加速度计校正系统的研制

本科毕业设计（论文）毕业设计说明书1g 加速度计校正系统的研制作 者 :学 号：学 院 (系 ):专 业 :指导教师： 评 阅 人： 本科毕业设计（论文）毕业设计任务书学 院 （ 系 ） ： 专 业 ： 学 生 姓 名 ： 学 号：设 计 (论 文 )题 目 ： 正负 1g 加速度计校正系统研制 起 迄 日 期 : 设 计 (论 文 )地 点 : 指 导 教 师 : 专 业 负 责 人 : 发任务书日期: 20 年 3 月 1 日本科毕业设计（论文）毕 业 设 计 任 务 书1毕业设计（论文）课题的任务和要求：1、学习相关加速度原理知识；2、自校准系统方案确定及样机研制3、查询 10 篇以上文献，其中至少 1-2 篇外文资料；2毕业设计课题的具体工作内容（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：1、学习相关加速度原理知识；2、自校准系统方案确定及样机研制3、完成论文撰写；4、外文资料翻译。本科毕业设计（论文）毕 业 设 计 任 务 书3对毕业设计课题成果的要求（包括毕业设计、图纸、实物样品等)：1、毕业论文一份；2、英文文献一份，相应的中文译文一份。4毕业设计（论文）课题工作进度计划：起 迄 日 期 工 作 内 容2005 年1 月 15 日 3 月 31 日4 月 1 日 5 月 31 日6 月 1 日 6 月 20 日6 月 21 日 6 月 25 日系统学习，查阅资料，作开题报告自校准系统方案确定及样机研制撰写毕业论文论文答辩所在专业审查意见：负责人： 年 月 日学院（系）意见：院（系）领导： 年 月 日本科毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计 评 语院(系 ): 电 子 工 程 系 学生姓名： 号： 题目： 1g 加 速 度 计 校 正 系 统 的 研 制 指导教师评语： 该同学在毕业设计期间，认真系统的学习了与设计题目相关的基本知识， 态度认 真，踏 实肯干，能够独立查阅所学要的文献，基本能够独立开展科学研究，对1g 加速度计校正系统的研制 进行了理论设计和分析，在一定程度上反映了该生具有比较扎实的专业理论基础，基本完成毕业设计任务书所要求的内容。具有一定的创新性。论文撰写格式规范，符合我校教务处下发的论文撰写格式要求。条理清楚，圆满 完成了毕业设计。建议成绩为良。同意参加毕业答辩。指导教师(签字) ：20 年 6 月 16 日本科毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计 评 语院(系 ): 电 子 工 程 学生姓名： 学号： 题目： 1g 加 速 度 计 校 正 系 统 的 研 制 评阅人评语：评阅人(签字) ：职称(或学历):年 月 日本科毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计 评 语院(系 ): 学生姓名： 学号： 题目： 1g 加 速 度 计 校 正 系 统 的 研 制 综合成绩： 答辩委员会评语：答辩委员会负责人(签字)： 年 月 日本科毕业设计（论文）1g 加速度计校正系统的研制摘要：本文从理论上介绍了1g 加速度计自校正系统的研制工作。主要研究了水银电容加速度传感器的原理及制造工艺，介绍了校正系统的工作原理及实现过程，设计了传感器的承载装置和信号调理电路。在导师的悉心指导和查阅了大量的资料的基础下，初步设计完成了1g 加速度计的自校正系统的研制工作。关键词：加速度传感器，G 代码，信号调理，变换电路。