电子自动安平扫平仪在工民建中的作用，分析了电子自动 安平扫平仪的发展现状，重点分析了现有安平补偿方式的工作原理和分 类，并提出了本课题研究的目的和主要内容。 2 ) 第二章详细论述了电子自动安平扫平仪硬件电路的设计，包括水平监测 电路的设计、可充电电源的设计、激光扫平机构的设计。结合对系统性 能的要求，选择合适的芯片和器件，并着重分析了系统的设计思路及实 现方法。 3 ) 第三章重点阐述了系统软件的设计，对系统软件流程、功能设计和系统 软件设置进行了详细的说明，包括倾斜度数据的读取、水平判断以及扫 描电机模式控制等。 4 ) 第四章着重分析了激光水平仪的误差并给出检验方法。 4 第二章电子自动安平激光扫平仪系统硬件设计 第二章电子自动安平激光扫平仪系统硬件设计 如前文中所述，本文的电子补偿安平方式扫平仪采用倾角传感器测量仪器基 座的倾斜大小和方向，利用电机对激光器准直系统的输出方向进行实时修正，可 见，水平监测电路以及水平调节电路的合理设计直接决定了仪器的性能优劣。本 文采用高灵敏度电容式倾角传感器作为水平检测传感器，采用高集成度、高精度 的单芯片电容数字转换器( c d c ) 作为传感器信号调理电路，直接将传感器信号 转换成数字量，在保证了仪器水平精度的前提下，具有电路简单、成本低的优势。 并利用h 桥电路驱动调平电机，与高精度倾角传感器组成倾斜度闭环控制系统， 实时监控仪器扫平台倾斜度，使其保持水平。本章中将对自动安平扫平仪的硬件 电路设计进行了介绍，为水平监测电路、水平调节电路、激光扫描电路以及电源 充电电路选择了合理的芯片和器件，给出详细的电路连接。 2 1 系统功能设计和总体结构 本文设计的电子自动安平扫平仪激光扫平仪能提供一个水平基准平面，可 以通过目视或探测器在一定的半径范围内控制任一点的高度。该仪器在调平角度 范围内可自动调平，当底座倾斜度超出仪器能够调平的角度范围时，仪器停止扫 描，并发出声音报警，提醒工作人员调整仪器放置位置。另外，仪器还具有变速 扫描、变角度扫描、发射激光点等功能，其功能框图如图2 1 所示。 开机 3 6 0 度全周扫甲 水甲线输出 图2 - 1电子自动安平激光扫平仪功能框图 扫平仪以单片机为核心控制器件，以激光射线的形式给出标准水平面。其结 构图如图2 2 所示。系统主要由水平监测模块、执行机构以及报警和功能按键电 鲨一 - u + 日 范警一 一舭脯 珊艚一 一激扫安动一w 出自一 一! 挑刚一 一鳓奸 第二章电子自动安甲激光扫平仪系统硬件设计 路组成。 电源模块 渊黼h 存恧_ ，l 转换电路 干门田。 光学扫描 系统 f 流电机x 直流电机y扑 图2 - 2电子自动安平激光扫平仪结构图 仪器采用电子补偿安平方式，在安置激光管的扫平台上以一定角度交叉放置 倾角传感器x 、y ，监测扫平面倾斜度，当扫平面水平时单片机控制进行激光旋 转扫描。而所谓的自动安平功能就是仪器底座发生倾斜时，单片机根据传感器得 到的数据控制直流电机x 、y 运转，调节扫平面倾斜度使其保持水平。水平调节 完成后，单片机点亮激光二极管，并启动仪器顶端的扫平电机带动五角棱镜旋转， 于是激光二极管发出的可见光就经由旋转五角棱镜折射后，扫出一条水平可见基 准线。当底座倾斜度超出仪器能够调平的角度范围时，仪器停止扫描，并发出声 音报警，提醒工作人员调整仪器放置位置。另外，仪器所具备的变速扫描、变角 度扫描、发射激光点等功能，通过键盘输入进行控制。 下面将详细介绍各个模块的设计。 2 2 水平监测电路的设计 要实现扫平仪的高精度首先要求水平检测系统具有优良的监测性能。高精度 的水平检测电路是仪器能够给出高精度的水平基准线的前提。水平监测系统的性 能首先取决于倾角传感器的灵敏度和准确度，而同时更对传感器信号调理电路提 出了更高的要求。 