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角度 传感器 应用 文章

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书书书 2006 年 第 25 卷 第 6 期 传感器与微系统 （Transducer and Microsystem Technologies）=应用技术AS5040 在角度测量中的应用韩喜春，吴东艳，张 鹏（黑龙江工程学院 电子工程系， 黑龙江 哈尔滨 150050）摘 要：阐述了角度传感器芯片 AS5040 的工作原理、 使用方法、 硬件和软件设计， 介绍了在太阳能电池充电控制系统中的应用。该芯片具有模拟和数字接口， 可与磁钢、 微处理器组成一体化智能传感器。实验表明： AS5040 在该系统测量中的最大误差为 1. 8， 达到了设计要求， 可广泛地应用在非接触角度测量领域。关键词：霍尔传感器；角度测量；片上系统中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1000 -9787 （2006） 06 -0075 -03Application of AS5040 in angular measurementsHAN Xi-chun，WU Dong-yan，ZHANG Peng（Department of Electronic Engineering， Heilongjiang Institute of Technology， Harbin 150050， China）Abstract：Angular sensors chip AS5040 s working principles， using method， hardware and software design areexpounded， and the chip s application in solar battery charging control system is introduced. The chip has analogand digital interfaces. And it can compose smart sensors with microprocessor and magnet steel. Experiment showsthat the maxim deviation of the system is 1. 8. It can satisfy the request of design. And it can be widely used inangular measurement field.Key words： Hall sonsor；angular measurement；system on chip0 引 言在工业自动化、 航空、 航海、 军事、 建筑、 交通等领域都要进行角度测量， 测量角度的主要方法有： 机械测量方法、电磁测量方法、 光学测量方法、 光电测量方法等1。机械测量方法简单、 成本低， 但其设备体积庞大、 测量精度不够高、 实时性差， 属于接触测量。几何光学测量方法精度高，但实现起来复杂， 需要设计高精密的光路， 而且， 往往需人工干预才能测量。而采用霍尔效应原理， 利用集成电路制造技术的磁感应角度传感器 AS5040 具有精度高、 体积小、重量轻、 功耗低、 抗干扰能力强以及可维护性好等优点， 具有广泛的应用领域2 4。AS5040 是由 Austriamicrosystems 公司生产的一种非接触、 高分辨力编码、 在 0 360范围内进行角度测量的传感器芯片。它具有用户可编程增量输出模式， 可编程 10 位（bit） 分辨力。AS5040 允许旋转速度达 10 000 r/ min， 可用3. 3 V 或 5 V 供电， 工作温度范围为 - 40 125 。本文介绍了 AS5040 在太阳能电池充电控制系统中进行角度测量的应用， 取得了满意的结果。1 AS5040 结构与工作原理AS5040 是一个完整的片上系统解决方案， 它将霍尔元件、 模拟前端和数字信号处理器 （DSP） 、 接口电路集成在单个芯片中。它提供磁钢的增量信号和绝对角度位置， 磁钢收稿日期： 2006 -01 -24可以放在芯片的上面或下面。AS5040 可通过对芯片内的一次可编程 OTP 寄存器进行编程来满足特殊用户要求。AS5040 封装和引脚排列如图 1 所示， VDD3V3 是内部调节器输出的 3. 3 V 电源， MagINCn 和 MagDECn 是磁场变化指示器， 用于检测磁场的变化。通过同步串行接口 （SPI） 可以读出磁铁的增长的位置和零位置的数据。图 1 AS5040 封装引脚配置Fig 1 Pin configuration AS5040 AS5040 使用霍尔技术在芯片的表面感应磁场分布。集成的霍尔元件围绕在芯片的中心位置放置， 用电压表可测出芯片表面感应出的磁场强度。通过 A/ D 转换器和数字信号处理算法， AS5040 给出了高精度绝对角度信息。为达到这个目标， 芯片中的 DSP 计算角度和霍尔信号大小。读出绝对角度位置的 SPI 接口时序如图 2 所示。