电涡流位移传感器的研制毕业论文.doc

题目 一种新型电涡流位移传感器的研制题目 一种新型电涡流位移传感器的研制 目 录 1 绪论 1 1 1 电涡流传感器技术现状 1 1 2 本文的主要研究工作 3 2 传感器的基本理论 5 2 1 传感器的定义 5 2 2 传感器的组成 5 2 3 传感器的分类 7 3 电涡流传感器基本原理 8 3 1 电涡流传感器的原理及分析 8 3 1 1 电涡流效应 8 3 1 2 电涡流作用原理 8 3 1 3 等效电路及分析 9 4 测量系统硬件平台设计与实现 12 4 1 运动控制台的设计 12 4 2 处理器的选型 13 4 2 1 C8051F330 的概述 13 4 2 2 C8051F330 系列的开发环境 15 4 3 系统的硬件电路设计 16 4 3 1 测量电路的基本原理 16 4 3 2 方波产生电路 17 4 3 3 信号放大电路 18 4 3 4 电源部分 19 4 4 本章小结 20 5 数据处理和分析 21 5 1 最佳仪表的静态特征的计算 21 5 2 特性曲线和拟合方程式 22 5 3 数据处理结果 25 6 数据处理系统的单片机编程 26 6 1 数据采集系统设计 26 6 1 1 数据采集的基本原理 26 6 2 原程序的生成 28 6 2 1 原程序流程图 28 6 2 2 主程序代码 31 7 总结与展望 35 7 1 工作总结 35 7 2 工作展望 35 致谢 36 参考文献 37 1 1 绪论绪论 1 11 1 电涡流传感器技术现状电涡流传感器技术现状 随着科学技术的发展 在测试技术中 已广泛地采用非电量电测技术及其仪器 非 电量电测技术具有下列主要优点 1 测量的准确度和灵敏度高 测量范围广 2 由于电磁仪表和电子装置的惯性小 测量的反应速度快 即具有比较宽的频率范围 3 能自动连续地进行测量 便于自动记录 4 采用单片机微处理做成的仪器可与微型计算机一起组成测量系统 5 可以进行远距离测量 从而能实现集中控制和远距离控制 6 一般被测对象取用功率小 因而可以减小对被测对象的影响 提高测量精度 但在不少场合 还要求能对被测物体进行非接触测量 这是因为 1 传感器测 头与被测体接触 或者把传感器固定在被测体上时 相当于对被测体加一负载 这样会 影响测量的精度 2 在有些场合下 根本无法用接触的方法来测量 如对高速旋转 轴的振动测量等 因此 在非电量电测技术领域中 非接触测量方法及仪器的研究 一 直是检测技术发展的一个重要方面 作为无接触测量的传感器 目前虽然已有多种 如电容检测法 电感监测法 超声 检测法等等 但在工业生产或一般实验中 普遍适用的却不多 以前用的最多的是电感 式和电容式两种 电感传感器虽然使用可靠 但是体积大 测量的线性范围小 电容传 感器的体积小 结构简单 灵敏度高 但是测量的范围小 测量值受到介质和电磁场的 影响较大 在现场使用亦有困难 因此都不能满足实际使用中的要求 目前 随着电光 技术的发展 光电器件质量有了很大提高 光电检测法也成了一种很有前途的非接触测 量的非电量测试技术 而同时 又发展了一种建立在电涡流原理上的传感器 即电涡流 传感器 它可以把位移 振幅 厚度 尺寸 裂纹等参数变换成电量来进行测量 并且 具有测量线性范围大 结构简单 不受油污等介质的影响 频响宽 抗干扰能力强等优 点 国外已用于汽轮机 空间压缩机等旋转轴的径向振动测量与轴向位移测量 并用来 作为连续监控装置国内已研制成功了电涡流式位移振动测量仪和电厂汽轮机监视用位移 计 偏心度计等 首先将电涡流现象和测量方法联系起来的是休斯在 1879 年的实验 而逐渐形成一 种测试手段和技术是本世纪四 五年代后的事 此后德国的 Rentique 研究所和美国的 Bently Nevada 公司相继研究了电涡流传感器的原理 并逐渐发展出了产品及仪器 目 前 生产 ESC 较多的是国家是美 日 德 英等国家 一些产品 包括过国内的 的主 要性能如表 1 1 表 1 1 某些 ECS 主要技术性能 国家 生产 单位 型号线性 范围 mm 分辨率 m 工作 温度 端部 直径 mm 频率 范围 kHZ 美国 BN1901 52 57 6 0 10 日本 AEC5P0510 35 0 10 日本小野测器 制作所 VS 0 11 15 0 10 中国杭州自动 化仪器厂 CZF 1001 21 15 80 7 0 20 中国清华 QH 31 0 70 14 在我们国家 研制电涡流检测仪器历史不过十多年 作为产品也只有十年 但是 