2 2 1 倾角传感器的选择 电子自动安平激光扫平仪在选择倾角传感器时对其在整个测量角度范围的 线性度并无严格的要求，但重要的是传感器水平位置周围必须具有高的灵敏度。 因为在施工现场难免会有轻微的振动，所以还要求倾角传感器具有一定的抗机械 振动和冲击的性能。 现有的倾角传感器种类很多，如电介液式、电位器式、电容式、电感式及陀 6 第二章电子自动安平激光扫平仪系统硬件设计 螺地平仪式等复合式倾角传感器，检测精度有达到“度”量级，有的达到“角分”、 “角秒”甚至“千分之一角秒”量级。按其工作原理的不同将其分为三大类【8 】， 即利用角速度积分的倾角传感器、利用重力加速度的摆式倾角传感器和复合式倾 角传感器。 1 、角速度积分倾角传感器 角速度积分倾角传感器是对角速度传感器的输出进行积分，可以得到相应积 分室内的角度输出，因此角速度传感器经过适当改进可以成为倾角传感器，但是 必须限定角速度的漂移，还要进行初始对准，因此这种倾角传感器不适于作长时 间静态测量，也有待进一步研究。 2 、重力加速度摆式倾角传感器 目前大多数倾角传感器都是利用重力加速度来工作的，即所谓“摆”的工作 原理，根据“摆”在重力场内力图保持其铅锤方向的特性来设计的。摆式倾角传 感器用于长时间的倾角测量具有很高的精度，但不是用于动态倾角的测量。 3 、复合式倾角传感器 复合式传感器是由多个传感器组合起来的，成本较高。动态倾角测量需要使 用复合式倾角传感器，例如在需要测量飞机等的倾斜程度的场合。 为保证扫平仪给出的激光水准线的精度，需要对其扫平面倾斜度进行实时监 测，所以选择重力加速度摆式倾角传感器，既能满足安平精度要求，又不需要相 对昂贵的成本。 摆式倾角传感器是发展较早也较常见的一大类，技术较成熟。根据其摆的不 同又可分为固体摆式和液体摆式等，前者如电位器式、电容式、电感式和应变式， 后者如电介液式、电解液式及磁性流体式等。对于前者研究比较成熟，应用广泛， 但其易受外界干扰，如机械振动和冲击。液体摆式倾角传感器具有高灵敏度、高 精度、耐腐蚀、耐潮湿等特点，但其容易受温度变化的影响。气体摆式倾角传感 器具有良好的抗冲击和振动能力，具有结构简单及 成本低的特点，适用于要求能承受大冲击和振动的 测试领域，但其受温度影响较大，测试精度不高。 综上选择液体摆式倾角传感器作为本仪器的 水平监测传感器，满足高灵敏度、高精度的要求。 最终，选择苏州一光镭射仪器有限公司的电子水泡 作为倾角传感器。其结构如图2 3 所示。 主要由壳体、玻璃体组成水泡体。在玻璃体内 径部位研磨成一定曲率，先在一端烧熔封口，另一 图2 - 3 电子水泡结构图 c 2 c 1 端拉成小嘴抽真空灌注介电液体和惰性气体，当气泡长度合格后烧封。壳体由上 第二章电子自动安平激光扫平仪系统硬件设计 盖板、下盖板和侧壁挡板组成，镀于玻璃体外部。上盖板被侧壁挡板分割成大小 相等、位置左右对称的两块，并分别刻有电极a 、b ，下盖板作为共用电极接地。 其灵敏度可达角秒级，工作环境温度为- 4 0 + 6 0 ，结构简单，性能可靠。 该电子水泡是利用差动电容原理进行倾斜度监测。当传感器处于水平位置 时，2 个静电极板浸在液体的面积相同，当传感器发生倾斜时一边的静电极板浸 在液体的面积减少，另一边的静电极板浸在液体的面积增大。由于封入的介电液 体的介电常数比气体的高，因此，液面的流动造成电容发生变化，据此可测出倾 斜角。该传感器的输出特性由电容极板的形状决定。 2 2 2 传感器调理电路的设计 扫平仪选用的电子水泡是利用差动电容的原理进行倾斜度监测。电容式传感 器以其灵敏度高、动态响应快、成本低等诸多优越性得到广泛应用。电容传感器 性能很大程度上取决于其测量电路的性能。电容传感器的电容变化量往往很小， 使得电容传感器电缆杂散电容的影响非常明显。而且杂散电容会随温度、结构、 位置、内外电场分布及器件的选取等诸多因素的影响而变化，同时被测电容变化 范围大。