本科毕业设计（论文）The Research Work for the Self-correct System of 1 g AccelerationAbstract：This text introduces us the research work for the self-correct system of 1 g acceleration, studies the principle and manufacturing craft of the acceleration sensor made by mercury, introduces the work principle and realizable process of the correct system and develops the loading equipment for the sensor and the signal conditioning circuit. Under the teachers concentrated directing and the great effect of my own, I have completed the research work for the self-correct system of 1 g acceleration.Key word: Acceleration Sensor, G Code, Signal Conditioning, Converting Circuit.本科毕业设计（论文）目 录1 引言 .1 2 水银电容加速度传感器 .22.1 水银电容加速度传感器 .22.1.1 传感器的基本结构 .22.1.2 传感器的工作原理 .32.2 传感器的制作工艺 .32.2.1 材料的要求 .42.2.2 铝的氧化腐蚀 .43 校正系统 .83.1 校正系统的工作原理 .83.2 校正系统的实现 .93.2.1 减速器 .93.2.2 JHM-1GY-300B 型激光焊接机 .124 传感器的承载装置 .164.1 基本结构说明 .164.2 传感器承载装置的结构简图 .165 传感器信号处理及显示电路 .185.1 概述 .185.2 单元电路分析 .185.2.1 激励信号发生电路 .185.2.2 电容变换电路 .215.2.3 调制电路 .235.2.4 放大电路 .24本科毕业设计（论文）5.2.5 RC 带通滤波电路 .265.2.6 检波电路 .275.3 整体电路图 .296 结论 .30附录（A） .31附录（B） .32致谢 .33参考文献 .34本科毕业设计（论文）1 引言21 世纪是人类全面进入信息电子化的时代，随着人类探知领域和空间的拓展使得人们需要获得的电子信息的种类日益增加，要求信息传递的速度加快和信息处理能力增强，因而传感器的应用范围越来越广泛和普遍，使用的数量也越来越多。目前，传感器技术几乎应用于国民经济的各部门，例如：国防、化工、轻工、医药、食品、纺织、煤炭等各个领域。传感器已成为国民经济各个部门广泛应用的一种通用设备。新型的传感器将向智能化、微型化、低功耗、无线、便携式的方向发展。传统的电容式加速度传感器是由两个可动电极和一个固定电极构成差动电容式的，并且电极一般为固体金属导体，可动电极常用作感受加速度的振动质量块。当加速度变化时，可动电极在固定电极之间振动，引起电容间隙的变化，从而引起电容值的变化。本论文中所介绍的水银电容式传感器完全突破了传统的限制，利用可导电的液态水银作为可动电极，将它密封在一个立方体的金属容器内，经过特殊的加工和处理将容器作为固定电极，制作而成的新型的传感器。传感器安装在被测试件上，当试件以不同的加速度运动时，传感器中的水银与容器内壁的接触面积会不同，从而使得电容值不同。这种传感器体积小、原理和结构都很简单、制造工艺也不复杂、性价比较高，因此将得到广泛的应用。论文中所介绍的1g 加速度计的校正系统是根据传感器的原理研制的，将传感器安装在此校正系统中，当系统转过一定的角度时，传感器也转过相应的角度，此时校正系统有一个对应的加速度的值（理论值） ，传感器也会显示一个加速度值（测量值） ，两个值相比较达到标定传感器的目的。但是传感器输出的测量信号很微弱只有几个皮法，因此本论文中还设计了一个传感器的信号处理电路，首先将传感器输出的电容信号转换成电压信号，以方便后即电路处理，然后将此微弱的信号放大，并经过调制、解调和滤波等处理，将最后的输出信号通过数字电压表显示。本论文主要由传感器简介、校正系统、传感器的承载装置和传感器信号调理电路四部分组成。