CSn 变为低电平， DO 将从高阻抗状态变为高电平， 在 CLK 的第一个下降沿将数据锁存进输出寄存器。 每个后续的CLK上升57 传 感 器 与 微 系 统 第 25 卷沿移出 1 位数据。CSn 的高脉冲用来完成后续测量。移位输出的数据共有 16 位， 前 10 位是角度信息， 后 6 位是系统信息， 用来判断数据是否正确， 其中， OCF 是失调补偿完成指示位， 高电平表示完成失调补偿算法。COF 是 DSP 溢出， 高电平指示误差超出了范围， D9 D0 数据无效。LIN（线性警报） 高电平指示磁场产生了一个临界的线性输出。MagINC 高电平， 表示磁铁推向芯片， 磁场强度增加。Mag-DEC 高电平， 表示磁铁离开芯片， 磁场强度减小。PAR 是偶校验位， 用于位 1 到位 13 的错误检测。将磁钢放在芯片上面， 缺省的顺时针方向， 角度增加。图 2 SPI 接口读出绝对角度位置时序Fig 2 Synchronous serial interface with absolute angular position data2 系统中角度测量的硬件和软件设计将 AS5040 应用于太阳能电池充电控制系统中的角度测 量，其 原 理 框 图 如 图 3 所 示，该 系 统 由 单 片 机SST89E564RD、 角度传感器芯片 AS5040、 显示驱动电路MAX7219、步 进 电 机 驱 动 电 路 和 步 进 电 机 组 成。SST89E564RD 与8051 具有完全相同的指令集， 内部集成的FLASH 程序存储器被分成两部分相对独立的程序存储块。该器件被设计成为可以在系统和在应用可编程。MAX7219是具有 SPI 接口且具有8 位共阴 LED 数码管动态扫描驱动电路的芯片。其峰值电流可达 40 mA， 最高串行扫描速率为 10 MHz， 典型扫描速率为 130 Hz， 仅使用单片机 3 个 I/ O口， 即可完成对 8 位 LED 数码管的显示控制和驱动。SST89E564RD 的 P0. 0， P0. 1， P0. 2 分别与 MAX7219 的DIN， LOAD， CLK 端相连。万年历实时时钟采用 DS1302， 采用 SPI 总线接口与单片机相连。图 3 角度测量显示功能框图Fig3 Block diagram of angular measurements and display 太阳能电池充电快慢与受光面积和光强度有关。将一年中每天本地区各个小时阳光最强时的方向角作为二维数组存入 EEPROM 存储器中。每个日期， 每个小时都对应一个太阳光最强的角度， 以正北方向为角度 0， 顺时针方向为正， 正南为 180。通过万年历实时时钟， 单片机每一小时驱动步进电机调整一次角度， 步进电机带动太阳能板转动的同时， AS5040 中感应的对应角度值读入单片机， 与此时步进电机设置的角度值比较， 如果给定的角度值与读回的角度值偏差在允许范围内， 则步进电机停止调整。系统的软件 流 程 如 图 4 所 示。系 统 运 行 时， 软 件 首 先 对MAX7219 初始化， 然后， 在角度控制中循环读出 AS5040 的绝对角度值， 并在 MAX7219 上显示出来5。图 4 步进电机控制和角度测量流程图Fig 4 Flow graph of stepper motor control andangle measurements3 实验结果用 AS5040 在太阳能电池充电控制系统中进行角度测67第 6 期 韩喜春等： AS5040 在角度测量中的应用 量， 测量数据如表 1 所示。从表中测量结果可以看出：AS5040 测量结果的最大误差为 1. 8， 控制角度误差不大于3， 完全可以满足该控制系统的要求。在调试系统时， 磁钢与芯片 AS5040 的中心要尽量对齐， 偏离中心范围不应大于 0. 25 mm， 否则， 测量结果的角度偏差会随偏离范围而增大， 磁钢与芯片 AS5040 的间隙距离在 1 2 mm 时， 测量的角度偏差较小。磁钢的直径选择在 4 5 mm 线性度最佳。表 1 角度测量结果Tab 1 Measured result of angle测试序号理论角度（）实测角度（）绝对误差（）100.40.424543.9-1.139090.70.74135133.6-1.45180181.11.16225226.81.87270271.41.48325324.3-0.79360360.40.44 结束语AS5040 是具有数字和模拟接口的片上系统可编程角度测量传感器。它在太阳能充电控制系统中进行角度测量满足了系统的要求。它体积小、 功耗低、 精度高、 抗干扰能力强， 相对其他类型角度测量传感器具有较明显优势。AS5040 也可广泛应用在其他非接触角度测量中， 是一种具有广泛应用前途的传感器。参考文献：1 贺安之， 阎大鹏. 现代传感器原理与应用 M . 北京： 宇航出版社， 2002. 94 -132.2 乐建华， 顾雪艳. 基于 AT89C2051 单片机的旋转变压器位置测量系统设计 J . 计算机测量与控制， 2002，（2） ： 141 -142.3 刘迎春， 叶湘滨. 传感器设计原理与应用 M . 长沙： 国防科技大学出版社， 1997. 