因此微小电容测量电路必须满足动态范围大、测量灵敏度高、低噪声、 抗杂散性等要求。 传统地，检测电容传感器的电荷变化的困难在于实现高性能、低成本的电容 输入的信号处理前端。一般说来，电容的测量需要对电容器电极施加一个激励源。 然后将电容的变化转换为电压、电流、频率或者脉冲宽度的变化。 典型的电容测量方法包括t 9 ： 直接方法，首先按照规定的时间长度用特定的电流源对待测电容器充 电，然后测量该电容器两端的电压。这种方法需要小电流、高精密电流 源和高输入阻抗才能测量出电压。 首先用待测的电容器构成一个r c 振荡器，然后测量时间常数、频率或 周期。这种方法很简单，但是通常不能达到高精度。 测量待测电容器的交流( a c ) 阻抗。用一个正弦波信号源激励该电容 器，然后测量该电容器的电流和电压。使用四线制连接到该电容器，使 用比例测量方法，用一个同步解调器提供最精确的结果。但是，这种电 路非常复杂而且需要的器件数量多。 表2 1 给出了现有传统的微小电容测量电路的特点 1 0 - | 3 】。 8 第二章电子自动安平激光扫平仪系统硬件设计 表2 - 1 微小电容测量电路 测量电路 优点缺点分辨力( f ) 充放电电容测量电能有效抑制杂散电 电路采用的是直流放1 0 - 1 5 路容，电路机构简单，大，存在较大的漂移： 成本很低，经过软件充放电由c m o s 开关 补偿后电路稳定性较控制，存在电荷诸如 高，获取数据速度快。问题。 a c 电桥电容测量电测量原理上没有考虑 1 0 一1 3 路消除杂散电容影响的 问题，需采取屏蔽电 缆的复杂措施，而且 效果不一定理想。 交流锁相放大电容测抗杂散性、低漂移、电路较复杂，成本低， 1 0 1 6 最电路 高信噪比。频率受限。 基于v t 变换的电容克服了传统测量微弱 1 0 - 1 2 测鼍电路信号电路中放大气稳 定性不好、零点漂移 大的缺点，电路结构 简单，测量精度和分 辨率较高。 ， 基于混沌理论的恒流测量绝对误差不随待 1 0 一1 0 式混沌测量电路测值的变化而变化。 基于电荷放大原理的只进行一次充放电就 1 0 - 1 5 电容测量电路可完成电容测量；无 需滤波器：具有很强 的抗杂散电容的性 能。 从表中可以看到，一直以来人们对微小电容测量技术进行了大量研究，使得 其正处于不断的完善中。在上述讨论的测量电路各有优缺点。但这些传统的电容 测量电路，或者方法简单，达不到高的精度要求( 分辨率都在伍量级以下) ，或 者电路复杂，需要的器件数量多，成本高。 a d i 公司推出了世界上首款高精度、完全集成的电容数字转换器( c d c ) ， 其2 4b i t 的分辨率，是业界最高精密度连接电容传感器解决方案【l4 】。它在一颗 芯片上集成了电容到数字转换的所有电路，降低了设计难度和外部元件成本，从 而根除了传统电容传感器的限制，比传统的多芯片解决方案降低了6 5 的成本。 9 第二章电子自动安甲激光扫甲仪系统硬件设计 c d c 是在成熟的技术基础之上，对其进行改进，使得完整的电容数字 转换器可以在单芯片中实现。是一种成熟的技术，许多年来一直用于通常 要求1 6b i t 或更高分辨率的高性能a d c 。标准aa d c 是通过切换片上固定 的电容，一并平衡可变电压输入和固定的电压基准输入之间电荷来实现的。如果电 荷正比于电压和电容，那如果使输入电压固定，而改变输入电容呢? 修改后的 电路如图2 4 所示，这便是c d c 转换电路的原理。该电路固定输入电压可以 被理解成一个激励电压。移到片外的可变电容可以是一个电容式传感器。这样， 输出数据将代表该传感器电容量和c r e f 之问的比率。 图2 _ 4c d c 结构图 目前c d c 系列产品已有几款器件，如a d 7 7 4 5 ，a d 7 7 4 6 和a d 7 7 4 7 等。