本科毕业设计（论文）2 水银电容加速度传感器2.1 水银电容加速度传感器水银电容加速度传感器是一种利用微滴水银作为对加速度敏感的弹性动电极与作为静电极的传感器外壳的上下两个表面构成差动电容的微加速度传感器。它的独特之处是用液体弹性电极水银代替通常使用的固体弹性电极，实现抗高过载的能力，在冲击环境下的惯性测量中起到不可替代的作用。2.1.1 传感器的基本结构 在一个的正方体容器内，密封一个水银液滴，容器是性能良好的导体，其上下表面的内部有一层高能绝缘介质，使得容器的上下表面与周围四壁是绝缘的。容器内部抽成真空，内盛有一水银液滴。水银液滴大小适当，其与容器的上下表面和周围四壁都接触，水银液滴与容器的上下表面间有一层绝缘介质，这样水银液滴、容器的上下表面和绝缘介质就构成了一个差动电容器。当传感器水平静止时，电容器的电容为：（式dSCr1011.1）（式r2021.2）其中 s 1 = s2 ， C 1= C2 。公式中，C 1为水银液滴与容器左表面 1 之间的电容量，C2为水银液滴与容器右表面 2 之间的电容量，为真空的介电常数，0为绝缘介质的介电常数，r为水银液滴与表面 1 的接触面积，1S为水银液滴与表面 2 的接触面积，2d 为绝缘介质的厚度。本科毕业设计（论文）水银电容传感器的基本结构如图 2.1 所示：S1 S21 2C1 C2图 2.1 传感器的基本结构2.1.2 传感器的工作原理本研究的目的是探索一种新型的微加速度传感器。该原理是利用水银本身表面张力大、常温下呈液态、是导体等特点，构成了对加速度敏感的水银电容传感器。如图 2.1 所示，水银液滴与容器的左侧和右侧表面构成一个差动电容，假设电容值分别为 和 2C 。当此传感器在 XY 平面内旋转时，水银液滴与容器前后两个表面的1接触面积不变，而与左侧的表面 1 的接触面积 1S和右侧的表面 2 的接触面积 2S要发生变化，即当 变大时， 必定变小。 和 的变化是引起电容 和 变化的主要因1S221C2素。假设方向向下是加速度的正向，当传感器水平静止时， ，此时 ；当0a21传感器沿顺时针方向旋转 时， ；当传感器沿逆时针方向旋转 时， singa, 此时 。singa21C2.2 传感器的制作工艺由于此传感器是利用水银液滴与容器表面构成的电容为基础的，在水银液滴与容器表面有一层绝缘介质，因此在这里采用金属铝作为传感器的外壳。利用铝板表面的本科毕业设计（论文）氧化膜，既可以作为绝缘材料使容器的左右两个表面与其它各面绝缘，又可以作为电介质以提高传感器的电容值。2.2.1 材料的要求铝是富于延展性的金属，这主要是因为它具有面心立方的晶格结构。当铝生产及制作时，含有杂质会引起晶格歪曲，影响电容的电极性。同时铝也是一种活泼性较强的金属，它的标准电极电位为-1.67 伏特，若和电极电位偏正的金属（如铜和铁）接触或在铝中含有这些杂质，就会组成原电池和微电池，致使铝被腐蚀。由于我们只是要使铝板的一个表面被氧化作为绝缘介质，其他地方要保持铝的良好特性，因此要求铝的纯度要较高，应在 99.95%99.99%之间。2.2.2 铝的氧化腐蚀众所周知，电容器的电容与接触面积成正比，与介电常数成正比，与极板间的距离成反比。公式表示为：（式dSCr01.3）式中： 为真空的介电常数，0为绝缘介质的介电常数，rs 为水银液滴与容器表面的接触面积，d 为绝缘介质的厚度。由式（1.3）可以看出，增大极板与水银液滴的接触面积可以提高电容量，但因为传感器的几何尺寸是不变的，所以为了增加极板与水银液滴的接触面积，可以增加极板表面的凸凹度，从而达到增加极板有效面积的作用。这种水银电容加速度传感器极板上的电介质是生长在铝板上的氧化膜，阴极又是具有流动性的水银，因此这种扩大极板面积的方法可以使传感器电容的变化大大提高。1. 腐蚀过程：第一步，经电化副食腐蚀将铝板腐蚀成凸凹不平的表面。这是一种将电能转化成化学能的过程。在腐蚀过程中，铝极板为正极，即电解池中的阳极；槽壁为负极，即本科毕业设计（论文）电解池中的阴极。由于两个电极上外加电压引起了电极上的化学变化，在阳极（铝板）上产生氧化反应，即铝原子失去电子成为铝离子进入溶液，与跑想阳极的溶液中的负离子反应，致使铝被氧化腐蚀，而在阴极（槽壁）上发生还原反应，例如氢离子在阴极上得到电子变成氢气逸出。