106 -113.4 Burger F， Demierre M， Drapp A， et al. New fully integrated 3D sili-con Hall sensors for precise angular position measurementsA .Transducer 99 ， IEEE C . Sendai Japan ， 1999. 527 -531.5 马忠梅， 籍顺心. 单片机的 C 语言应用程序设计 M . 北京：北京航空航天大学出版社， 1999. 46 -53.作者简介：韩喜春 （1954 - ） ， 黑龙江哈尔滨人， 副教授， 主要研究方向为嵌入式系统设计及电子技术应用=。（上接第 68 页） 从传感器的冲击波能及气泡能测试波形曲线， 得到MCRI 5#， MCRI 6#的冲击波形上升前沿陡峭， 抗干扰能力强， 与美国 PCB 公司生产的 PCB138 -1 传感器测量结果的比较， 获得的冲击波波形基本一致。总之， 由测试结果可以证明： 整个测试系统的动态测试具有抗干扰能力强、 强度高、 测量压力范围宽。4 结束语通过对研制的 MCRI 型传感器进行静态、 动态压力的标定及水池试验， 与美国 PCB 公司同类产品进行比对的结果表明： 该水中爆炸压力传感器的设计方案正确， 上升前沿、 灵敏度、 精度等技术指标达到使用要求， 且使用方便、 节约成本， 适合于水中爆炸压力的测量。表 3 冲击波能量与气泡能测试结果Tab 3 Test results of shock and Bleb energy传感器型号冲击波能灵敏度（MPa/ V）峰值压力（mV）冲击波能（kJ） 气泡能峰值时间（ms）脉动周期（ms）气泡能（kJ）MCRI 5#0.098715.0981281 243. 480243. 482589MCRI 6#0.095116.7641415 243. 48243. 482589PCB138 -10.144616.2591297 243. 50243. 502727MCRI 5#0.098716.0951294 243. 56243. 562529CRI 6#0.095115.9021417 243. 00243. 002574PCB138 -10.144616.8701313 243. 00243. 002709参考文献：1 李科杰. 新编传感器技术手册 M . 北京： 国防工业出版社，2002. 1.2 肖 峰， 高德香， 方向君. 高压传感器动态校准的理论分析与实践 J . 测试技术学报， 1994， 8 （2） ： 69 -75.作者简介：殷俊兰 （1958 - ） 女， 河北故城人， 高级工程师， 主要从事电子测试技术研究工作。77配合同步运行。为满足工艺要求， 采用同步控制器和直流调速电源的控制方式， 如图 !。图 !烘房速度同步控制框图贴布电机的旋转编码器信号经频率转换器变换为电压信号， 进控制器模拟量模块， 经处理后输出两路电压信号： 一路作为给定信号进同步控制器， 另一路进同步控制器反馈信号一输入端。同步控制器输出两路信号， 一路控制直流调速电源以控制烘房车速， 一路反馈回贴布电机变频器， 使烘房速度始终跟随于贴布速度。#印花单元控制系统根据工艺及用户的需求， 每台平网印花机一般配有 #$ % #! 套左右的印花单元， 由它完成刮印的工艺动作。该型印花单元为刮刀式， 刮刀紧固在两侧的刮刀架上， 驱动系统动力为交流变频电机， 减速后驱动刮刀架运动。根据工艺要求， 刮刀的刮印速度可在 # % & 档之间调节， 往返刮印次数在 $ % & 次之间可调， 其中 $ 为浮刮状态， & 为连续刮印； 根据织物门幅宽度及花型大小， 刮印距离可在导带宽度方向任意调节， 以适合工艺要求。还有其它工艺动作及与主机的联系信号、 数据传输、 交换， 都在一台高性能小型 () 及触摸屏的控制下完成。$综述该机具有如下特点：（#） 采用伺服及交流变频传动， 可靠性高， 故障率低， 维修工作量小。（*） 技术先进， 印花精度高， 重复性好。（+） 工艺车速较以往机型相比有很大提高， 花回# , 时车速达到 *$ ,-,./， 能给用户带来更高的经济效益。关于角度传感器应用的若干问题李高峰#李玉翔*郑筱春#杨晓荣#（天津工业大学机电学院#天津大学精仪学院*）摘要在精密络筒机卷绕过程中， 角度传感器用来检测逐渐增加的纱线卷绕半径， 以便对驱动电机转速进行控制。本文着重论述了用于精密络筒机的角度传感器的选取、 安装和使用等问题， 这些分析方法及结论同样适用于其他传感器。关键词精密络筒机角度传感器线性化误差控制弹性安装传感器为系统提供进行处理和决策所必需的原始信息， 很大程度上影响和决定着系统的性能。对闭环控制系统而言， 信息反馈的准确性至关重要， 那么作为实现信息采集与转换的传感器应用恰当与否， 则是一个关键性的问题。%卷绕半径的检测系统络筒机的功能是将筒纱退绕后， 重新卷绕成大卷绕的筒纱， 以方便运输及后续工序的处理。精密络筒机所加工的产品要进行染色处理， 故特别要求筒子结构均匀， 筒装直径一致。在络筒过程中， 纱线图 %径角转换装置(& 转臂长0& 纱线筒子半径1 & 支撑辊半径2& 支撑辊支转臂中心距!& ( 和 2 之间的夹角$+ 纺织电气 万方数据筒子的直径会不断增大， 为保证纱线速度的恒定以满足其性能要求， 卷绕头的转速要相应地减小， 因此应对卷绕头驱动电机的转速进行控制。