它 们既可以对单个电容进行测量，又可以工作在差动模式。并且具有片内温度传感 器，可以用来根据环境进行温度补偿。芯片的最大有效分辨率( e n o b ) 为2 lb i t 。 从电容值来看，这就意味着该芯片可以分辨的最小输入电容变化值为4a f ( 1 j 可 法) 一一大约相当于2 5a f 的“实际噪声自由电容。 本系统选用的a d 7 7 4 6 结构图如图2 5 所示。其主要特性如下： 单片，高精度，2 4 位分辨率 单端或差分传感器接口 精确度：4 行 高线性度：0 0 1 共模电容高达1 7 p f 差分模式下满刻度电容变化范围4 p f 片内温度传感器，分辨率o 。1 ，精度2 电压输入通道 精密低噪声、低漂移基准电压源 内部时钟晶体振荡器 校准寄存器以及电容式传感的激励源 工作电压2 7 5 2 5 v ，工作电流0 7 m a 1 0 第二章电子自动安平激光扫平仪系统硬件设计 工作温度范围_ 4 0 。c 1 2 5 啪 图2 5a d 7 7 4 6 结构图 a d 7 7 4 6 具有2 个差动电容输入通道和1 个差动电压输入通道，可以连接四 个电容型传感器，也可以将一个温度传感器或是其他类型输入信号连接到它的差 分电压输入端。c d c 直接将输入的电容量转换成数字量。模数转换后的信号，经 数字滤波器送至1 2 c 口。由于物理环境的变化会改变传感器的参数，所以a d 7 7 4 6 是软件可配置的。软件可设置芯片的输出数据速率在5 - - 9 0 h z 之间变化。当以 1 6 6 h z 输出数据速率工作时，可以同时抑制5 0 h z 和6 0 h z 的信号。 2 2 。3 单片机的选择 电子自动安平激光扫平仪以单片机为核心控制器件。根据系统总体功能对所 选单片机具有如下要求： 对于便携式设备，所选器件应具备低功耗的性能。 因为要对倾斜度进行实时监测，所以要求所选单片机具有高的执行效 率。 所选电容测量电路与单片机需通过1 2 c e i 进行数字通信，所以所选单片机 具有1 2 c i z ，以简化软件设计。 后面将介绍，调平电机需使用p w m 方式进行调速，所以要求所选单片 机最好自带p w m 产生器，以节省外部器件资源。 另外，所选器件的成本也应考虑。 系统的控制核心是美国a d i 公司的一款高性能数据采集与处理系统器件 a d u c 8 4 8 。这款s o c 具有高精度、高速度、高可靠性、大容量非易失性存储的优 点，是款性价比很高的单片机，可极大的简化硬件电路设计、提高稳定性、缩 短开发时间、提高性价比【1 5 - 1 6 。a d u c 8 4 8 内部集成了8 0 5 2 微处理器的内核，提 供了很大的存储空间，如6 4 k b 的f 1 a s h e e p r o m 程序空间、8 k b 的f l a s h e e p r o m 数据空间、以及2 3 0 4 b 的数据r a m 等。它具有3 个1 6 位定时计数器，带有3 个 第二章电子自动安平激光扫平仪系统硬件设计 外部中断源，3 个定时器中断源以及串口中断等多达1 1 个中断源。a d u c 8 4 8 自 身带有1 2 c 口，可直接与a d 7 7 4 6 进行数据通信，简化软件设计。同时它有2 个脉 宽调制输出，可编程的分辨率、时钟和具有6 种工作模式，用来对直流电机进行 调速，简化系统硬件设计。选用具有丰富资源的高性能单片机系统a d u c 8 4 8 作 为控制核心，可以简化系统设计，降低成本，操作方便，编程简易。 2 2 4 硬件电路实现 扫平仪的水平监测部分硬件电路如图2 - 6 所示。电路采用5 v 供电，a d u c 8 4 8 复位引脚高电平复位，接成如图所示复位电路，可手动复位。a d 7 7 4 6 直接将所 测电容值转换成数字量，通过1 2 c 总线与a d u c 8 4 8 通信。