如果腐蚀电解液采用食盐（ ）则电解液中的离子反应为：ClNa+alOH2阴极上电极反应：因为 的电极电位为零， 的电极电位为-2.71 伏特，电极aN电位越正，则优先移向阴极，所以在阴极上进行还原反应：22e阳极上的电极反应：因为 的电极电位为+1.36 伏特， 的电极电位为+0.04Cl OH伏特，按照越负，则优先移向阳极的原则，应该是 到阳极上进行氧化反应，但实际上由于 和 反应更加剧烈，生成可溶性的 ，所以阳极上的电极反应是：3All 3AlC3Ale33Cl在溶液中还会发生化学反应： 3OHAll是白色胶状沉淀物。3A由于以上反应的进行，铝原子不断变成铝离子进入溶液中，使得铝板被腐蚀成凸凹不平的表面状态，达到扩大铝板有效面积的目的。第二步，利用赋能工艺将凸凹不平的铝板表面氧化。所谓赋能工艺就是使铝板表面上生长一层介质氧化膜的工序。铝板赋能时是采用弱酸溶液作为电解液。例如硼酸溶液。铝本身为阳极，电解槽为阴极，施加一定电压后，在阳极铝上就可以形成一定厚度的氧化膜。电极反应如下：在阴极上： 22He本科毕业设计（论文）在阳极上： OHeO22 323OAl部分的： 由以上反应看出，主要是水电离出的氢离子和氢氧根离子参加电极反应，而电解液中的其它离子不参与电极反应。但应指出，不参加电极反应的成分在形成氧化膜的过程中并不是不起作用，而是有着重要的意义。以上电极反应可用肉眼观察到，在阴极上有氢气逸出，在阳极上有少量的氧气逸出，阳极上的氧化膜则是新生态的氧使铝氧化的结果。2. 赋能电解液与氧化铝膜的关系尽管在赋能中的电极反应相同，但由于电解液类型不同，会引起氧化膜结构不同。 在不溶解铝及铝的氧化物的电解液中，生成致密的氧化膜。在高温或略高于室温时进行赋能，得到的氧化膜是无定形结构，与天然氧化膜相似。将它在 100左右进行热处理，可使它转变为 。在 95左右进行赋能，32OAl可直接得到 结构的氧化膜。不溶解铝及铝氧化膜的电解液目前通用的是硼酸32OAl和硼砂水溶液，另外还有柠檬酸、酒室酸、水杨酸、已二酸等水溶液。说明： 属于斜方晶系（正交结构） ，这种结构最紧密，在极高温度下才能32l生成。 与 结构相似，是一种尖晶石结构的立方晶系，结构较A32l型松，密度较小，在高温下可转变为 型。32Ol 在既能溶解又能生成氧化膜的溶液中，生成多孔疏松的氧化膜。这种电解液一般为强酸溶液，例如草酸、硫酸、磷酸等溶液。在这种电解液中赋能，实质上是形成和溶解氧化膜两个过程。以硫酸溶液为例：铝的氧化过程： 323OAl的溶解过程： 32OAl HSHl 23442 这种多孔性氧化膜的生成过程：在既溶解又生成氧化膜的电解液中赋能时，由于一些能溶解氧化膜的离子，如 、 等侵入到膜中，致使天然氧化膜受到局部24S4本科毕业设计（论文）性（点状）的破坏，这些破坏就优先成为电流的通路，铝极板的氧化膜的生长就先从这些地方开始，生成的氧化膜就像在地上挖坑时的残余土堆一样，在空洞的周围生长成圆锥形。虽然氧化膜在这些地方比较厚，但电流仍然集中在这些地方，阳极氧化膜从这些地方逐渐向外生长， ，从而使整个表面生成多孔结构的氧化膜。这种多孔膜有较多和较大的孔，孔中贯通电解液，所以不能做电介质。将这种多孔膜进行沸水处理后，可转化为 水合膜。这种水合膜的体积要比多孔膜的OHAl23体积大，因此可使原来的孔被填封，被称为封孔膜。再将封孔膜经高温处理，使水合膜转化为致密膜，这样不仅减少赋能时的耗电量，而且得到了电性能较好的介质膜。3. 常用的赋能电解液 硼酸硼砂赋能液赋能电压在 50 伏特以下，一般配方为：硼酸：硼砂：水 = 16：18：100 （质量比）或硼酸：硼砂：水 =16：24：100 （质量比）赋能电压在 300 伏特以下，一般配方为：硼酸：硼砂：水 =8：2.2 ：100 （质量比）赋能电压在 450650 伏特，一般配方为：硼酸：硼砂：水 =8：（0.20.4）：100 硼酸氨水配方一般为：低压： 硼酸 14 克 、 氨水 3 毫升 、 水 100 克 ，中压： 硼酸 10 克 、 氨水 0.5 毫升 、 水 100 克 ，高压： 仍用硼酸硼砂配方 。 