由于该类仪器本身的一些优点 一些仪器研制出来以后 很快被工业部门广泛用于测量 位移 厚度 只寸 振动 转速 压力 电导率以及金属材料探伤和缺陷检测等 鉴于 上述的情况 可以这样认为 研制 ESC 并进一步提高其性能 并且针对某些特殊测试要 求加以改进 是一项有价值 值得研究的工作 目前 电涡流传感器用的最多的是两个方面 一个是用于测试仪表 再就是用于监 测保护系统 前者对精度 分辨率 线性度 稳定性等技术要求指标要求较高 随着生 产的发展及科技水平的不断提高 对测试仪器的要求越来越高 而以往的电涡流传感器 就能满足不了要求 例如 在机械行业中 高精度磨床的主轴回转精度的测量中 其主 轴的径向跳动在 0 5 2 之间 甚至更小 这么小的振动量对仪器的要求就相当高 尤 其是对仪器的最高分辨率 即要求仪器有较高的信噪比 目前 国内用于测量的位移振 幅传感器最高分辨率约 0 5 1 数量级 国外约在 0 05 0 1 用 0 5 的仪器去测量 分析 1 2 的振动情况是满足不了要求的 又如 对钢板等厚度的在线测量 不但要 求仪器具有宽的动态测量范围 而且还要求能测静态位移 除了要求仪器有高的分辨率 外 更重要的是仪器有良好的温度稳定性和线性度 温度稳定性是比较难解决的问题之 一 国外许多同类仪器的二次仪表温漂大约在 0 1 0 15 国内就更差 许多 产品根本就不提该项指标 因此 当环境温差较大或测试要求较高时 高精度测量就无 法实现 这也是国内电涡流传感器应用受到限制的一个重要因素 目前 国内生产用于 测试的涡流传感器及其仪表不太多 分辨率比较低 灵敏度也比较低 约在 1mv 4mv 因此在很多场合过去一直采用电容传感器 电容传感器的致命弱点是 测量结果极易受到传感器与被测体间介质变化的影响而且传感器本身的安装极为不便 这使得它的的实际应用受到限制 除非在实验室 使用它也是迫不得已 针对这些情况 我们研制了新型电涡流传感器 使它既保持了涡流传感器的优点 又在灵敏度 线性度 温度稳定性等方面远远的超过电容传感器 本文即在该技术的基础上从线性化处理方法 提高传感器精度的方面考虑研制一种新型的电涡流传感器 1 21 2 本文的主要研究工作本文的主要研究工作 1 研究了提高传感器线性测量范围和稳定性的方法 目前普遍使用的电涡流传感器系统 由于受到处理电路的影响以及电涡流效应本身 非线性 所以测量范围比较小 一般为探头直径的 1 3 1 5 例如 直径 5cm 的探头的 测量范围为 1cm 或 2cm 因此 国内的涡流传感器一般只用于监测旋转机械转子的径向 和轴向偏移等位移较小的物理量 对于电涡流传感器来说 如何提高传感器的线性测量 范围是非常重要的 其次 对于传感器的性能指标 灵敏度 稳定性和分辨率也是较为 主要的方面 本文主要内容在于研究提高传感器线性范围和稳定性的方法 对于如何提 高传感器的线性测量范围以及稳定性 本文从以下两个方面入手解决 1 传感器性能指标一般希望有比较大的线性测量范围和高的灵敏度 而且要同时达到 往往是比较困难的 在设计传感器时应根据线圈参数与传感器性能的关系对传感器性能 的影响 本文从改变线圈截面形状入手 采用了环形绕制的多层线圈 研究了线性截面 形状及参数变化对传感器线性测量范围和灵敏度的影响 从而对传感器的优化设计提供 理论依据 2 从电路设计上提高传感器的稳定性和线性度以及抗干扰能力 从而采用单片机技术 扩展线性测量范围 本文通过高频 LC 振荡回路提高传感器输出频率 从而为后续电路 的信号采样提供了稳定的信号 利用这种方法可以提高电路稳定性稳定性 2 设计了传感器的测量电路及校准系统 将上面提出的提高电路稳定性的方法应用到电涡流传感器的实际测量电路中 完成 了电路的调试 为对传感器的输入输出关系进行校准和为进一步改进性能提供依据 本 课题利用一个专门的固高测量台和数据采集与处理系统组成的单片机系统对电涡流传感 器输出信号进行处理 由于计算机在高性能和低价格方面的惊人进展 在测量领域 计 算机的采用已成为求得高性能的综合性能 例如 使传感器本身的非线性线性化 消除 来自传感器的噪声信号 自动校正受多种因素变化所影响的灵敏度和零点 自动环境温 度补偿 具有一定的自诊功能 2 2 传感器的基本理论传感器的基本理论 2 12 1 传感器的定义传感器的定义 传感器的概念来自 感觉 一词 人们为了研究自然现象 仅仅依靠人的五官获取 外界信息是远远不够的 于是人们发明了能代替或补充人体五官功能的传感器 工程上 也将传感器称为 变换器 根据国家标准 传感器通用术语 