（测试计量技术及仪器专业论文）虚拟电感位移测量仪的研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 i 摘要 虚拟仪器是二十世纪八十年代中期出现的一种新型的仪器模式。它以计算机 硬件为平台，由传感器、模块化硬件接口卡以及测量软件库构成虚实并存的测量 系统，是仪器智能化、集成化、远程化以及测控一体化设计的典型范例。目前， 用于电量测量的虚拟仪器已极为普遍，然而，用于非电量测量的虚拟仪器相对较 少特别是在几何量测量领域，其虚拟仪器则几乎没有见到。为此，晟们对位移 量测量仪器的虚拟化进行了研究，并制作了一套虚拟电感测微仪。 本学位论文首先阐述了课题的目的和意义，分析了国内外对虚拟仪器的研究 状况。然后，对差动电感传感器的工作原理做了详细的分析，并在此基础上设计 了用于虚拟电感测微仪的信号处理板、a d 卡以及全套测量软件。在软件的设计 中，使用d d k 软件包编写了w d m 设备驱动程序，解决了w i n d o w s 环境下实时测量 软件编制的技术关键。提出了一种简单有效的、具有较好视觉效果的三维控件的 制作方法，用通用编程语言d e l p h i 设计了虚拟仪器面板用控件库，并在此基础 上构建了虚拟电感测微仪面板。最后，本文采用h p 8 2 5 5 a 型双频激光干涉仪，对 所研制的虚拟电感钡4 微仪进行了线性度和精密度的测量实验。 实验结果表明：在+ 2 0 0 t u n 、+ 1 5 0 t u n 、+ 1 0 0 “m 、_ + 5 0 p m 范围内，仪器的绝对线 性度误差分别为o 6 2 p m 、+ o 3 0 岬、o 2 8 p m 和o 1 6 肿，相对线性度误差分别 为1 6 o 、- z o 9 、1 5 o 和1 6 0 。仪器的示值分散度为0 1 6 9 m ，标准偏差为 0 0 9 p m 。本仪器已基本达到设计要求，具有较大的测量范围和高分辨率以及很好 的精密度，具备实用及推广价值。 关键词：虚拟仪器位移测量电感式传感器 l 。， l t 一。 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t v i r t u a li n s t r u m e n t ( v i ) w a s p u tf o r w a r d a san o v e li n s t r u m e n tm o d ei nt h em i d d l e o ft h e1 9 8 0 s i ti sav i r t u a l - r e a l m e a s u r i n gs y s t e mb a s e do np cc o m p u t e ra n d c o m p o s e do fs e n s o r s ，m o d u l a r i z e dh a r d w a r ei n t e r f a c ec a r d sa n dm e a s u r e m e n ts o f t w a r e p a c k a g e s i ti sat y p i c a lm o d e l f o ri n s t r u m e n td e s i g nw i t h i n t e l l e c t u a l i z i n g ，i n t e g r a t i n g ， l o n g - d i s t a n c e ，a n dm e a s u r e m e m & c o n t r 0 1a saw h o l e a tp r e s e 咄v if 醅e l e c t r i c a l m e a s u r e m e n th a sb e e nw i d e l yu s e d h o w e v e r , t h o s ef o rn o n - e l e c t r i cm e a s u r e m e n ta r e r a r e l yr e p o r t e d ，e s p e c i a l l yf o rg e o m e t r i c a lm e a s u r e m e n tc o v e r i n ge x t e n s i v ef i e l d sa n d m a n ys o r t so fs e n s o r s t os o l v et h ep r o b l e m w er e a s e a r c h e dv i l t r l a lt e c h n o l o g yo f g e o m e t r i c a lm e a s u r e m e m a n d d e v e l o p e da ni n d u c t i v em i c r o - d i