己二酸赋能液目前只使用在低压和中压赋能中，其配方为：己二酸 0.3%0.5% 、 氨水 3550 毫升（调节 pH 值在 4.24.5） 、水 100% 。本科毕业设计（论文）也可采用：己二酸：硼砂：水 = 1.5：1：100 （质量比）己二酸赋能液的优点是用料少，成本低，形成氧化膜致密，电性能好，能提高比率电容，对低压产品尤为显著，可增加比率电容 40%左右。3 校正系统3.1 校正系统的工作原理假设当某物体静止在水平面上时，物体所受加速度为 a = 0，如图 3-1（a）所示 ；当物体沿顺时针方向转过一定的角度 时，物体所受的加速度为 ，如sing图 3-1（b）所示，当 = 90时，物体所受加速度达到正向最大值 ，如图 3-1（c）示 ；同理，当物体沿逆时针方向转过一定的角度 时，物体所受的加速度为,如图 3-1（d）所示，当 = 90时，物体所受加速度达到负向最大值singa，如图 3-1（e）所示。本科毕业设计（论文）图 3.1 校正系统的工作原理如果将此物体换为第二章介绍的水银电容加速度传感器，那么当传感器转过不同角度时，对应不同的加速度，传感器的电容值也发生相应的变化，所以本系统的主要工作就是精确带动传感器作旋转运动。3.2 校正系统的实现本系统工作时，要带动传感器做精确的旋转运动，因此可以用电动机带动来实现这个过程，但是由于电动机的旋转速度一般较高，传感器只做小角度的转动，另外传感器感受角度的变化和信号调理电路处理数据都需要一定的时间，所以应该设计一个减速箱，将电动机的转速降低。电动机的旋转可以通过运动控制卡进行实时控制。以方便后级测量电路进行数据处理。本科毕业设计（论文）3.2.1 减速器减速箱的设计常通过齿轮传动来实现。齿轮传动是应用最广泛的一种机械运动，在精密机械、仪器仪表、自动控制装置中广泛用来传递运动和动力。下面简单介绍齿轮传动的基本知识。 齿轮传动的基本功能 传递任意两轴之间的回转运动。对于运动系统中的任意两轴，无论它们的轴线是平行、相交或相错，都可以通过不同类型的齿轮来传递回转运动。 实现回转与直线运动的相互交换。图 3.2 中主动轮 1 的回转运动变成齿条 5 的直线运动。 实现轮系的变速运动。根据输入轴和输出轴的转速变化要求，可以通过配置齿轮副的传动比来实现。图 3.2 中为减速传动，缩小输入的位移量。 齿轮传动的特点齿轮传动具有传动比准确、传动精度高、传动效率高、传动平稳、工作可靠、寿命长、结构紧凑、速度和功率范围宽等优点。但某些类型的齿轮制造比较复杂，当齿轮的制造和安装精度低时，所引起的传动噪声和振动对仪器性能有很大影响。在精密仪器中采用的齿轮传动的主要特点是：传递力矩大、功率小，而要求精度较高，运转灵活，结构紧凑。图 3.2 齿轮传动的功能 （1、2、3、4-齿轮，5-齿条） 齿轮传动的类型本科毕业设计（论文）齿轮传动的类型很多，按照齿轮啮合时，两轴的相对位置的不同，可分为两大类。 平面齿轮传动啮合的一对齿轮的两轴线互相平行，两齿轮都在与轴线相垂直的同一平面内，这种齿轮必为圆柱形，称为圆柱齿轮，根据齿轮相对于轴的位置，最常用的有直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮。它们的传动关系可为外啮合或内啮合。若某一个齿轮的半径为无穷大，即齿轮排列在一个直线平面上称为齿条。如图 空间齿轮传动啮合的一对齿轮的轴线互不平行，即相交或交错，则它们的相对运动为空间运动。根据两轴空间位置的不同，齿轮传动可分为：圆锥齿轮传动：两齿轮轴相交，螺旋齿轮传动：两齿轮轴不平行、不相交，蜗轮蜗杆传动：两齿轮轴空间垂直。 减速器的主要类型和特点 一级圆柱齿轮减速器 这种类型的传动比一般小于 5，可用直齿、斜齿或人字齿，传递功率可达数万千瓦，效率较高，工艺简单，精度易于保证，一般工厂均能制造，应用广泛。 二级圆柱齿轮减速器 这种类型传动比一般为 840，用斜齿、直齿或人字齿。结构简单，应用广泛。包括展开式、分流式和同轴式。展开式由于齿轮相对于轴承为不对称分布，因而沿齿向载荷分布不均匀，要求轴有较大刚度。分流式则齿轮相对于轴承对称分布，常用于较大功率和变载荷场合。同轴式减速器长度方向尺寸较小，但轴向尺寸较大，中间轴较长，刚度较差。