传感器的定义为 能感受 或响应 规定的 被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置 传感器通常由直接响应于被 测量的敏感元件和产生可用输出信号的转换元件以及相应的电子线路所组成 这一定 义所表达的传感器的主要内涵包括 1 从传感器的输入端来看 一个指定的传感器只能感受的被测量 即传感器对规定的 物理量具有最大的灵敏度和最好的选择性 例如 温度传感器只能用于测温 而不 能同时还受其他物理量的影响 2 从传感器的输出端来看 传感器的输出信号为 可用信号 这里所谓的 可用信 号 是指便于处理 传输的信号 最常见的是电信号 光信号等 可以预料 未来 的 可用信号 或许是更先进 更实用的其他信号形式 3 从输入与输出的关系来看 输入和输出之间的关系应具有 一定规律 即传感器 的输入与输出不仅是相关的 而且可以用确定的数学模型来描述 也就是具有确定 规律的静态特性和动态特性 传感器是信息检测的必要工具 是生产自动化 科学测试 计量核算 监测诊断等 系统中必不可少的基础环节 通常是检测系统与被测量对象之间的接口 处于检测系统 的输入端 其性能直接影响着整个检测系统 对检测精确度起着主要作用 一般来讲 自动检测装置中最初感受被测量并将它转换为可用信号输出的器件叫传感器 在工程上 也称为探测器 换能器 测量头 2 2 2 2 传感器的组成传感器的组成 传感器是一个完整的测量装置 或系统 能把被测非电量转换为与之有确定关系 的有用电量输出 以满足信息的传输处理 记录 显示和控制等要求 传感器一般由敏感元件 变换元件和其他辅助元件组成 但是随着传感器集成技术 的发展 传感器的信号调理与转换电路也会安装在传感器的壳体内或者与敏感元件集成 在同一芯片之上 因此 信号调理电路以及所需辅助电源都应作为传感器的一部分 如 图 1 1 所示 敏感元件 感受被测量 并输出与被测量成确定关系的其他量的元件 如膜片 和波纹管 可以把被测量压力变为位移量 若敏感元件能直接输出量 如热电偶 就 兼为传感元件和传感器就完全是融为一体的 变换元件 又称传感元件 是传感器的重要元件 它可以直接感受被测量 一 般为非电量 且输出与被测量成确定的关系的电量 如热电偶和热敏电阻 传感元件也 可以不在直接感受被测量 而只感受与被测量成确定关系的其他非电量 例如 差动变 压器式压力传感器 并不直接感受压力 而只是感受与被测压力成确定关系的衔铁位移 量 然后输出电量 一般情况下使用的都是这种传感元件 信号调理与转换电路 能把传感元件输出的电信号转换为便于显示 记录和控 制的有用信号的电路 信号调理与转换电路根据传感元件类型的不同有很多种类 常用 的电路有电路 放大器 振荡器和阻抗变换器等 传感器根据使用要求的不同 可以做得很简单 也可以做得很复杂 可以是带反 馈的闭环系统 也可以是不带反馈的开环系统 因此 传感器的组成将依不同情况而有 所差异 敏感元件变换元件信号调理与转换电路 辅助电源 被测量非电量 电参量电量 图 1 1 传感器组成框 图 2 32 3 传感器的分类传感器的分类 传感器的种类很多 往往同一个种被测量可以用不同类型的传感器来测量 如压力 可用电容式 电阻式 光纤式等传感器来进行测量 而同一原理的传感器又可以测量多 种物理量 如电阻式传感器可以测量位移 温度 压力及加速度等 因此 传感器有许 多种分类方法 常用的分类方法有 1 按被测量分类 机械量 位移 力 力矩 扭矩 速度 加速度 振动 噪声 热工量 温度 热量 流量 速 风速 压力 差 液位 物性参量 浓度 粘度 比重 酸碱度 状态参量 裂纹 缺陷 泄露 磨损 表面质量 这种分类方法也就是按用途进行分类 给使用者提供了方便 容易根据测量对象来 对选择传感器 2 按测量原理分类 按传感器的工作原理可分为电阻式 电感式 电容式 压点式 光电式 光 纤 磁敏式 激光 超声波等传感器 现在传感器的测量电路都是基于物理 化学和生物等各种效应和定律 这种分类方法便于从原理上认识输入与输出 之间的变换关系 有利于专业人员从原理 设计及应用上作归纳性的分析与 研究 3 按信号变换特征分类 结构型 主要是通过传感器结构参量的变化实现信号变化的 例如 水银温 度计是利用水银的热胀冷缩现象测量温度 压电式传感器是利用石英晶体的 压电效应实现测量等 4 按能量关系分类 能量转换型 传感器直接由被测对象输入能量使其工作 例如热电偶 光电 池等 这种类型传感器也称为有源传感器 除了以上分类方法外 还可按照输出型号形式分为模拟式传感器和数字式传 