s p l a c e m e n ti n s t r u m e n t ( m m d b a s e do nv i z q 2 u a lt e c h n o l o g y f i r s t ，t h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo f t h ep r o j e c ta r ei n t r o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o n ， a n dt h es t a t u so ft h ea r ti n 、，j 巾】a lm e a s u r e m e n ta th o m ea n da b r o a di sa l s od e s c r i b e d s u b s e q u e n t l y , t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fi n d u c t i v es e n s o ra n dt h ed e s i g no ft h es i g n a l p r o c e s sc a r do ft h ei m d ia r ed i s c u s s e d t h ed i s s e r t a t i o na l s op r o v i d e st h ed e t a i l e d d e s i g ns c h e m e so fp r e p r o c e s s i n gc i r c u i ta n da ds a m p l i n gc a r db a s e d o ni s ab u so f t h ev i r t u a li m d i i nt h ep a r to fs o f t w a r e t h e k e yf o ri n - t i m es a m p l i n gd e s i g ni s d i s c u s s e da n dw d mb a s e dd e v i c ed r i v e ri sr e a l i z e ds u c c e s s f u l l y w ea l s od e v e l o p e d s o f t w a r ep a c k a g eo f3 - dc o n t r o lc o m p o n e n t s 、i d lb e t t e ro p t i c a le f f e c tu s i n gs o r w a r e d e l p h i f i n a l l y , t h et e s te x p e r i m e n tb a s e d o nv i r t u a lm d i d e s i g n e d h e r eh a sb e e nd o n e u s i n gl a s e rm e a s u r e m e n ts y s t e m ( h p 8 2 5 5 a ) n 圮r e s u l ts h o w st h a t , i nt h er a n g eo f + 2 0 0 p m 、+ 1 5 0 p m 、+ l o o p ma n d _ + 5 0 1 x m t h e a b s o l u t ei i n e a r i t i e so f t h ei n s t r u m e n ta r e o 6 2 p r o 、0 3 0 p r o 、土0 2 8 p r oa n d 0 1 6 j r n r e s p e c t i v e l y a n dt h er e l a t i v el i n e a r i t i e sa r e 1 6 、- + 0 9 、1 5 和1 6 r e s p e c t i v e l y t h ed i s p e r s i o no f t h ei n s t r u m e n ti s o 1 6 岫a n dt h es t a n d a r dd e v i a t i o ni s o 0 9 p m t h ev i r t u a ls y s t e mh a sa c h i e v e dd e s i g nr e q u i r e m e n t , i th a sl a r g em e a s u r e m e n t r a n g e ，h i 曲r e s o l u t i o n ，g o o dp r e c i s i o n ，a n d i sw o r t ht oe x t e n d k e y w o r d s ：v ir t u a ii n s t r u m e n t ( v i ) d is p i a c e m e n tm e a s u r e m e n t i n d u c t a n c e s e n s o r i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 研制虚拟仪器的意义 1 绪论 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v i ) 是由计算机硬件资源、模块化仪 器硬件、用于数据分析和过程通讯以及图形用户界面显示的软件组成的测量系统， 是一种由计算机操纵的模块化仪器。