两级大齿轮直径接近，有利于浸润滑油。轴线可水平、上下或铅垂布置。 一级圆锥齿轮减速器 传动比一般小于 3，用直齿、斜齿。 二级圆锥-圆柱齿轮减速器 锥齿轮布置在高速级，使其直径不至于过大，便于加工。本科毕业设计（论文） 一级蜗杆减速器 结构简单，尺寸紧凑，但效率较低，适用于载荷较小、间歇工作的场合。蜗杆回周速度 v45m/s 时用下置螺杆，v 45m/s 时用上置螺杆。 传动方案合理的传动方案首先要满足机器的功能要求，例如传动功率的大小、转速和运动形式。此外，还要适应工作条件，满足工作可靠。结构简单、尺寸紧凑。传动效率高、工艺性和经济性合理等要求。要同时满足这些要求比较困难，因此要通过分析比较多种方案，来选择能保证重点要求的较好的传动方案。通过比较分析减速器的各种类型及其特点，选择耳机圆柱齿轮传动的方案。这种传动方式结构简单、应用广泛，传动比较高（一般为 840） 。虽然结构尺寸相对较大，但是加工工艺简单。不足之处在于在和分布不均匀，因此要求轴有较大的刚度。由于本设计系统所受的载荷较小，所以可以满足设计的要求。单级圆柱齿轮传动的传动效率 0.980.99，传动比 。所8i以二级圆柱齿轮减速器的传动效率最高可达到 0.98，传动比最高可达到 64。如果电动机和减速器之间采用 V 带传动连接，那么整体的传动效率为 0.96，传动比为 448。 （V带传动的传动效率最高为 0.98，传动比为 ） 。7i3.2.2 JHM-1GY-300B 型激光焊接机JHM-1GY-300B 型激光焊接机是由电源柜、主机柜、冷却系统等组成。利用这台设备的计算机及数控工作台和旋转夹具就可以实现1g 加速度计自校正系统的要求。X、Y 三维精密工作台和旋转夹具均可由计算机控制。其中工作台行程为XY=150150，旋转夹具的转速和转角可由计算机控制，步进当量为 0.01，复位精度为 0.025。这台设备共有 99 组激光参数，激光参数的编号范围是 199，即是说有 99 种不同的参数组合，可以调出每种组合的激光参数，也有工作台程序。由于我图 3.3 减速器传动方案简图本科毕业设计（论文）们不需要利用激光焊接，也不需要工作台运动，所以调出一组参数后，按控制面板上的“编程”键，进入编程状态，对激光参数编程，将其各项参数设置为最小。如果这组参数含有工作台程序（功能显示器右边显示“P” ） ，则将这段程序删除。本设备的数控系统采用程控机作为控制主机，配以 6020 三轴运动控制卡及具有步进角细分功能的两相混合式步进电动机驱动器和高转矩低振动的两相混合式步进电机，共同组成一个高质量的自动控制系统，完成各种轨迹的控制任务。本系统可以通过 G代码编程来实现对工作台和旋转夹具的运动控制。在 G 代码输入框中，输入 G 代码程序，点击“编译”按钮，若输入有错误，软件会给予提示输入不正确。当输入无误时， “开始”按钮被激活有效，点击“开始”按钮，或踩脚踏开关（此时操作台上的“程控”按键必须先按下，否则工作台和夹具不运动） ，工作台和旋转夹具按指定程序开始运动。G 代码指令如下：（这里所提的 G 代码不是标准 G 代码，所有指令均要大写， “*”代表参数，每条命令以分号“；”结束。 ） G90： 设置绝对坐标。将当前坐标点设为原点。格式： G90-ABS； G74： 返回原点。从当前点以 V 设定的速度返回原点，该指令仅针对 X、Y 平面。格式： G74-V*； G00： 快移。以 V 设定的速度快速移动到 X、Y 指定的位置。格式： G00-X*Y*V*； G01： 直线插补。以矢量速度 F 向目标位置 X、Y 移动。格式： G01-X*Y*F*； G02： 顺时针圆弧插补。X、Y 为插补终点，I、J 为圆心坐标，F 为矢量速度。格式：G02-X*Y*I*J*F*； G03： 逆时针圆弧插补。X、Y 为插补终点，I、J 为圆心坐标，F 为矢量速度。格式：G03-X*Y*I*J*F*； G04： 暂停。时间单位 D 为毫秒。本科毕业设计（论文）格式： G04-D*； G101： A 轴返回起点。A 轴以 V 设定的速度返回 A 轴起点。格式： G101-V*； G100： A 轴旋转。A 轴以速度 F（单位：度/秒） ，旋转角度 A（单位：度） 。