感器 按照测量方式分为接触式和非接触式传感器等 虽然分类方法各不相 同 但了解传感器的分类可以加深理解 便于合理选用传感器 3 3 电涡流传感器基本原理电涡流传感器基本原理 在机械振动技术研究和连续监视过程中 一再提出了无接触测量问题 作为无接触 测量的传感器 以前用的很多的是电感仪和电容仪两种 电感传感器虽然使用可靠 但 是体积大 测量的线性范围小 电容传感器的体积小 结构简单 灵敏度高 但是测量 的范围小 测量值受到介质和电磁场的影响大 在现场使用亦有困难 因此都不能满足 实际使用中的要求 为了克服上述两种传感器的缺点 发展了一种建立在电涡流原理上 的传感器 即电涡流 它可以把位移 振幅 厚度 尺寸 裂纹等参数变换成电量来进 行测量 并且具有测量线性范围大 结构简单 不受油污等介质的影响 频率宽 抗干 扰能力强的优点 国外已用于汽轮机 空气压缩机等旋转的径向振动测量与轴向位移测 量 并用来作为连续监控装置 国内已研制成功了电涡流式位移振幅测量仪和电厂汽轮 机监视用位移计 偏心度计等 3 13 1 电涡流传感器的原理及分析电涡流传感器的原理及分析 3 1 13 1 1 电涡流效应电涡流效应 当通过金属导体中的磁通发生变化时 就会在导体中感应电流 这种电流的流线在 金属内自行闭合 通常称之为电涡流 电涡流的产生必然要消费一部分磁场能量 从而 使产生磁场的线圈阻抗发生变化 电涡流传感器就是基于这种电涡流效应 3 1 23 1 2 电涡流作用原理电涡流作用原理 金属板 图 3 1 电涡流作用原理图 X 线圈 3 1 33 1 3 等效电路及分析等效电路及分析 把金属板看作一个短回路 它与激励线圈相联系 可等效成如下的电路 M U 线圈电路 金属板等效电阻 线圈的电感 1 R 2 R 1 L 激励电压 金属板的电感 2 L 图 3 2 等效电路图 由楞次定律 涡流的交变磁场与线圈的磁场变化的方向相反 总是抵抗的变 化 由于涡流磁场对导磁材料的作用以及距离对磁场的影响 使原线圈的等效阻抗发Z 生变化 变化程度与有关 分析表明 影响高频率线圈阻抗的因素 除了线圈与金XZ 属极间距离 以外 还有金属板的电阻率 磁导率 以及线圈的激磁圆频率 等 我们把金属导体形象地理解为一个短路线圈 它与传感器线圈磁性相联 这里我们假定 传感器线圈原有电路为 电感为 则其复阻抗为 j 2 1 在线圈与导体之间存在一个互感系数 为激励电压 为导体等效电阻和电 感 有图 2 所示等效电路 根据基尔霍夫定律 在线圈与导体之间存在一个互感系数 为激励电压 为导体等效电阻和电感 有图 2 所示等效电路 根据基尔 霍夫定律 可以列出如下方程 2 2 解上述方程组可得到及 进而可以求得线圈在受到导体影响之后的等效阻为 j 2 3 同时可以得到线圈的等效电感为 L L 2 4 比较与两式可知 由于涡流的作用 使阻抗的实部 电阻 增大 而虚部部分等 效电感是增大还是减小 这主要由金属导体材料而定 所以等效电感将减小 当金属 材料为磁性材料时 由于导体被磁化使也增大 而增大得比 L L 中的第二项增多得多 因此的等效电感 L L 将增大 由 4 式也可得到线圈的品质因素 Q Q 为 Q Q 2 5 式中 为无导体影响时线圈的 Q Q 值 为导体中产生的电涡流的阻抗 综上所述 根据电涡流传感器的基本原理 可以有三个不同的输出量 即 L Q Z 虽 然他们之间是相互联系的 但是采用不同的测量电路 可以反应 Q 的变化 L 的变化 Z 的变化 这里我们设计关于 L 的变化的测量电路 变换为位移 X 和电感 L 之间的关系 4 4 测量系统硬件平台设计与测量系统硬件平台设计与实现实现 为了对传感器的输入输出关系进行校准和为进一步改进性能提供依据 本课题利 用一个专门设计的固高运动控制测试台和测量电路组成的数据采集与处理系统对电涡流 传感器进行校准 并采用最佳特性曲线分段拟合的新方法进行数据处理 我们设计的测 量系统分为两部分 硬件部分和软件部分 硬件部分有运动控制台部分 系统硬件电路 部分 电源部分等 下面首先对测量系统的硬件部分设计加以叙述 4 14 1 运动控制台的设计运动控制台的设计 测量系统中我们对位移的变化需要运动精度很高的控制台 这里我们选择固高科技 运动控制测试台 其结构原理图如图 4 1 所示 图 4 1 固高测量控制台原理图 GXY 系列工作台集成有 4 轴运动控制器 电机及其驱动 电控箱 运动平台等部 件 各部件全部设计成相对独立的模块 便于面向不同实验进行重组 控制装置由 PC 机 GT 400 