w 在全球日新月异的信息化进程中，测试技术、软件、集成电路、新型信息材 料已成为信息产业的核心。计量测试是信息工程的源头和重要组成部分，测试技 术的发展大大促进了信息产业的发展。如今，美国等一些工业发达国家在通信、 网络、虚拟仪器等技术领域已大大领先于发展中国家。美国国家仪器公司 ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 于八十年代中期首先提出基于计算机技术的虚拟仪器的 概念，随后研制和推出了多种基于不同总线系统的虚拟仪器，把测试技术带入了 一个新的发展时期“。 随着科学技术水平的不断提高与科研、生产的持续要求，测量仪器的发展大 致经历了四个阶段( 亦称四代产品) ，即模拟仪器、数字化仪器、智能仪器以及虚 拟仪器。 模拟仪器是指用电量或其他物理量模拟被测量并将其转换成可视( 可读) 量 值的测量仪器，如指针式万用表、晶体管电压表、压力表以及机械式比较仪等。 这类仪器在测量转换原理上与现代仪器几乎相同，但其量值大多借助指针来指示， 其体积一般较大，无法实现机器的自动采样。数字化仪器与模拟仪器的不同是将 模拟信号转化为数字信号，并以数字方式输出最终测量结果，如数字式电压表、 数字式频率计以及数字式测微仪等。这类仪器目前已相当普及，适用于快速响应 和较高准确度的测量。智能仪器目前尚无公认的科学定义，但是这类仪器一般带 有微处理器，利用计算机来代替人的一部分脑力劳动，具有运用知识进行推理、 学习、联想等解决问题的能力。智能化仪器应该具有以下特征：能自动完成某些 测量任务或在程序指导下完成预定动作；具有进行各种复杂计算和修正误差的数 据处理能力：具有自校准、自检测、自诊断功能。这类仪器侧重于“拟人化”， 其功能模块( 包括硬件和软件) 大多以固化的形式存在，缺乏应用的灵活性，不 便于多种仪器的集成和功能扩展的“柔性化”。虚拟仪器不仅包容了上述三类仪 器的功能与特点，而且可以用信号预处理板、通用数据采集卡、柔性虚拟面板以 华中科技大学硕士学位论文 及数据处理软件库构成多种仪器的集成系统，应用非常灵活虚拟仪器是现代计 算机技术、通信技术和测量技术相结合的产物，是传统仪器观念的一次巨大变革， 是将来仪器产业发展的一个重要方向。4 1 传统台式仪器是由仪器厂家设计并定义好功能的一个封闭结构，它有固定的 输入输出接口和仪器操作面板，每种仪器实现一类特定的测量功能，并以确定的 方式提供给用户。从一般的仪器设计模型看，一种仪器无非是由数据采集、分析 处理、人机交互和显示等几部分功能模块组成的整体。因此，我们可以设想在必 要的数据采集硬件和通用计算机的支持下，通过软件设计来实现仪器的全部功能， 这就是虚拟仪器设计的核心。与传统仪器相比，虚拟仪器除了在性能、易用性、 用户可定制性等方面具有更多优点外，在工程应用和社会经济效益方面也具有突 出优势。一方面，目前我国高档台式仪器( 如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分 析仪等) 还主要依赖进口，这些仪器加工工艺复杂、对制造水平要求高，生产突 破有困难，采用虚拟仪器技术可以通过只采购必要的硬件来设计自己的仪器系统； 另一方面，用户可以将一些先进的数字信号处理算法应用于虚拟仪器设计，提供 传统台式仪器不具备的功能，而且完全可以通过软件配置实现多功能集成的仪器 设计。因此，可以说虚拟仪器代表了未来测量仪器设计发展的方向。 与传统仪器一样，虚拟仪器也由三大功能块构成：信号的采集与控制、信号 的分析与处理、结果的表达与输出。与传统仪器相比，虚拟仪器有以下优点： ( 1 ) 融合了计算机强大的硬件资源，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储 等方面的限制。大大增强了仪器的功能。高性能处理器、高分辨率显示器、大容 量硬盘等已成为虚拟仪器的标准配置。 ( 2 ) 利用了计算机丰富的软件资源。方面，实现了部分硬件的软件化，节省 了物质资源，增加了系统的灵活性：另一方面，通过软件技术和相应的算法，可 实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理；再一方面，通过图形用户界面( g u t ) 技术，真正做到了界面友好，人机交互方便。 ( 3 ) 基于计算机总线和模块化仪器总线，使仪器硬件实现了模块化、系列化， 大大缩小了系统尺寸，可方便地构建模块化仪器( i n s t r u m e n to nac a r d ) 。 ( 4 ) 基于计算机网络技术和接口技术。v i 系统具有方便、灵活的互联能力 ( c o n n e c t i v i t y ) ，广泛支持诸如c a n 、f i e l d b u s 、p r o f i b u s 等各种工业总线标准。 因此，利用v i 技术可方便地构建自动测试系统( a t s ，a u t o m a t i ct e s ts y s t e m ) ， 实现测量、控制过程的网络化。 2 华中科技大学硕士学位论文 ( 5 ) 基于计算机的开放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件应具有开放性、 模块化、可重复使用及互换性等特点。因此，用户可根据自己的需要，选用不同 厂家的产品，使仪器系统的开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建时间0 1 。 与传统仪器相比，虚拟仪器不仅在智能化程度、处理能力、性能价格比、可 操作性等方面都具有明显的技术优势，而且在测控一体化应用方面具有重要意义， 它可以节省大量的人力、物力，使分散的仪器设备得到集中管理，从而实现生产 流程的高度自动化管理，提高生产效率、降低成本。同时，利用虚拟仪器技术及 计算机网络技术还可以实现对仪器设备的远程、分布式控制。因此，研究和开发 虚拟仪器具有重要的科学意义和实用价值。”“” 1 2 虚拟仪器的研究现状 目前，国内外对虚拟仪器的研究工作主要围绕着四个主题进行，其一是虚拟 仪器的开发平台软件的研制；其二是虚拟仪器的系统总线研究与选用；其三是虚 拟仪器专用总线的研究；其四是各种虚拟仪器和应用软件的研制。 近年来，世界各国的虚拟仪器公司已研制出不少用于虚拟仪器开发的平台软 件，以便使用者构建自己的虚拟仪器或测试系统，并开发测试软件。最早和最具 影响的开发软件是n i 公司的l a bv i e w 和l a bw i n d o w s c v l 开发软件。l a bv i e w 采用图形化编程方案，是一种实用的开发软件。l a bw i n d o w s c v i 是为熟悉c 语 言的开发人员准备的，是w i n d o w s 环境下的标准a n s ic 开发软件。除了上述开 发软件之外，h p 公司的h p v e e 和h p t i g 平台软件、t e k t r o n i x 公司的e z - - t e s t 和t e k t n s 软件以及h e md a t a 公司的s n a p - - m a s t e r 平台软件，也是国际上流行 的虚拟仪器开发平台软件“。 虚拟仪器的系统总线包括传统的r s 2 3 2 串行总线、g p i b 通用接口总线、v x i 总线以及已经被p c 机广泛采用的u s b 通用串行总线和i e e e1 3 9 4 总线等。美国 n i 公司为使虚拟仪器能够适应上述各种总线的配置，开发了大量的软件来适应不 同的硬件( 插件) 要求，以便灵活地组建不同复杂程度的虚拟仪器和自动测试系 统。r s 2 3 2 总线是p c 机早期采用的通用串行总线，至今仍然适用于要求较低的虚 拟仪器或测试系统。g p i b 总线已经风行多年，由于它是8 位并行总线，传输速 率和传输距离有限，因此很少用于大规模自动测试系统。但是，采用g p i b 总线 的虚拟仪器和插件仍然大量存在，g p i b 总线仍然是组建中等水平自动测试系统 的主要总线之一。v x i 总线是在v m e 总线的基础上发展起来的仪器总线，已成为 目前国际上测量仪器总线的主体，是世界各国开发虚拟仪器最重视的对象。从事 华中科技大学硕士学位论文 虚拟仪器开发的厂家和公司，也很重视用u s b 通用串行总线开发虚拟仪器，一是 因为虚拟仪器系统通常采用p c 机，而p c 机更多地采用u s b 总线；二是因为u s b 总线已经得到广泛的支持。微软w i n d o w s 9 8 全面支持u s b 总线，w i n d o w s c e 、 w i n d o w s n t 5 0 以及w i n d o w s9 5 的修订版也支持u s b 。但是，u s b 总线只限于用在 较简单的测试系统中。目前，用虚拟仪器组建自动测试系统时，更趋向于采用i e e e 1 3 9 4 串行总线，这是因为这种串行总线能够以1 0 0 、2 0 0 或4 0 0 m b s 的速率传递 5 数据。显然，它将会成为虚拟仪器开发中最有前途的总线。 