1 2 c 总线只要求两条总线 线路，一条串行数据线( s d a ) 和一条串行时钟线( s c l ) ，s d a 和s c l 都是双 向线路，都要求通过一个电流源或上拉电阻连接到正的电源电压。a d 7 7 4 6 的 r d y 脚置低时，代表电容转换完成，数据可用。将r d y 低电平信号引入a d u c 8 4 8 的i n t 0 脚，数据转换完成，单片机进入中断，进行数据处理。 利用两个电子水泡监视扫平面是否水平时，两传感器安装在工作平台上，分 别测平台x 、y 轴方向的水平倾斜度。选择a d 7 7 4 6 的差动输入工作模式，传感 器x 、y 分别接在a d 7 7 4 6 电容转换通道1 和2 上，选择差动电容测量模式。安 装时要注意传感器需紧靠a d 7 7 4 6 输入端，以免增加噪声。 d g n d 图2 - 6 水平监测电路 + a d 7 7 4 6 测量可变差动电容时，其输入范围为- 4 0 9 6 p f “0 9 6 p f 。经实际 测试，本系统选用的电子水泡输出电容值范围为一3 1 6 2 p f + 3 1 8 2 p f ，可见该电 路可行。 1 2 第二章电子自动安平激光扫平仪系统硬件设计 2 3 调平机构设计 本扫平仪采用电子补偿安平方式，倾角传感器测量仪器基座的倾斜大小和方 向，利用电机对激光器准直系统的输出方向进行实时修正。 扫平仪扫平台控制机械机构如图2 7 所示。激光管所在圆形扫平台由四点支 撑，两个支撑点和两个可调节点x 、y 。支撑点由固定在仪器底座的钢杆支撑扫 平台，但不固定，其顶端用弹性机构连接扫平台。可调点分别为横向( x 轴) 和 纵向( y 轴) 调平支点，分别由电机通过丝杆调节。 当扫平仪底座所放置位置不水平时，扫平台随之发生倾斜。这时，单片机就 会由传感器所测信息获得倾斜角度和方向，控制电动机转动，通过丝杆传动调节 扫平台活动点处高度，使扫平台水平。 被控对象为扫平台台板，其数学模型如下【1 7 】：平台及其负载总重量m ，可调 点处的重力约f ，螺纹中径d 2 ，螺纹线数n ，螺距t ，贝j j n t 为螺纹升程，螺纹工作 面间摩擦系数u ，螺纹工作面的牙形角q ，台板和支承面间的摩擦系数l z1 ，支 承面中径d ：则所需转矩t ： ， 涮2f 耐+ x , a d a c o s g1 。尬一l 2 l 趔2 一, a n t c o s 搿j 2 r 11 、 固定点可调点 l r u l 零 n i 图2 7 调平机构结构图 2 3 1 电动机的选择 一、电动机选择的要求f 】8 】 合理选择电动机类型，对工作机械有效的工作，以及仪器运行的可靠性、安 全、节能及降低设备造价都有重要意义。 电动机类型的选择要从负载的要求出发，考虑工作条件，负载性质、生产工 艺、供电情况等，尽量满足下述各方面的要求： 1 、机械特性 由电动机类型决定的电动机的机械特性与工作机械机械特性配合要适当，机 第二章 电子自动安平激光扫平仪系统硬件设计 组稳定工作；电动机的起动转矩、最大转矩、牵入转矩等性能均能满足工作机械 的要求。 2 、转速 电动机的转速满足工作机械要求，其最高转速、转速变化率、稳速、调速、 变速等性能均能适应工作机械运行要求。 3 、运行经济性 从降低整个电动机驱动系统的能耗及电动机的综合成本来考虑选择电动机 类型，针对使用情况选择不同效率水平的电动机类型：对一些使用时间很短、年 使用时数也不高的机械，电动机效率低些也不会使总能耗产生较大的变化，所以 并不注重电动机的效率：但另一类年利用小时较高的机械，就需要选用效率高的 电动机以降低总能耗。 4 、价格低廉 一 在满足工作机械运行要求的前提下，尽可能选用结构简单、运行可靠、造价 低廉的电动机。 二、直流电动机的优点 按工作电源分，电动机可分为交流电机和直流电机。