SV 运动控制卡和相应驱动器等组成 运动控制卡接受 PC 机发出的位置和 轨迹指令 进行规划处理 转化成伺服驱动器可以接受的指令格式 发给伺服驱动器 由伺服驱动器进行处理和放大 输出给执行装置 执行装置根据驱动和控制精度的要求 可以分别选用交流伺服电机 直流伺服电机和步进电机 其中步进电机不需要反馈 用 于实现开环控制 步进电机可以直接用数字信号进行控制 与计算机的接口比较容易 没有电刷 维护方便 寿命长 启动 停止 正转 反转容易 基于上述优点和实验的 需要 我们选步进电机作为驱动 机械传动部分本身采用滚珠丝杠传动十字工作台 大 大提高了控制精度 这里我们把钢板作为测试平面 将其固定在测量台台体的左侧 将 电涡流传感器固定在轴 1 所在的运动台 从而改变传感器和测试平面之间的距离 4 24 2 处理器的选型处理器的选型 4 2 14 2 1 C8051F330C8051F330 的概述的概述 C8051F330 器件是完全集成的混合信号片上系统型 MCU 它的一些特征给我们进行 信号的采集 数据的处理带来了方便 C8051F330 的主要特征如下 1 高速 流水线结 构的 8051 兼容的 CIP 51 内核 可达 25MIPS 2 真正 10 位 200 ksps 的 16 通道单端 差分 ADC 带模拟多路器 3 硬件实现的 SMBus C 增强型 UART 和增强型 SPI 串行 2 I 接口 5 8KB 可在系统编程的 FLASH 存储器 6 具有 3 个捕捉 比较模块和看门狗定时器 功能的可编程计数器 定时器阵列 PCA 7 17 个端口 I O 容许 5V 输入 8 17 个端 口 I O 容许 5V 输入 其内部结构图如图 4 2 所示 图 4 2 C8051F330 内部结构图 对于 C8051F330 来说 其片内具有上电复位 VDD 监视器 看门狗定时器和时钟振 荡器 可以说是真正意义上的片上独立工作的芯片 另外其片内的 FLASH 存储器还具有 在系统重新编程能力 可用于非易失性数据存储 并允许现场更新 8051 固件 其原理 框图 4 3 所示 图 4 3 C8051F330 原理框图 4 2 24 2 2 C8051F330C8051F330 系列的开发环境系列的开发环境 C8051F330 1 器件具有片内 Silicon Labs 2 线 C2 接口调试电路 支持使用安 装在最终应用系统中的产品器件进行非侵入式 全速的在系统调试 开发套件 C8051F330DK 具有开发应用代码和对 C8051F330 1 MCU 进行在系统调试 所需要的全部硬件和软件 开发套件中包括开发者工作室软件和调试器 一个集成的 8051 汇编器和一个 RS 232 转换到 C2 的串行适配器 套件中还有一个目标应用板 上面 有对应的 MCU 和一大块样机区域 套件中还包括 RS 232 和 C2 电缆及一个墙装电源 开 发套件需要一个运行 Windows95 98 Me 2000 并有一个可用 RS 232 串口的计算机 如图 1 6 所示 PC 机通过 RS 232 与串行适配器连接 一条六英寸的扁平电缆将串行适配器 和用户的应用板连接起来 使用 2 个 C2 引脚和 VDD 及 GND 串行适配器从应用板获取其 电源 对于不能从目标板上提取足够电源的应用 可以将套件中提供的电源直接连到串 行适配器上 4 34 3 系统的硬件电路设计系统的硬件电路设计 4 3 14 3 1 测量电路的基本原理测量电路的基本原理 根据电涡流测量的基本原理和等效电路 传感器线圈与被测金属间距离的变化可以 变换为线圈的品质因素 Q 等效阻抗 Z 和等效电感 L 这些参数的变化 因此 这里测量 电路的任务是把这些参数的变化变换为电压或频率的变化 基本可以用三种类型的测量 电路 1 电桥电路 2 谐振电路 3 正反馈电路 这里我们考虑采用基于 LC 谐振的谐振电路 把输出的电感信号转换成脉冲频率信号 采用谐振电路传感器电路结构简单 可直接输出脉冲频率信号 它的测量和输出 可直接应用于数字技术 易与单片机接口 具有精度高 抗干扰能力强等优点 但是通 常认为谐振电路稳定性差 对实验的频率计数带来误差 使实验的测量精度受到一定的 影响 在我们设计的电路中 提高频率的稳定性是我们必须要解决的问题 本文设计的涡流式传感器的测量电路采用谐振电路 首先把制作好的双层线圈作为 LC 振荡回路的电感 使电感线圈 L 和电容 C 组成并联谐振电路 在其谐振回路之中 其 振幅频率为 f f 当电路加电时 LC 