虚拟仪器研究的另一个重点是建立各种仪器的专用总线系统。美国n i 公司在 i 9 9 7 年9 月1 日推出模块化仪器的主流平台p x i ，这是与c o m p a c tp c i 完全兼容 的系统。这种虚拟仪器模块化主流平台p x i c o m p a c tp c i 的传输速率已经达到 l o o m b s ，是目前已经发布的最高传输速率。 国际上许多虚拟仪器的开发厂家为扩大虚拟仪器的功能，在测量结果的数据 处理、表达模式及其变换方面也做了许多工作，发布了系列软件，建立了数据 处理的高级分析库和开发工具库( 包括测量结果的频谱分析、快速傅立叶变换、各 种数字滤波器、卷积处理和相关函数处理、微积分、峰值和阈值检测、波形发生、 噪声发生、回归分析、数值运算等) ，为虚拟仪器的开发和大型自动测试系统的组 建提供了很好的工具。”“” 目前，虚拟仪器在发达国家已经十分普及。在美国，虚拟仪器系统及其图形 编程语言，已作为各大学理工科学生的门必修课程。美国斯坦福大学的机械工 程系要求三、四年级的学生在实验时应用虚拟仪器进行数据采集和实验控制。1 。 在虚拟仪器的开发方面，美国h p 公司作了大量卓有成效的工作。他们所开发 的高精度数字表、数字式示波器以及信号发生器等虚拟仪器，已于1 9 9 3 年实现了 商品化生产，并取得了很好的经济效益。 我国对虚拟仪器的研究始于9 0 年代初，其主要研究工作大致集中在三个方 面，即平台软件的选型与试用、接口电路的试制以及电测仪器的开发。近几年， 重庆大学机械学院测试中心在国家自然科学基金委员会和重庆市科委的支持下， 对电测虚拟仪器进行了较为全面的研究，开发出多功能信号分析仪、示波器、噪 声测试分析仪、多通道测温仪等十几种虚拟仪器，并已开始进行商品化生产。 在应用方面，在国内已有部分院校的实验室引入了虚拟仪器系统，如上海复 旦大学、上海交通大学、广州暨南大学、华中理工大学、四川联合大学等。近一、 两年来这些学校在原有的基础上，又开发了一批新的虚拟仪器系统用于教学和科 研。其中，华中理工大学机械学院工程测试实验室将其开发成果在网上公开展示。 4 华中科技大学硕士学位论文 四川联合大学的教师基于虚拟仪器的设计思想，研制了“航空电台二线综合测试 仪”，将8 台仪器集成于一体，组成虚拟仪器系统，使用方便、灵活。清华大学汽 车系利用虚拟仪器技术构建的汽车发动机检测系统，用于汽车发动机的出厂检验， 主要检测发动机的功率特性、负荷特性等。一台发动机检测完后，就可打印出完 整的检测报告。此外，国内已有几家企业在研制p c 虚拟仪器，哈工大仪器王电 子有限责任公司就是其中之一，它的产品已达到一定的批量。其主要产品有数字 存储示波器系列、任意波形发生器及频率计系列、多通道大容量波形记录仪系列。 “1 国内专家预测，未来的几年内，我国将有5 0 的仪器为虚拟仪器。国内将有大 批企业使用虚拟仪器系统对生产设备的运行状况进行实时监测。随着微型计算机 的发展，虚拟仪器将会逐步取代传统的测试仪器而成为测试仪器的主流。m 纵观国内外对虚拟仪器的研究状况，可以得出两点结论：1 、开发虚拟仪器的 基本条件( 包括开发平台、总线、应用软件库等) 已经初步具备：2 、许多电测仪 器和简单的非电测仪器已实现虚拟化。然而，对于覆盖面最宽、传感器种类最多 的几何量测量，其虚拟仪器所见无几。因此，虚拟位移测量仪的研制对几何量测 量仪器的虚拟化具有特别重要的意义，同时也可为大型测试系统的构建提供单元 技术。 1 3 课题来源及主要研究工作 本课题为自选课题。为满足几何量测量中教学、科研的需要，填补国内虚拟 仪器在几何量测量方面的空白，本课题旨在研制一套虚拟位移测量仪，探讨虚拟 仪器技术在几何量测量方面的应用。本课题所研制的仪器技术指标如下： l 、位移测量仪采用电感式传感器，可测量四路独立的位移量信号或二路和差 信号； 2 、测量范围：+ 5 0 “m ，+ 1 0 0 p m ，_ + 1 5 0 p m ，+ 2 0 0 p m ： 3 、测量分辨率：o 1 岬； 4 、线性度误差：0 1 邮，o 3 岬，o 3 p m ，+ o 6 呻； 5 、检测信号带宽1 0 k h z ； 6 、传输距离：1 5 本课题主要完成信号预处理电路和a d 卡的设计与研制，并设计相应的设备 驱动程序及虚拟仪器面板。相比子传统仪器，该虚拟测微仪结构紧凑，操作简单， 经济性好，易于更新换代。完全可以满足教学、科研中中等精度测量的需求。可 完成多种方式的位移测量。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 全文内容安排 全文共分五章，其中： 第一章绪论，综合论述了研制虚拟仪器的意义以及国内外研究现状。 第二章虚拟电感测微仪的电路设计与分析，论述了电感式位移传感器的工 作原理、仪器的总体方案设计、前置预处理电路的设计与分析、a d 转换电路的设计与分析、i s a 接口电路的设计以及系统的误差分析。 