本仪器中采用的是直流 电动机。 直流电动机最重要的优点是它们对商业控制系统的适应性。今天它们被用于 控制纺织工艺中织品的张力，工厂钢卷轴的速度，卷轴缠绕的同步性和多种工序 中的张力，包括灵敏的检查操作。这些共同的性质是直流电动机在很宽的范围内 精密的转速控制。另外，许多工业工序中的回馈信号把自身传递给直流传感器， 光电装置，电位计和温度、压力指示器。近来固态电子学直流放大器的发展清除 了漂移问题，增大了在自动化工序应用直流控制系统的趋势。 直流电动机第二个固有的优点是它们对电池电源的适应性。可充电的镍镉 电池的发展和最经济的小型并励电动机已经使电池供电的电气用具工业成为可 能。 三、直流电机的分类和比较【1 9 侧 现在使用的直流电动机有三种基本类型：并励型、串励型和复励型。每种型 号的名称是由励磁绕组和电枢的位置关系而定的。 1 、并励电动机 并励电机也是永磁电机的一种，它的励磁绕组平行或并联到电枢上。如果磁 通量保持不变，转速只会在电枢电流改变时才变化。大多商业电动机在设计时其 i a r a 的值保持为端子电压v 的2 - 5 ，因此转速控制通常保持在空载和满载的5 范嗣内。并励电机很重要的优点就是其很好的转速控制特性。 2 、串励电动机 1 4 第二章电子自动安平激光扫平仪系统硬件设计 串励电动机的励磁绕组和电枢是串联的。因此磁通量是直接和电枢电流比例 的。串励电动机和并励电动机最基本的不同点，在电枢电流增加很小时，串励电 动机产生的转矩明显大得多，转速控制比并励电机差得多。转速是和电枢电流成 反比的。在很小的电流值处，串励电动机的转速可以达到很高的危险值，所以必 须提供合适的保护装置，通常是用几种形式的启动盒。在低转速时，大的电枢电 流产生大的转矩，可以驱动大惯量的负载。串励电动机普遍应用于像铁路机车这 样需要很大的启动转矩来产生大的加速度的设备中。其他的用途比如起重机，升 降机，电梯。 3 、复励电动机 复励电动机获得了串励电动机优良的转矩特性和并励电动机的转速稳定性。 它有两个励磁线圈，一个和电枢串联，一个并联。有些电动机有控制装置，允许 在特定的转矩转速情况下拆除两线圈之一。电动机发电机组经常使用并励电动 机来获得大的启动转矩，然后通过离心断路开关给串联磁场短路来得到并励电动 机好的转速控制。如果串励绕组和并励绕组这样连接能够互相帮助即产生的磁动 势方向相同，就叫做积复励电动机。如果磁动势方向相反，就称为差复励电动机。 积复励电动机的特性为：它能产生比并励电动机大得多的启动转矩但是速度控制 很差。不象串励电动机一样，它有明确的空载转速，当负载突然消除时不会产生 飞车现象。差复励电动机产生的启动转矩比并励电动机的小，但是有很好的转速 特性，可以在电动机的整个工作范围内保持不变，甚至在满载时可能拥有比空载 更大的转速。 乐清市银龙电机有限公司的永磁直流齿轮减速电机，该种电机传动机构为正齿轮精密 传动，齿轮全部为金属齿轮，通过精密滚齿加工，热处理而成，具有传动效率高、齿轮强度 大、寿命长、低噪音、大力矩输出等特点。最终选择两台y g a l 7 r u 4 6 u 2 0 0 i 电机作为调平 电机，其几何尺寸为o1 7 1 2 8 4 ( n l m ) ，适合便携式设备的尺寸要求。表2 - 2 给出了所选 电机的具体参数： 表2 - 2 调平电机具体参数 空载最高效率点最大功率时 电 转转电转矩效转矩转 规格 压 电流电流功率 速 速流率速 v am n m k g c m 血i m k g c m a r p mr p m a r m p 4 6 u 2 0 0 i62 30 0 2 51 00 16 50 6 61 03 40 3 51 7 0 1 40 0 6 2 3 2 调平电机的驱动与控制电路 在进行电机控制时，选择一个合适的驱动电路是非常重要的 2