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数字式电感传感器的设计数字式电感传感器的设计 翻译 测仪翻译 测仪 111 班班 张晏菱张晏菱 10111733 摘要摘要 由于电感传感器简单的结构 可靠性和高精度性 它常用于位移 压力的测量 电 感传感器通常采用交流电桥作为将传感器的电感转化成交流电压信号的转换电路 因此很难 直接为使用者进行数字处理 此论文介绍了一种带有数字接口的转换电路 这种电路可以将 由电感传感器产生的电感信号转换成一种 RS232 系列的数字信号 此外 这种电路可以独立 提供激励源而且无需外界提供激励 因此这让传感器的使用更为简单 带有这种转换电路的 传感器可以实现被测量的数字输出 对于这种不同类型的电感传感器 只有电路元件的少数 参量需要被改进 所以这种数字类型的电感传感器有更高的实用性 关键词关键词 数字式电感传感器 转换电路 RS232 系列数字信号 激励信号 一 一 引言引言 由于电感传感器简单的结构 可靠性和高精度性 它常用于位移 压力的测量 电感传感器 通常采用交流电桥作为将传感器的电感转化成交流电压信号的转换电路 因此很难直接为使 用者进行数字处理 此外 这种电桥需要激励源 因此传感器的使用更为不便 此论文介绍 了一种带有数字接口的转换电路 这种电路可以将由电感传感器产生的电感信号转换成一种 RS232 系列的数字信号 这种电路里的单片机可以产生方波 在滤波和放大之后 它充当起 激励的作用 所以不再需要外界提供激励 这让它的应用更为简便 带有这种转换电路的电 感传感器可以实现被测量的数字化输出 对于这种不同类型的电感传感器 只有电路元件的 少数参量需要被改进 所以这种数字类型的电感传感器有更高的实用性 二 二 硬件设计硬件设计 A 数字式电感传感器的组成数字式电感传感器的组成 数字式电感传感器包括电感传感器和转换电路 如图 1 转换电路包括 C8051F002 单片 机 滤波放大电路 电压电平调节电路 直流 直流独立电源模块 P1 和一个 RS232 接口 图 1 中的数字式电感传感器 L1 和 L2 的工作原理在于电感传感器线圈的两个电感器 为 了减少温度误差 增加灵敏度并提高线性度 电感传感器通常用于差分方式 工作时 两个 线圈应该被提供激励电源 单片机 U1 采用的是 C8051F002 型 这种单片机包含 32K 的闪速存储器 12 位的四输入通 道的 A D 转换器 PCA0 高精度内置 2 4V 参考电压 内置振荡器和异步通信接口 单片机 内部的 A D 转换器用于测量差动电感传感器的 L1 L2 的交流电压信号 PCA0 的装配是用 来运转频率输出模式并通 P0 1 产生一个方波信号 这个方波信号在经过滤波和放大电路的 滤波与放大后 充当起电感传感器的激励源的作用 异步通信接口通 P0 2 和 P0 3 执行通信 3 滤波和放大电路包含由电阻和电容构成的滤波器和运算放大器构成的放大器 4 由单 片机产生的方波输出信号被光电耦合器 U4 隔离 并被送入滤波放大电路 在经过滤波和放 大之后 方波信号变成了正弦波信号 由于方波信号中的直流电压成分 R8 和 R5 的比值应 该被调整为可以使放大器输出信号为运行功率一半的直流电压成分 以保证放大器的直流工 作点恰好在运行功率的一半 放大器输出信号中的直流电压成分在通过电容器 C7 被滤波 输出的正弦波信号被送入差动电感传感器 并充当了两个线圈的激励 正弦波信号的振幅可 以通过选择 R9 的阻值而改变 5 所以 L1 或 L2 上所加的交流电压信号的最大幅值可以被设 定在 1 2V 以内 电压电平调节电路包含 1 2V 的参考电压发生器 D1 电阻 R1 和电容 C 1 L1 或 L2 两者之一的一端通过 CMOS 继电器 J1 连在电压电平调节电路上 以使 L1 或 L2 上 的交流电压信号增加至 1 2V 因此 L1 或 L2 上的两极信号就变成了单极信号 从而满足了 单片机 A D 转换器的要求 6 DC DC 孤立电源模块 P1 是用于对单片机提供 3 3V 电压 同 时使单片机的电源的地与激励信号的地相分离 单片机的 P0 2 和 P0 3 是异步通信接口的 TX 和 RX 且通信速率可以由内部寄存器设定 由于异步通信接口不能远距离传送数据 就需 要利用 RS232 电路将来自异步串行通信接口的数据转变为标准化的 RS232 系列通信形式 此处我们选用的 RS232 接口芯片是 MAX232 U2 它的最大传输距离可达 15 米 因此它可 以满足普通远程传输的要求 B 工工作作原理原理 当数字式电感传感器工作时 单片机的 P0 1 口持续发出方波信号 在经过滤波和放大 之后 信号变成了正弦波信号并被送入差动传感器的两个线圈 所以有线圈 L1 和 L2 上的 交流电压下降 U1 和 U2 当继电器 J1 将 L1 的一端连接到电压电平调节电路时 单片机会 测量电压 U1 当继电器 J1 将 L2 的一端连接到电压电平调节电路时 单片机会测量电压 U2 已知 U1 U2 L1 L2 在工作过程中 当被测量变化时 电感 L1 将随着 L2 的增加 减小 而 增加 减小 所以 L1 与 L2 的比值与被测量有一定的关联 这就说明了 U1 与 U2 的比值 与被测量也相关 因此被测量可通过单片机计算和推倒 U1 和 U2 的比值来获得 最终结果 将通过 RS232 接口送出 三 软件设计三 软件设计 软件的特殊功能如图 2 所示 第一步 初始化单片机 设置单片机系统的时钟 I O 口的功能 取样通道和 A D 转换 器的频率 PCA0 的输出方式的频率 通信方式以及异步串行通信接口的频率 第二步 通过 A D 转换器从传感器中取样 400Hz 的电压信号 U1 和 U2 为了保证样本 信号可以完全反映传感器的输出信号 应满足在一个周期内取足量的采样点 考虑到单片机 的采样速率和数据存储空间 采样点数应设在 50 个 在每个采样点数据获取的电压值减去 一个值为 1 2 v 的参考电压方能获得该点实际的电压值 U1 U2 的有效值可依据以下公式 获得 U 1 2 22 2 第三步 计算 U1 与 U2 的比值 使插入值经计算得到被测量 第四步 通过 MX232 发送出异步串行通信接口的测量值 进入下一个循环 四 实验验证四 实验验证 测量误差是传感器的一个重要技术参数 设计的数字型电感传感器的测量误差包括两部 分 一部分是来自电感传感器的自身误差 另一部分是来自转换电路的测量误差 为了验证 转换电路的测量误差 用两个高精度 0 01 电阻箱充当差动电感传感器的阻抗 XL1 和 XL2 一下是由某种燃料压力传感器产生的 XL1 和 XL2 的阻值 如表 1 所示 测量结果显示出在转 换电路所有检查点的测量误差的绝对值均小于 0 05 燃料压力传感器的允许误差的绝对值 是 0 5 转换电路的精度是燃料压力传感器的十倍高 所以转换电路的误差可被忽略而设 计的数字型电感传感器的测量误差取决于电感传感器的误差 五 总结五 总结 设计后