第三章虚拟电感测微仪的软件设计，论述了仪器软件的构成、基于w i n d o w s 环境的信号采集软件设计、用d e l p h i 开发的虚拟面板控件库以及应 用软件的设计与编程。 第四章实验结果分析，分别对仪器的线性度和精密度进行了实验，并以圆 柱尺寸为例进行了实际测量。 第五章全文总结与展望，对虚拟测微仪的研制工作进行了总结，并对下一 步研究提出些了设想。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 2 虚拟电感测微仪的电路设计与分析 随着大规模集成电路及计算机技术的发展，虚拟技术已逐步进入测试领域， 虚拟仪器已成为当今仪器发展的方向。目前，虚拟技术已广泛地应用于医疗、电 子、信息等领域。1 。本章针对位移量测量的特点，详细论述了虚拟电感测微仪的 电路原理及组成。 2 1 总体方案设计 虚拟仪器以计算机为平台，以软硬结合的方式完成测量工作。虚拟电感测微 仪的硬件由传感器、前置处理电路、a d 转换电路以及计算机接口四部分组成。 其连接框图如图2 1 所示。 医磊i i 吾斗： 前置处理电路 ：a d 转换电路 _ _ _ _ _ _ - _ - - _ - _ 一 - 图2 一l 虚拟电感测微仪连接框图 传感器是仪器的感受变换装置，它将位移量变换为包含位移信息的易处理电 信号。常用的位移量测量传感器有差动电感传感器、差动变压器式电感传感器、 自感传感器、电容传感器等。基于设计要求，本仪器选用四路差动电感传感器。 前置处理电路设有振荡器，为传感器测量电桥和相敏检波电路提供激励电源。 由位移信号所调制的调幅信号经交流放大后，与基带信号一起送入相敏检波器。 相敏检波器的输出经直流放大器l 后，获得与位移量成比例的电压信号。a d 转 换电路包括多路模拟开关、可编程放大器、a d 转换器以及计算机的i s a 总线接 口，其主要功能是选择测量通道，并将模拟信号按编程增益放大后转换成数字信 号，实现计算机采样。 计算机在前台显示仪器面板，测量通道数、测量方式、量程以及结果显示等 设置均可通过点击屏幕上的按键或旋钮来完成。计算机在后台完成数据的采集和 存储。并根据设置参数调用软件库中的应用程序例程，实现数据的实时处理。用 户也可隐藏虚拟面板直接调用采样程序，从而构成自己的测量控制系统。 仪器具有两种组合方式：当测量点与计算机之间的距离在传感器连线所允许 华中科技大学硕士学位论文 的范围内时，前置处理电路和a d 转换电路同驻一块内置卡，可使四个传感器同 时工作；当测量点与计算机之间的距离较远时，特制的前置处理电路板可方便地 与各传感器结合，由a d 转换电路独驻内置卡，可使四个传感器同时工作。 前置处理电路与a d 转换电路分离设计的技术方案可增强仪器使用的灵活 性，可扩展仪器的使用范围。但是前置处理电路与a d 转换电路分板设计、联合 内置的方案，只能用于测量点与计算机之间距离较近的情况。而且，由于信号处 理板内置于计算机机箱内，主板上的高噪数字信号会影响仪器的测量精度。 2 2 差动式电感传感器的工作原理“ 本仪器采用的电感传感器为中原量仪厂出产的d g c - 8 z g a 型差动电感式传感 器。其结构如图2 - 2 所示。 图2 - 2 差动电感式传感器的结构图 传感器为管型电感传感器，主要由衔铁1 ，差动线圈2 ，差动线圈3 组成。由电 磁理论知道，带衔铁的螺管线圈的磁场由两部分组成，一部分是线圈激励电流，建 立的激励磁场日( 空心线圈磁场) ，另一部分是由衔铁进入线圈后，衔铁被磁化所 产生的附加磁场尻，现分别讨论如下。 ( 1 ) 激励磁场。对图2 3 所示空心螺线管，设其长度为j ，匝数为 半径为 根据 电磁场理论可求得中心线上距端面为硇点a 上的磁感应强度易为 华中科技大学硕士学位论文 马= 警( c 。s 岛一s 8 2 ) ( 2 - i ) 式中助线圈中的电流强度，卢。为空气隙的磁导率。忽略磁感应强度在轴向分布 的不均匀性，用平均磁感应强度表示螺线管内的磁感应强度，则平均磁感应强度 为： e = 2 - 伽f of 尚+ 南 铂笋( 阿_ r ) ( 2 - 2 i x 1 1 厂、一、，、厂、厂、厂、y 、v 、y 丫v 、v 、v 、v 弋 八八八八八人八八人人人人人 。 i 图2 - 3 空心螺线管示意图 于是可写出空心电感线圈的电感值为 、王，w 中 l1 w b 。玎 ；= 二：一 ， = 趔1 2 盼一r ) 式中，v 表示线圈的磁链，由表示线圈的磁通。 ( 2 - 3 ) 9 华中科技大学硕士学位论文 当， r 时有近似关系： r胁w 2 2 - 2 _ 一 ( 2 4 ) ( 2 ) 衔铁磁化引起的磁场。当衔铁进入螺管线圈时，激励磁场尽使衔铁磁化。由 于衔铁是铁磁体，而铁磁体在未被磁化时不具有磁性，当加激励磁场时，在激励 磁场作用下，产生附加磁场，从而使总的磁场加强。