格式： G100-A*F*； SET： 打开输出口。打开 OUT 指定的输出口。格式： SET-OUT*；参数说明：OUT0 出激光 OUT2 开缓升OUT1 启动光闸 OUT3 开缓降 RST： 关闭输出口。关闭 OUT 指定的输出口。格式： RST-OUT*；参数说明：OUT0 关激光 OUT2 关缓升OUT1 恢复光闸 OUT3 关缓降系统程序：G90-ABS； 设置绝对坐标SET-OUT1； 启动光闸，挡住激光SET-OUT0； 出激光G100-A10-F1； 以 1 度/秒的角速度，旋转 10 度G04-D30000； 延时 30 秒，等待记录实验数据G100-A10-F1； G04-D30000；G100-A10-F1；本科毕业设计（论文）G04-D30000；G100-A10-F1；G04-D30000；G100-A10-F1；G04-D30000；G100-A10-F1；G04-D30000；G100-A10-F1；G04-D30000；G100-A10-F1；G04-D30000；G100-A10-F1；G04-D30000； 旋转 90 度后，延时 30 秒，数据记录G100-100-F1； 以 1 度/秒的角速度，旋转 100 度，校正-gG04-D30000； 延时 30 秒，等待记录实验数据G100-A10-F1；G04-D30000；G100-A10-F1；G04-D30000；G100-A10-F1；G04-D30000；G100-A10-F1；G04-D30000；本科毕业设计（论文）G100-A10-F1；G04-D30000；G100-A10-F1；G04-D30000；G100-A10-F1；G04-D30000；G100-A10-F1；G04-D30000； 旋转 270 度后，延时 30 秒，等待记录实验数据RST-OUT0； 关闭激光4 传感器的承载装置4.1 基本结构说明本装置的主要作用是将传感器和旋转夹具连接在一起，它的一边要夹在工作台的旋转夹具上，另一边用来承载传感器。当夹具旋转时，通过本装置带动传感器同步旋转。工作台上的旋转夹具是通过可以自由调整的三爪来夹取物体的，所以本装置的整体结构可以做成圆柱体的形状，在与旋转夹具连接的一端直径可以取 2，装载传感器本科毕业设计（论文）的另一端直径稍大，可取 4。由于在实验室的条件下对装置的材料没有特殊要求，所以可以采用常用的 45 号钢，这种材料的抗拉强度为 600MPa，屈服强度为 355MPa，伸长率为 16%，收缩率为 40%，冲击功为 39，常用于制造齿轮、齿条、轴、键、销等零件。在承载传感器的一端开一个立方体的槽子，用来装载传感器。在旋转过程中，为了防止传感器松动，通过三个紧固螺杆将传感器夹紧在立方体槽内。另外要注意的是传感器与承装置之间的绝缘问题。具体方法是根据装置上开的立方体槽子的尺寸，利用绝缘橡胶材料制作一个同样的一端开口的立方体槽子，将其塞在承载装置的开槽里，这样既可以起到绝缘的作用，又可以防止紧固螺杆将传感器的表面弄坏。结构简图如图 4.1 所示。4.2 传感器承载装置的结构简图图 4.1 是螺纹规格 d=M8、公称长度为 l=80的六角螺栓的结构简图。螺纹牙顶所在的轮廓线（即大径）画成粗实线，螺纹牙底所在的轮廓线（即小径）画成细实线螺纹终止线用粗实线表示螺纹端的倒角为 145。小径通常画成大径的 0.85 倍。在垂直于螺纹轴线的投影面上，大径用粗实线，小径用细实线，且只画约 圆，倒角园43省略不画。图 4.2 是此传感器的承载装置的三视图。图中的内螺纹为 M81.5-7H-12,它表示此内螺纹是公称直径为 20的细牙普通螺纹，右旋，螺纹公差带：中径和小径均为7H，旋合长度为 12。 两个图中的均是用去除材料的方法获得的表面粗糙度， 的上限值为 3.2 微米。aR图 4.1 六角螺栓结构简图本科毕业设计（论文）5 传感器信号处理及显示电路5.1 概述电容式传感器由于灵敏度高、动态响应时间短、机械损失小、结构简单、适应性强等优点得到越来越广泛的重视和应用，但同时电容式传感器受寄生电容影响较大，当电容传感器进行测量时具有非线性输出特性，因此设计 一个高精密的电容式传感器图 4.2 传感器的承载装置结构简图本科毕业设计（论文）的外围信号处理电路是保证电容式传感器正常工作的关键。