实现控制的依据来自于检测系统对卷绕半径 ! 值的测量。如图 ! 径角转换装置所示， 随着纱线一层一层地卷绕， 纱线筒子半径 ! 不断地增加 （实验机型 !最大值为 !# $， 筒子初始半径为 % $） ，!值也相应的变大， 由余弦定理知：&(!)*+ #*, （! + $）* #（!）为了将角度量!转化为电压量 %&， 在转臂回转中心 -!处安装角度传感器。如此便可构成卷绕半径 ! 的检测系统 （如图 * 所示） ， 该系统由径角转换装置、 角度传感器和 ./0 转换器组成。这是角度传感器在实际中的一种典型应用， 即角度传感器作为检测系统的一个组成单元， 必须与其他单元配合才能保证检测系统的精度要求。图 !卷绕半径 ! 的检测系统!角度传感器的分辨率和 #$ 转换器的位数精密络筒机的工艺要求纱线速度波动不大于#123， 即)#%!#2(（*）考虑到系统的测量误差， 取) #1*3。线速度$)!（2）式中纱线卷筒的角速度；!纱线卷筒的半径。当 ! 有一增量#!， 而角速度不变时， 对应#有一增量#， 则有#)#!（4）将 （2） 、（4） 两式代入 （*） 式， 整理得#! ) !$（）对 （!） 式两边取导数可得#!)! + $)# (56!#!（7）将 （） 式代入 （7） 式得#!)%$（%）式中%)! + $# (56!， 称为径角增量转换系数。由于%为 ! 的单调递增函数， 因此角度传感器的分辨率应由 !$56求得， 即#!$56)%$56$（8）式中%$56)!$56+ $# (56!$56，!为 ! ) !$56时!的值。对于实验装置， 已知 ) *%9* $， # ) *82!%$， $ ) 9 $， !$56) % $ 代入 （8） 式， 可得#!$56)*12*:， 这里取#!$56) *:， 则要求角度传感器的分辨率不大于该值。笔者选用的磁敏电阻型角度传感器（无触点电位器） 的分辨率为 #1#*;， 即 !1*:。经过角度传感器的测量和 ./0 转换器的转换，相应存在测量误差和量化误差， 因此 ./0 转换器的精度应与测量装置角度传感器的精度相匹配。设测量误差和量化误差互不相关， 他们的标准差分别为 * #2 时， 总误差减小不大。因此， 取 *,*+为 #2 ? # 较为合适。鉴于角度传感器的精度值不小于 #1!3 ? #13， 故 ./0 转换器的精度取 #1#3 ? #1!3即可， 相应的二进制码为 !# ? ! 位， 加上符号位， 即为 ! ? !* 位。笔者选用的是 !* 位的.0%4。另由 （!） 式， 根据卷绕半径的取值范围可以得到角度量!的变化范围 （!%!7!-， 2*827-） ， 即!最大变化值为 !7%-。角度传感器按照 *:的分辨率来!2 纺织电气 万方数据检测的话， 则 !# 转换器的位数应满足$%& !$()*+( , *-%（$）可得 。因此 $% 位的 !#(+. 满足需要。!卷绕半径检测系统的数字量化由图 % 知， 半径 ! 经过检测系统转换为数字电压量 /的过程中， 除径角转换装置外， 其它两转换器都具有很好的线性转换关系。如果 ! 和!之间能用一定的线性关系代替的话， 则整个检测系统就是线性的， 这将避免对大量数据的查表， 从而简化或便于系统控制的实现。! 和!理论线性化设 ! 和!线性关系式为!0 #$!1 $（$%）式中! 线性估计值；#$、 $ 待定系数。对于 % 个 ! 值 （!$、 !%!/） ， 由 （$） 式对应有 % 个!值 （!$、!%!%） ， 由最小二乘线性拟合法求出 #$、 $：#$0%!%& 0 $（!&!&） &!%& 0 $!&!%& 0 $!&%!%& 0 $!%& （!%& 0 $!&）%$0!%& 0 $!%&!%& 0 $!&!%& 0 $!&!%& 0 $（!&!&）%!%& 0 $!%& （!%& 0 $!&）%线性度误差为!02!& ! 2!, $-（$3）图 # 和!理论线性结果理论线性化处理结果如图 . 所示， 左面为 ! 和线性关系图， 右面为线性度误差分布图。可知最大线性度误差值!4560 %)%7+*8 , $-& 3， 在允许的-)39精度范围内。!$ 和#%的线性关系由于 ! 和!之间存在较好的线性关系， 则整个检测系统可视为线性系统， 于是有!0 #(1 $式中# 0%!%& 0 $（!&(&） &!%& 0 $!&!%& 0 $(&%!%& 0 $(&%& （!%& 0 $(&）%$ 0!%& 0 $(&%!%& 0 $!&!%& 0 $(&!%& 0 $（!&(&）%!%& 0 $(&%& （!%& 0 $(&）%:(&0%&%$% $-； !&、 %&为实验已得数据。线性度误差为02!& ! 2!, $-由图 . 可知， 对 ! 和!线性化时， 造成一定的线性度误差。另外角度传感器的线性关系是用正弦曲线的一段来代替直线所得到的， 因此也存在一定的线性度误差。两次线性化， 误差叠加的结果造成更大的累积误差。若 ! 和 (进行一次性线性化处理， 显然有利于降低整个检测系统的误差。#径角转换装置安装误差控制这里主要讨论尺寸 ) 安装误差的允许值。设 )存在安装误差#) （其值可正可负） ， 检测系统由此而产生的误差为系统误差， 显然该误差是可以控制的。