振荡电路产生高频脉冲信号 这里的高频正脉 冲信号近似与方波 当被测物体 如钢板 距离 发生变化时 传感器线圈阻抗 Z 随 间隙 的变化而变化 LC 回路失谐 输出信号工作频率 f 随 而变化 输出的频率信 号在通过 CD4069 反相器变为标准的方波信号 但是这里的方波信号的输出频率一般接近 2MHz 左右 过高的频率给后续的单片机采样完整性带来了困难 所以我们在采用 CD4060 分频器进行分频 就可以获得单片机能快速响应的频率 之后通过 C8051F330 进 行频率 距离转换 在频率 距离转换中我们采用对 C8051F330 进行 C 语言编程 这里我 们在后续的章节介绍 如下图 4 4 所示 CD4069 反向器 C8050F330 微处理器 LM358 放大器 图 4 4 测量电路基本原理 图 L L C f f 钢板 双层线圈 CD4060 分频器 4 3 24 3 2 方波产生电路方波产生电路 在测量电路中 通过 LC 振荡回路产生的脉冲信号 经 CD4069 反相器后得到的方波的 频率大概是 2MHZ 左右 方波的产生电路如图 4 所示 12 U2A CD4069反反反 1 34 U2B CD4069 2 56 U2C CD4069 3 10mH L3 Inductor反反反反 10mH L2 Inductor 反反反 10pF C2 Cap Pol1 10pF C8 Cap Poll P0 0 1 GND 2 VDD 3 RST C2CK 4 P2 0 C2D 5 P1 7 6 P1 6 7 P1 5 8 P1 4 9 P1 3 10 P1 2 11 P1 1 12 P1 0 13 P0 7 14 P0 6 15 P0 5 16 P0 4 17 P0 3 18 P0 2 19 P0 1 20 C8051F330 U5 C8051F330 1 2 3 4 5 P MHDR1X5 GND GND VCC CD4060 DCA0 图 4 5 方波产生电路 上述电路中产生的 2MHZ 的方波 此频率作为单片机输入信号不易于控制 因为过 高的频率会影响单片机的反应速度 将会对传感器的灵敏度带来一定的影响 在通过 CD4060 分频后 32 分频 可产生大约 62 5KHZ 的方波 此时的方波信号经过 C8051F330 的数字 I O 端口 P0 4 输入 C8051F330 内部 16 位的定时 计数器开始计数 4 3 34 3 3 信号放大电路信号放大电路 信号放大电路是指用来放大传感器输出的微弱电压 电流或电荷信号的放大电路 在许多场合下 传感器输出的弱信号包含有低频 静电和电磁耦合等干扰信号 且有 时是完全同相的共模干扰 虽然运算放大器对接入到差动端的共模信号有较强的抑制 能力 但对简单的反相输入或同相输入接法 由于电路结构不对称 抗共模干扰的能 力很差 故不能用在精密测量场合 因此 在这里我们使用LM358双运算放大器 对 于LM358双运算放大器来说 其内部包括有两个独立的 高增益 内部频率补偿的双 运算放大器 适合于电源电压范围很宽的单电源使用 也适用于双电源工作模式 在 推荐的工作条件下 电源电流与电源电压无关 它的使用范围包括传感放大器 直流 增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合 经过C8051F330中转换后电流的范围是0 2mA 进入LM358之前通过1K的电阻将其转 化电压的变化 其变化的范围是0 5V 这里的LM358双运算放大器采用同相输入 其 一级放大倍数的计算公式为 4 1 F uf 1 R A1 R 1 5 12 5 1 放大后的电压范围为0 5V 其二级的放大器一般看作电压跟随器 其放大倍数的计算公 式为 当时 4 2 0 uf 1 u A 1 u R 0 F 它在电路中可以起到阻抗匹配的作用 能够使得后一级的放大电路更好的工作 1K R9 Res2 V3 GND 100pF C16 Cap Semi Text 1K R11 Res2 DAC0 DACOUT 1 5K R8 Res2 DZ2 D Zener 2 3 1 A 84 U1A LM 358AD 5 6 7 B 84 U2B LM 358AD GND 图 4 6 信号放大电路 4 3 44 3 4 电源部分电源部分 在测量系统中 电源部分的设计是整个硬件系统设计中重要的一环 对电源要求一 般有以下几点 输出稳定 噪声低 效率高 这里我们选择鸿海科技的 JMD20 A 开关电 源 开关电源是一种电压转换电路 