假设有一半径为l 、磁导率 为，的衔铁伸入前述空心螺线管中，由于磁导率增至f f ，所以线圈的电感值 相应增加。若衔铁伸入线圈长度为l ，则增长值可表示为 厶：型譬壁f 厅可一。 ( 2 - 5 ) 因此有衔铁的螺线管电感值为 l = 厶+ l 。 = 丝t 矿川l r2 防一，) + 以( 厅玎一) ( 2 - e ) 当r ，r 口 r ，可得： ( 2 1 6 ) 吣考杀蠹缸 由以上分析可知，当电感传感器被通入激励电流时，桥路输出与衔铁位移成 正比的调幅波信号。 e 图2 6 电阻平衡臂式测量电桥 华中科技大学硕士学位论文 2 3 3 相敏检波电路的设计 相敏检波电路的作用是从测量电桥输出的交流信号中分离出与位移相关的测 量信号。测量电桥的输出经交流放大后为调制信号u 。，其频率与激励信号相同， 幅值与传感器的测杆位移量成比例。在应用中，测杆从平衡点( 输出电平为零的 位置) 向两边偏移，u 。的相位差为1 8 0 。为了使仪器能工作在平衡点两侧，我 们设计了图2 - 7 所示的环形半波相敏检波器。 亡l u y o 图2 7 环形半波相敏检波器 图2 7 中，“。为测量信号，“。、分别表示激励电源在a 、b 两点( 见图2 5 ) 的输出电压，如前所述，t g 。= 一。如果月。= r 2 = 岛= 置，则加法器以和彳，的 输出分别为： = t 0 。+ 虬) “2 = 0 ，+ ) 式中：k = 一r ，r l 。 当r ，= r 。= r ，= r 8 = r 且二极管的内阻均等于r 时，流经电阻r p l 的电流可 表示成： 1 6 华中科技大学硕士学位论文 f = 2 妇， r ，+ o 5 ( r + ，) 】 o 2 m + i 式中，m 只与可变电阻r p i 的分压有关。 由此可见，流经电阻r ，。的电流只与测量信号“，有关，而与激励信号“。、 无关。在电阻r p i 上即可取出与位移量成比例的电压v o 。当，与“。反相时，取村， 为负值，电流i 的方向与图示相反。在“。的负半周期内，没有电流流过r p i 。 2 3 4 一阶r c 有源低通滤波器的设计 为了进一步抑制从相敏检波器输出的信号中的高频成分，同时减小滤波器的 体积，我们采用运算放大器和r 、c 网络，设计了一阶r c 有源低通滤波器滤波器， 其电路如图2 - 8 所示。 图2 - 8 一阶r c 有源低通滤波器 由图写出系统特征方程： 堡：一生! ：一上( 2 1 7 ) 乒 r i l + j c o r ，。c l + ，旦 0 2 0 鼽铲去“= 鲁 幅频特性： 华中科技大学硕士学位论文 a ( ) = a 。 ( 2 一1 8 ) 相频特性： 妒( ) = a r c t g ( r ，c c o ) ( 2 - 1 9 ) 截止频率为2 艘，c ，截止频率处的幅值为0 7 。7 鲁。 由公式( 2 - 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 可知，截频处衰减越大，则相移越大，即滤波器对前 级信号产生的延迟越大。因此不能无限制的增大截止区内衰减，否则会引起信号 失真。 2 4a d 转换电路的设计与分析。+ m 1 a d 转换电路将信号处理板输出的模拟信号进行数值化，通过i s a 总线接口 输入至计算机。h o 转换的精度直接影响整个系统的精度a d 转换电路由多路模 拟开关、可编程运算放大器以及a d 转换芯片构成，其连接如图2 9 所示。 图2 - 9a d 转换卡框图 多路模拟开关将来自前置处理电路的多路测量信号分时接入a d 转换电路， 其通道数及选通顺序由采样程序确定。可编程运算放大器a d 5 2 6 能使用户以可编 程方式控制输入信号的增益，以实现测微仪的量程转换 本系统选用a d g 4 0 8 作为模拟开关。a d g 4 0 8 是一种八通道高速低阻模拟开关， 其转换速度为l o n s ，导通电阻4 0 q ，具有较高的性能价格比。其工作原理如图2 一l o 所示。 华中科技大学硕士学位论文 c 图2 1 0a i ) g 4 0 8 的工作原理图 图2 一1 0 中，c m o s 传输门包括一个p 沟道m o s 管和一个n 沟道m o s 管。图中 t 1 是n 沟道增强型m o s 管，t 2 是p 沟道增强型m o s 管，它们的源级相连作为输入 端，漏级相连作为输出端。两个栅极是一对控制端，分别接入控制信号c 和c 。设 t 1 、t 2 开启电压分别为v 。和v 。 如果控制信号的高低电平分别为y 晶和o ，则当c = 0 ，c = 1 时，只要输入信 号的变化范围不超过o ，则t 1 和t 2 同时截止，输入和输出之间成高阻状态， 传输门截止。 相反，若c ；1 ，：= 0 ，且o v ，s v o o 一，则t 1 导通：若l i v ，v d d ， 则t 2 导通。