保证系统误差在允许的范围内， 则可得到对应#)的取值区间。如果采取一定的误差校正方法， 可以有更大的取值区间。对 （$） 式取 ) 的偏导数， 有& ;!#!0)%1 （! 1 *）%& +%)%+$)即$0+%& )%& （! 1 *）%)%+ ;!$)（$.）取#!为$!的十分之一， 则是精度要求允许的， 那么可以得到此时$) 的最大值 2#) 24560 -)$.44， 即$)# & -)$.-)$. 。为了降低安装的困难， 增大$) 的允许值， 可采取中点误差校正法。不论安装时 ) 是否等于理论值， 都把纱线筒子中点半径处对应的传感器输出电压保持一个不变值， 其值等于 ) 为理论值时该点所对应的电压值。如此， 中点半径处的误差为零， 其余各点则相应减小一个$ !,（中点半径处的# 值） 。设校正后由$) 引起!的误差为$ !， 则# 0# &# =（$(）%3 纺织电气 万方数据此时取! !为#!的十分之一， 则有 !#! !#$%&( ， 即#! ) &(&( 。很明显， 校正后#! 的取值范围变大了， 也就意味着对安装精度的要求放宽。这与笔者由实验数据得到的结果是一致的。当然， 根据实际情况也可以对其它点处进行误差校正。!角度传感器的弹性安装安装方式对传感器的正确使用也是很重要的环节， 合理的安装方式可以提高测量精度和传感器的使用寿命。精密络筒机使用的传感器， 安装时其中心轴与转臂回转轴联结随之转动， 外壳固定。为避免刚性安装带来的诸多问题， 采用外壳弹性安装方式， 如图 * 所示。图 !角度传感器的弹性安装传感器的中心轴呈水平， 外壳伸出呈悬臂梁状放置。若固定外壳， 由于同轴度安装误差不可避免，则在传感器中心轴回转时会产生径向的作用力， 该传感器连续长时间的工作必然会降低其使用寿命，并产生一定的测量误差。使外壳处于浮动的状态，即可保持外壳与中心轴的相对稳定性， 不会产生径向的作用力。但是由于外壳部分呈悬臂梁， 其自重（尽管很小） 在垂直方向会对中心轴产生相应的作用力， 这是该方式不甚理想的地方， 在高速回转时， 也不大适合。笔者曾试用另一种方式， 可以克服以上缺陷， 只不过对一些零件的制造精度提出较高的要求， 这里不再赘述。结束语由于厂家对精密络筒机提出了很高的精度要求， 在零件加工、 制造、 装配等达到一定精度后， 整机精度就取决于自动控制系统的精度。这样不仅需要优化的控制方式， 同时要求控制元器件的精度与之匹配， 特别要精心选取角度传感器。经过一系列的理论分析与实验验证， 选用的角度传感器满足精度、使用寿命长， 且价格便宜， 该控制系统已成功地应用于生产实践。参考文献+杨欣荣， 凌玉华， 廉迎战现代测控技术与智能仪器湖南科学技术出版社， +,-(韦源， 于平./01#2 3#0/4 程序设计基础清华大学出版社， (&(5马明建， 周长城数据采集与处理技术西安交通大学出版社， +,展览会信息由江苏省纺织工业协会、 中国国际贸易促进委员会江苏省分会主办， 江苏省纺织机械器材工业协会、 江苏省纺织 （集团）总公司工程技术公司、 南京顺展展览有限公司承办的 江苏多国纺织、 丝绸及服装机械展览会 将于 (&6 年 - 月 + 7 6 日在江苏南京国际展览中心举行。该展览会每两年举办一届， 自 +,( 年首次举办以来已成功地举办了六届， 成为江苏省乃至全国具有较大影响的纺织机械展览会之一。江苏是中国最大的纺织生产基地， 年纤维加工总量约 +*& 万吨， 占全国加工总量的 +8， 是全球的 (9 8左右。(&( 年全省纺织行业实现销售总额 (6+(&* 亿元， 占全国同行业的 (6+- 8； 全省纺织品服装出口总额 ,6&- 亿美元， 占全国纺织品服装出口总量的 +*(5 8。近几年江苏纺织工业用于更新改造和发展的投资每年以 5& 8左右的速度增加。化纤聚酯每年增加 9& 万吨； 棉纺更新改造每年 +& 万纱绽； 无梭织机每年增加近 :& 台； 染纱改造每年 +& 万吨； 印染后整理改造每年 ( 亿米以上； 服装以翻番的速度增加。整个江苏省纺织工业更新改造， 对国内外先进设备的需求量极大， 孕育着巨大的市场潜力和商机。联系地址： 南京市中山东路 69( 号 9&6 室邮编： (+&(电话： &(* ) 966+(&*9、 96*&66(*传真： &(* ) 96*&66(*电子邮箱： ;?2/?4网址： AAA4?联 系 人： 曹建生支荷英王志杰55 纺织电气 万方数据关节臂式坐标测量机数据采集系统的研制郭丽峰! 张国雄! 郑志翔! 刘书贵! 刘文耀#!$ 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室， 天津， %&#$ 天津大学光电信息技术科学教育部重点实验室， 天津， %&#摘要： 研制了一种关节臂式坐标测量机多参数数据采集系统。在测量机的关节和臂身处分别设置由角度传感器、 温度传感器、 应变传感器以及单片机组成的智能传感器单元， 各传感器单元由 ()*+, 总线进行连接， 并通过 ()*+, -.)/ 接口与 01 机进行通信。单片机完成各个传感器数据的采集并将数据上传到01 机； 01 机程序由虚拟仪器开发平台 2345678 完成， 实现与单片机间的通信和数据处理， 并通过动态链接库将坐标数据传送到标准三坐标测量软件 09)19:。