主要的工作内容是升压和降压 其内部的开关三极 管总是工作在 开 和 关 的状态 所以叫开关电源 根据激励信号结构分类 可分为脉冲调宽和脉冲调幅两种 脉冲调宽是控制信号的宽度 也就是频率 脉冲调幅 控制信号的幅度 两者的作用相同都是使振荡频率维持在某一范围内 达到稳定电压的 效果 JMD A 开关电源参数如下表 开关电源 型号JMD20 A 外形尺寸80 0 57 5 25 0mm 输入170 260V 输出 V1 5V 2A V2 12V 0 5A V3 12V 0 5A 表 4 7 JMD A 开关电源的参数 4 44 4 本章小结本章小结 本章中 首先介绍了测量台的设计和处理器的选型 通过对 C8051F 系列单片机的 对比分析 选择了性价比较高的 C8051F330 单片机 同时从硬件资源上分析了 C8051F330 单片机完全能满测量电路的要求 最后还对系统硬件电路设计的一些具体模 块的设计进行了介绍 参考文献参考文献 1 吴道锑 非电量电测技术 M 西安 西安交通大学出版社 1990 2 王安 樊文侠 一种扩展电涡流传感器线性范围的新方法 J 西安 西安工业学院学 报 1996 16 2 114 119 3 钟顺时 钮茂德著 电磁场理论基础 M 西安电子科技大学出版社 1995 4 郁有文 传感器原理及工程应用 M 西安 西安电子科技大学出版社 2001 5 范晶彦 传感器与检测技术应用 M 北京 机械工业出版社 2005 6 沈聿农 传感器及应用技术 M 北京 化学工业出版社 2001 7 谭祖根 汪乐宇 电涡流检测技术 M 北京 原子能出版社 1986 8 谢嘉奎 宣月清 冯军 电子线路 M 北京 高等教育出版社 2000 9 贾柏年 俞朴 传感器技术 M 南京 东南大学出版社 1992 10 熊诗波 黄长艺 机械工程测试技术基础 M 机械工业出版社 2006 11 杨放琼 彭高明 传感器的非线性补偿探讨 J 矿业研究与开发 1999 19 4 36 37 12 孙余凯 吴鸣山 项绮明 集成运算放大器实用电路识图 M 电子工业出社 2008 13 部健杨 朱惠忠 大量程电涡流位移传感器线性化电路研究 J 仪表技术与传感器 1998 6 27 30 14 邵东向 郭华 电感式位移传感器线性补偿技术 J 传感器技术 1999 18 2 38 40 15 刘兆琦 杨建忠 电涡流传感器及求特性曲线拟合方程的新方法 J 西安石油学院 学报 1998 13 3 38 41 16 王军平 大量程电涡流传感器的研制 J 西北工业大学硕士学位文 2001 43 48 17 黄俊钦 测试误差分析与数学模型 M 北京 国防工业出版社 1985 18 钟顺时 钮茂德著 电磁场理论基础 M 西安电子科技大学出版社 1995 19 潘琢金 C8051F330 1 2 3 4 5 6 7 混合信号 ISP FLASH 微控制器数据手册 M 深 圳 新华龙电子有限公司 2002 12 20 潘琢金 施国君 C8051Fxxx 高速 SOC 单片机原理及应用 M 北京 北京航空航天大学 出版社 2002 21 童长飞 C8051F 系列单片机开发与 C 语言编程 M 北京 北京航空航天大学出版社 2005 23 王焊东 传感器应用技术 M 西安电子科技大学出版社 2006 20 45 24 张义和 Altium Designer 完全电路设计 M 机械工业出版社 2007 7 25 宋贤法 韩晶 路秀丽 Protel Altium Designer6 X 入门与实用 M 电路设计实例 指导教程 机械工业出版社 2009 26 徐向民 邢晓芬 华文龙 李磊 Altium Designer 快速入门 M 华南理工大学出社 2009 附录 1 一次拟合数据处理结果 0 10mm 线性度求距离求电流系统误差 061496127 0 01724 0 03376 0 00674 0 00674 0 160896061 83 0 021290 0583090 01165 0 00835 0 260205996 66 0 018290 1641860 032805 0 00719 0 359475931 49 0 012160 2762010 055186 0 00481 0 458745866 32 0 006020 3882150 077567 0 00243 0 558015801 150 0001180 500230 099948 5 2E 05 0 657285735 980 0062540 