因此，当v ，在0 到。之间变化时，t 1 和t 2 至少有一个是导通的， 使v ，与v 。之间呈低阻态，传输门导通。 可编程运算放大器a d 5 2 6 具有增益误差小、线性度好等特性，可对测量信号 提供l 、2 、4 、8 、1 6 倍增益。通过编程控制a d 5 2 6 的增益可完成量程切换，如当 量程为o 2 m m 时，通过软件控制使增益为8 ，当量程为：l - 0 4 m m 时，使增益为4 。 增益倍数由量程设置程序确定。 控制逻辑通过切换j f e t 开关，连接增益网络中合适的触点，完成放大倍数的 控制。当触点关闭时，通过触点的只有 f e t 的偏置电流，可忽略不记。如图2 1 l ， 华中科技大学硕士学位论文 当逻辑电路使第二个触点导通时，运放接成电压串联负反馈的形式，由图可求得 放大倍数为8 。 m a 1 1 碱 蕊 图2 - 1 ia d 5 2 6 的工作原理图 a d 转换芯片用于完成模拟信号到数字信号的转换。a d 转换器按转换过程是 否需要中间变量可分为直接a d 转换器和间接n o 转换器。其中直接a d 转换器 又包括并联比较型和反馈比较型。本文重点介绍反馈比较型a d 转换器。a d s 7 4 a 内部包含有与微机接口的逻辑电路，可以方便地与各种微机系统相连。另外， a d s 7 4 a 内部有参考电压源和时钟电路，给用户提供了方便再加上其转换速度快， 具有良好的性能价格比等优点，使得a d 5 7 4 成为目前国内外应用较多的器件之一。 逐次逼近型a d 转换器a d 5 7 4 的内部结构如图2 - 1 2 所示 a d 5 7 4 由两个芯片混合而成：一片是1 2 位d a 转换器a d 5 6 5 。包括高速电 流源电路、微调精密电阻网络、参考电压源、输入比例电阻等：另一片包括低功 耗逐次比较寄存器、转换控制电路、时钟电路、输出缓冲器和高分辨率比较器等。 华中科技大学硕士学位论文 “弋= e o m 籼雌。嚣臣 洲9 眦嘿臣 帅s h o 棚r t c y 罐c l e 匹 睢i o - n 坨舞厅 睇o 。啪陬罐匹 卅舢w 鲫9 瓮巨 删8 黼巨 灿锄嚯臣 孵盹噼是嚣匦 “斗1 w 剐9 瓮匝 洲嚣甏巴 1 w 笋“i “，p w t j _ t 匝 2 w 静州葛：= 匝 c o m 0 1 c l o c k 亡 篁 涮 撼 b u f f 奄 r 毫 s t a t u s s t s a b 呲 o t o u m u n d 瞄i t a l c o o 口c 图2 一1 2a d 5 7 4 的内部结构 当逻辑控制电路接受到转换指令时，系统立即启动时钟电路，同时将逐次比 较寄存器( s a r ) 清零。这时，输入电流首先同d a 转换器最高位置位时输出的电流 相比较，判断取舍，然后在时钟的控制下按顺序进行逐次比较，一直到a d 转换 器输出的数码都被确定，逐次比较寄存器向逻辑控制电路送回结束信号，转换结 束，时钟脉冲使输出状态变低。当外部加入读指令时，逻辑控制电路可以发出指 令，将数据从输出缓冲区送至引脚。 在转换过程中，内部1 2 位电流输出d a 转换器在逐步逼近寄存器的驱动下， 输出一个用于平衡输入信号电流的平衡电流。当输入信号电流不等于平衡电流时， 则有电流流经二极管，从而在比较器器( c o m p ) 输入端产生电压差，使比较器输出 高电平或低电平，控制逐步逼近寄存器的输出。比较器的输出反映逐步逼近寄存 器控制的d a c 的输出与输入电流的关系。比较器的输出又反馈到逐步逼近寄存器， 从而控制逐步逼近寄存器的输出是增加还是减小。到最后，逐步逼近寄存器得到 1 一个十二位二进制数，其误差不超过二l s b 。 2 5 l s a 接口电路的设计“ 2 i 啷嗡咖嘲 哦 晰 嘲嘲 峨 嗽噙 瓣蛳啉 hb日le=bble 3 s t t e o u t p u tlj捌刊jjf=ii 蛳甄 华中科技大学硕士学位论文 i s a ( i n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e ) 总线又称a t 总线，支持1 6 位数据 总线，2 4 位地址线，本a d 卡使用其中的8 位数据线，1 0 位地址线。a d 转换采 用1 2 位转换、两次输出、非独占方式时序工作。与i o 扩展槽连接部分需要有： 1 ) 地址译码电路，输出初始化寄存器锁存信号及a d 芯片的片选信号： 2 ) 读写控制逻辑： 3 ) 支持中断或查询的传送控制电路。 根据以上设计考虑，整个接口卡的组成如图2 1 3 。 模拟信号输 入 图2 1 3 接口卡的组成 图2 - 1 3 中，a e n 为地址允许信号，有效时表明总线处于d m a 控制周期之中。 此信号可用来在d m a 期间禁止i o 端口的地址译码。i o r 用来把选中的i o 设备 的数据读到数据总线上。l o w 用来把数据总