实验表明， 该测量系统能够很好地完成关节臂式坐标测量机的数据采集任务。关键词： 坐标测量机； 关节臂； 传感器； 单片机； ()*+,； .)/； 虚拟仪器中图分类号： ;&,!#$%&() %* )+ !,), -./0121)1%( 342) *%5 -5)1.0$,)6 -5 788?A 2BCDEF! GH3EF ?AIBAEF! GHDEF GHBIB3EF! 2B )HFB! 2B 8DEJ3A#!$ )K3KD LDJ 234AM3KAMJ AC 0MDNBOBAE :D3OMBEF ;DNHEAPAFJ 3EQ 6EOKMRDEKO，;B3ESBE .EBTDMOBKJ，;B3ESBE， %&#$ LDJ 234AM3KAMJ AC 9UKA -7PDNKMAEBNO 6ECAMR3KBAE )NBDEND 3EQ ;DNHEAPAFJ，:BEBOKMJ AC 7QN3KBAE，;B3ESBE .EBTDMOBKJ，;B3ESBE， %&#-92)5,.)：V RPKB -U3M3RDKDM Q3K3 3NWBOBKBAE OJOKDR CAM 3MKBNP3KDQ 3MR 1: X3O QDTDPAUDQ$ ;HD BEKDPPBYFDEK ODEOAM EBKO， XHBNH NAEOBOKDQ AC 3EFPD ODEOAMO， KDRUDM3KMD ODEOAMO， OKM3BE KM3EOQNDMO 3EQ RBNMANAEKMAPPDM，XDMD ODK BE D3NH SABEK 3EQ 3MR$ ;HDOD EBKO XDMD NAEEDNKDQ KHMAFH ()*+, ODMB3P 4O 3EQ NARREBN3KDQ XBKH 014J OBEF 3 ()*+, - .)/ NAETDMKDM$ ;HD RBNMANAEKMAPPDMO XDMD ODQ KA O3RUPD KHD ODEOAMOQ3K3 3EQ KM3EORBKKHDR KA 01$ ;HD 01 UMAFM3R QDTDPAUDQ 4J 2345678，3 UAXDMCP QDTDPAURDEK DETBMAERDEK CAM TBMK3P BEOKMYRDEK， X3O ODQ KA CBEBOH KHD XAMZ AC NARREBN3KBAE XBKH RBNMANAEKMAPPDMO 3EQ Q3K3 UMANDOOBEF$ :AMDATDM，KHD22 X3O ODQ KA KM3EOCDM KHD NAAMQBE3KD U3M3RDKDMO KA OK3EQ3MQ 1: RD3OMBEF OACKX3MD 09)19:$ ;HD DIUDMBYRDEKO OHAX KH3K KHD Q3K3 3NWBOBKBAE OJOKDR XAMZO XDPP$:4 ;%562：NAAMQBE3KD RD3OMBEF R3NHBED（1:） ；3MKBNP3KDQ 3MR；ODEOAM；RBNMANAEKMAPPDM；()*+,；.)/；TBMK3P BEOKMRDEK收稿日期： #&* 修回日期： #&%&基金项目： 国家自然科学基金资助项目 （,&*,!）& 引言关节臂式坐标测量机是一种新型的非正交式坐标测量机!， #。它以角度基准取代长度基准， 将若干杆件和一个测头通过旋转关节串联连接， 一端固定， 另一端 （测头） 在空间自由运动， 构成一个球形测量空间。与正交式坐标测量机相比， 关节臂式坐标测量机具有结构简单、 体积小、 量程大、 便于现场使用等优点， 它主要应用于 1V 1V: 中三维模型表面数字化和现场大型零部件尺寸检测等领域，具有宽广的应用前景。目前， 我国还没有生产这种测量机， 国外生产的测量机也存在精度低的问题，测量精度普遍在几十微米范围%， *。因此， 深入进行关节臂式坐标测量机关键技术的研究， 提高测量精度， 已成为该领域的一个研究热点。本文将集成化智能传感技术、 现场总线技术和虚拟仪器技术应用于关节臂式坐标测量机数据采集系统的设计中， 研制了基于 01 和单片机的多参数数据采集系统。! 总体设计$#+关节臂式坐标测量机数据采集系统的研制 郭丽峰 张国雄 郑志翔等图! 关节臂式坐标测量机内部电子器件的发热都可能会引起臂或关节部位的热变形。若温度变化 ! 时臂长相对变化为!#$%， 即!& 长的臂变化 !#!&， 由此引起的测量误差将是十分可观的。因此， 除在关节臂坐标测量机的结构中选用膨胀系数小和导热好的材料以及采取必要的热隔离措施外， 更重要的是对温度引起的变形误差给予修正， (。这就需要了解在测量过程中测量机整体和局部的温度变化情况， 进行多点温度测量。关节臂式坐标测量机的臂身通常采用较长而直径较小的圆管， 在自重以及操作力作用下很容易产生弯曲变形。臂的两端产生!#)以上的截面转角是十分常见的， 这是限制关节臂式坐标测量机精度的一个重要因素。除在结构设计中采用密度与弹性模量之比小的材料、 采用薄壁管结构以减小弯曲变形外， 还必须采取误差补偿的措施*， +。测量机各个臂的弯曲变形不仅与臂的结构参数有关， 还与臂的伸展情况有关， 薄壁管的壁厚误差对臂的弯曲变形有显著影响， 很难用理论计算的方法精确确定臂的弯曲变形量。