6122450 1223290 002329 0 756575670 810 0108230 7211910 1440970 004097 0 855865605 640 0153920 8301370 1658650 005865 0 955195540 470 0168260 9329450 1864070 006407 9 139283929 7950 0117329 1866031 8355260 015526 9 239243924 540 0035299 2631581 8508220 010822 9 339193919 2850 0018639 3588521 8699420 009942 9 439143914 030 0001969 4545451 8890630 009062 9 539103908 775 0 008019 53111 9043590 004359 9 639053903 52 0 009679 6267941 9234790 003479 9 739013898 265 0 017889 7033491 938775 0 00123 9 838963893 01 0 019549 7990431 957895 0 00211 9 938923887 755 0 027759 8755981 973191 0 00681 1038883882 5 0 035959 9521531 988487 0 01151 平均值 0 00159520 001343 附录 2 二次拟合数据处理结果 0 10mm 线性度 x100 求距离求电流系统误差 0614961670 01410658000 0 160896093 4280 003470060 0954330 019068 0 00093 0 260206021 0110 000792480 1908460 038132 0 00187 0 359475949 750 002155330 2862360 057191 0 00281 0 458745879 6450 004423820 3816040 076246 0 00375 0 558015810 6950 007597960 4769480 095296 0 0047 0 657285742 9010 011677740 5722660 114341 0 00566 0 756575676 2620 015095770 6675580 133381 0 00662 0 855865610 7790 019419440 7628210 152415 0 00758 0 955195546 4520 021513950 8580550 171444 0 00856 939333932 51 0 00038491 798242 0 00176 9 139283927 68 0 00025079 11 818223 0 00178 9 239243922 934 0 00083519 21 838203 0 0018 9 339193918 273 0 00056989 31 858184 0 00182 9 439143913 696 0 00023869 41 878164 0 00184 9 539103909 203 0 0006259 51 898145 0 00186 9 639053904 794 0 00016189 61 918125 0 00188 9 739013900 469 0 00041629 71 938105 0 00189 9 838963896 2280 0001799 81 958086 0 00191 9 938923892 0725 6505E 059 91 978066 0 00193 10388838880101 998047 0 00195 平均值 0 00448558 0 00294 附录 3 C8051F330 开发实验板 附录 3 电涡流传感器电路板实物图 袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃 莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁 蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈 袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