这就需要通过实验的方法， 在各个臂上贴若干个应变片实测变形量， 进行误差补偿。此外， 通过轴向伸缩应变的测量， 还可对理论温度变形补偿模型进行修正。综上所述， 数据采集系统的测量参数包括各个旋转关节的角度、 测量机各部位的温度以及应变等三类参数。!,# 系统组成关节臂式坐标测量机数据采集系统是一个多参数、 多传感器数据采集系统。根据测量的需要，所有传感器要安装到测量机结构内部。如将所有传感器的信号线都直接引到测量机身外部， 接线数量将是非常庞大、 难以实现的。为解决数据采集信息量大和测量机内部走线数量受限制的矛盾， 设计中采用了集成化、 智能化传感器技术和现场总线技术相结合的方案。在各关节和臂身处设置智能数据采集单元， 各单元由单片机、 角度传感器、 温度传感器、 应变传感器等组成。每个单元可以独立完成多传感器数据采集任务。所有的数据采集单元通过 -./*% 总线进行连接。考虑到最终面向操作者的三坐标测量软件需在 01 机配置下运行， 选用笔记本电脑作为数据采集和坐标测量的主机。数据采集单元与笔记本电脑之间通过安装在测量机基座内部的 -./*% $2.3 转接接口实现通信。这样，测量机主体与笔记本电脑间通过一根 2.3 数据线即可方便地实现连接。数据采集系统结构如图 4所示。图# 数据采集系统原理框图45 硬件设计硬件设计主要指基于单片机的智能传感单元设计， 包括角度、 温度和应变的测量单元， 以及数据通信接口的设计。#,! 角度测量高精度角度测量的实现是保证关节臂测量机测量精度的关键。设计中选用高精度圆光栅完成对各个关节转角的测量。光栅旋转精度为 4)， 最高分辨率为#6 4)。为进一步减小光栅刻划误差 （主要指长周期误差） 对测量的影响， 以及消除安装过程中的偏心误差， 设计中采用了对径读数方案!#。以整个圆周来考察， 刻划的长周期误差是以 4 为周期的函数， 可用傅里叶级数来描述， 即! （!）,7# !$#89: （#! % !#）（!）式中， $#为 # 次谐波的系数； !#为 # 次谐波的初相角。采用对径读数法的读数误差为& （!）! （!）% ! （! % ）4,7# !$4#89: （4#! % !4#） （4）从式 （4）可见， 采用对径读数法消除了长周期误差中的奇次谐波分量， 而奇次谐波分量往往是长周期误差中的主要成分。 另外， 由于安装偏心可看作是! （!） 的一次谐波分量， 在对径读数中可完全消除。圆光栅的输出信号经放大、 整形后变成两路相位差为+#;的正交方波信号$、 和一路零位脉冲信号 &。 选用 .= 公司的 *中国机械工程第 !* 卷第 ( 期 4#( 年 / 月上半月器， 内置数字滤波功能， 可消除抖动产生的误计数；具有! 位三态数据总线接口， 可方便地与单片机进行连接。单片机选用 #$%& 公司的具有高集成度的 (!)*+, 系列高速 -( 单片机。由单片机和./011 芯片构成的角度测量系统如图2 所示。图! 角度测量原理框图#3# 温度测量为能够实时监测测量机各部位温度变化， 对热变性进行补偿， 在图 + 所示测量机的臂 +、 臂 0， 关节+ 4关节1 等部位安置了温度传感器。设计中选用 56.6 公司的增强型 + 7 8#9:数字化集成温度传感器 5+!;0)+。该传感器的温度测量范围为 7* 4+0*， 在 7+) 4!*范围内的测量精度为)= * 4+0 位数字读出方式， 其温度分辨率可达)= )10*。由于该传感器为+ 78#9: 结构， 单片机通过一根 ? - 线便可实现对多个温度传感器的数据采集， 因此显著减少了多点温度测量的走线数量。为了提高数据采集和通信效率， 5+!;0) 采用外部供电方式。与寄生供电方式相比， 该供电方式可以同时启动 + 78#9: 总线上所有温度传感器， 并且在某一传感器进行内部温度转换时， 不影响主机与总线上其他传感器间的通信。由单片机和 + 7 8#9: 温度传感器5+!;0) 构成的温度测量系统如图A 所示。图$ 温度测量原理图#3! 应变测量影响关节臂测量机测量精度的应变主要是指测量臂的弯曲和轴向伸缩。由于对两种变形误差进行补偿的数学模型是不同的， 所以在测量时需要分别测出这两种变形参数。为全面考察臂身的应变情况， 在测量臂臂身中部对径两侧对称地粘贴多片应变片， 如图 *% 所示+0。对于弯曲应变的测量， 采用图*& 所示的桥式电路， 对径设置的应变片!+（!0）和 !2（!A）位于电桥相邻两臂， 既可提高电桥的灵敏度， 也可起温度补偿作用。 对于测量臂轴向伸缩应变的测量， 采用图*B 所示的桥式电路， !+与 !2串联， !0与 !A串联， 置于相对臂， 以减小弯矩的影响。 横向应变片 !* !作温度补偿用。（%） 应变片安装布局（&） 弯曲应变测量电桥（B） 伸缩应变测量电桥图% 应变测量原理考虑到关节臂测量机的应变测量属微小应变测量， 设计中选用具有高灵敏度系数的半导体式应变片对应变进行测量。与常用的金属箔式应变片相比， 半导体应变片具有灵敏系数大、 机械滞后小、阻值范围宽、 横向效应小等特点， 非常适合于微小应变的测量。应变片主要技术参数如下： 阻值为+0)!， 灵敏系数为+0)， 极限应变为 )= )1。图 * 所示的桥式电路的输出电压通常在毫伏级， 需要进一步放大、 滤波后输入单片机。(!)*+, 单片机内置多路程控增益的 65 转换模块， 分辨率可达 +1 位。因此放大滤波后的电压信号可直接送入 (!)*+, 单片机进行数字化处理。应变测量的数据采集系统如图1 所示。图& 应变数据采集系统框图#3$ 通信接口设计为解决数据采集信息量大和测量机内部走线数量受限制的矛盾， 采用基于 C; 和 DA!* 总线相结合方式， 实现各传感器单元与主机笔记本的通信。各传感器单元中的单片机处于从机地位， 以DA!* 总线进行连接。为提高网络通信效率采用四线全双工通信方式。由于位于主机地位的笔记本电脑 DA!* 通信接口， 我们设计了 DA!* 7 C;接口电路， 很方便地实现了总线信号转换。(!)*+, 单片机带增强型 C6DE 接口， 只需另加 C6DE 7DA!* 接口芯片即可构成 DA!* 接口，设计中选用 F%G#H 公司的 F6I2)/AJ 芯片， 低电压 （2= 2K） 供电， 具有 L+*MK 静电放电保护功能， 在*)M; 的通信速率下可保证无错误数据传输。为实现 DA!* 总线与 C; 总线的连接， 选用 #$%&公司的 C; 7 C6DE 桥接芯片 (N0+)2， 它内置晶振， 无需任何外部器件即可实现 C; 7 C6DE 的转接功能， 其内置的电压转换模块可向外部芯片提供电压为 23 2K、 电流为 +)H6 的供电电源， 可向+2!关节臂式坐标测量机数据采集系统的研制 郭丽峰O 张国雄O 郑志翔等!#$%&( 供电。)*+ ,-*./ 转换电路原理如图& 所示。图! #$% &$()* 接口电路$0 软件设计软件设计主要有三部分， 即数据采集程序、 通信程序和数据处理程序。数据采集程序运行于各单片机中， 完成各传感器 （角度、 温度、 应变） 数据的采集。设计中采用 1语言和汇编语言混合编程， 以提高程序开发和执行的效率。通信程序负责笔记本电脑与各数据采集单元间的通信， 将主机命令传送到各传感器单元， 将采集到的数据上传主机。为提高通信的效率和可靠性， 数据传输采用 !23+45 -6) 通信协议， 信息帧的格式是： 地址码、 功能码、 数据区和 1-1 ,78 校验码。数据处理程序运行于笔记本电脑中， 主要任务有两部分： 一是将各传感器单元的数据进一步加工， 根据关节臂坐标测量机的误差补偿模型计算出实际测量坐标值； 二是通过 9: 动态链接库， 实现与标准三坐标测量软件 ;*1?(A 进行开发。软件系统的组成如图. 所示。图) 软件系统框图0 调试实验调试实验包括硬件和软件两部分。硬件部分主要是传感器的安装、 调整， 测量电路的调试等工作。软件部分包括数据采集程序调试、 通信程序调试， 以及数据处理程序和 9: 接口程序调试等工作。为方便调试， 在主机中用 :=?(A 编制了虚拟仪器面板， 可以方便地控制和观测各个传感器单元的运行情况。实验表明， 数据采集系统工作正常， 可以完成各个传感器的数据采集、 传输和处理，上位机程序经 9: 接口实现了和三坐标测量机软件 ;*1! 的通信。调试程序界面如图B 所示。图+ 调试程序界面/0 结论（7） 应用多传感测量技术实现了关节臂式坐标测量机关节转角、 温度、 应变等多项参数的测量。（C） 将智能传感技术、 现场总线技术和虚拟仪器技术应用于关节臂式坐标测量机数据采集系统中， 实现了数据采集系统的集成化和自动化。（$） 数据采集系统的成功研制为关节臂式坐标测量机其他关键技术， 如高精度误差补偿技术和标定技术的进一步深入研究提供了可靠、 有效的平台。参考文献：7 0 张国雄D 三坐标测量机 ! D 天津： 天津大学出版社，7BBBDC 0 叶东D 多关节坐标测量机的理论和技术 9 D 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 7BBBD$ 0E=F2 6GHIJ2K2LMG5 JHD E=F2FN +F2HI4FG (+O F2HI4FGE=F2FNDQ3SD 0-2NGF 12NQ=JVD *MLN= *GFMG5 ;2FP=KG 1!5 (+O2PMH5：!GHI=JMH5 =J312JPF2K ! D (JLKGR223：;FGJPMHG Y=KK， C%/D8 0 费业泰， 罗哉D 精密技术中热变形误差影响的基本问题 X D 纳米技术与精密工程， C%$， 7 （7） ： &B! .D& 0 林述温， 吴昭同， 严拱标D 基于热变形反馈信息的三坐标测量机误差建模与补偿 X D 机械工程学报，C%7， $& （7C） ： &%! &.D. 0 ZI=JL #， ?G=KG -， 1I=FKP2J 6， GP =KD (FF2F 12NQGJ5=PM2J 2S 122F3MJ=PG !G=54FMJL !=HIMJG5 X D JJ=K5 2SPIG 1-;， 7B./， $ （7） ： /! .DC$.中国机械工程第 7. 卷第 & 期 C%& 年 月上半月#! #$%&%( #，)*$+, - ./ -010&%(2 3% 40$56%010+&5$+7 8190+5$&(+ : 4$2*(+05 ; / ?， A!B， CC （D） ： B! EF!/AF 王因明/ 光学计量仪器设计 4 / 北京： 机械工业出版社， A!G!/AA 沙占友， 葛家怡， 孟志永， 等/ 集成化智能传感器原理与应用 4