目前流行的变换电路有桥式电路、电容脉冲率变换电路、差动脉冲宽度调制电路、运算放大器测量电路等，但都存在一些不易克服的缺点，例如测量灵敏度不高、动态测量的频率响应达不到要求、电路结构复杂、需外加补偿电路等。本设计充分发挥电容式传感器的优点，改进电容式传感器在实际应用中的缺陷，设计出了一种差动电容直读式传感器的信号处理电路，其原理框图如下图所示。电容式传感器C-V变换电路解调电路滤波电路调制电路数字电压表放大电路激励信号图 5.1 传感器信号调理电路框图5.2 单元电路分析5.2.1 激励信号发生电路555定时器是由电阻分压器、两个电压比较器 、 ，一个基本RS触发器、一个1C2开关管和输出缓冲器五个基本单元构成。其逻辑结构如下图5-2所示。本科毕业设计（论文）电源电压 经过三个电阻 分压后，以 作为 比较器同相输入端的参考电DVRDV312C压，以 作为 比较器反相输入端的参考电压。当 反相输入端的触发电32C2时， 输出为1，给RS触发器一个置1信号，使 =0、Q=1，输出端（3）为高DTRU12 Q电平，同时NMOS开关管 截止；当 的阈值输入端电压 时， 输出为1,给V1CDTHVU21CRS触发器一个置0信号，使 =1、Q =0，输出端（3）为低电平，同时NMOS开关管 导 V通。除上述基本控制关系外，在RS触发器上还有个优先置0端（4）。只要在该端加上低电平，则不管比较器输出状态如何，RS触发器被强制置0，所以此端平时应接高电平。（5）端为控制电压输入端，当此端外加控制电压(数值在 之间)时，则比较器0DV的参考电压也随之而变化。我们采用 555定时器构成脉冲激励信号发生器，该电路是由555定时器和电阻电容构成的。电路如图5-3所示。在本脉冲发生电路中， 为充电电阻， 为放电电阻，C1R2R为外接定时电容。设电源接通前，电容C上的电压 ，接通电源后，由于 不能0CUU突变所以 端（2）的电压小于 ，故输出端（3）为高电平，开关管V截止，电源TRD1图 5.2 集成 555 定时器的逻辑电路图本科毕业设计（论文）通过 和 向电容 充电，使 按指数规律上升，即TH（6）和 （2）端的电DV1R2CCUTR压随之按相同规律上升，直到 达到 时为止，当 上升到等于或略大约 时，CUDV32CUDV32由于TH（6）端电压略大于 ， （2）端的电压大于 ，故输出端（3）变为TRDV1低电平，开关管 导通，电容 通过电阻 和开关管V放电， 按指数规律下降，V CTH（6）和 （2）端的电压随之按相同规律下降，直到 下降到 时为止，当TRUD31等于或略小于 时，S=1，R=0，输出端（3）变为高电平，开关管 截止，电容CUD1 V再次充电，重复上述过程。如此周而复始，在输出端可以得到持续不断的周期性矩形波，如图5.4所示。图 5.3 激励信号发生电路图 5.4 电容 C 的充放电曲线及输出周期性矩形波本科毕业设计（论文）此周期性矩形波的振荡频率为 = 1.44/（R 1+2R2）C，C 1为抗干扰滤波电容。由上式可知产生的脉冲激励的频率由电阻和电容决定。因此最直接的解决办法是通过选择高精密度的元件保证电路性能的稳定性，实际中我们采用一种高精密电源电压电路(此电路产生的5V电压具有很高的稳定度)和一种温漂很小的高精密的电阻（例25PPM的电阻）来保证脉冲幅度和频率的稳定，同时还需选择正向压降随温度小的二极管以提高电路的精度。5.2.2 电容变换电路 电路原理图CV 变换电路由传感器的可变电容 和 、充放电二极管 、 、 、 及1C21D234滤波回路 、 、 、 组成。C-V 变换电路由完全对称的两支路组成。由 555 组3R4成的电路产生一个脉冲激励信号 。此脉冲信号通过对 、 充放电，经过 、iU12C3C滤波分别在 、 上形成与电容相关的电压，两电压的差值通过由 、 、434 2U组成的仪用放大器，得到与电容差值成正比的输出电压，如图 5.5 所示。U 原理分析图 5.5 C-V 变换电路本科毕业设计（论文） 当激励信号为正脉冲时，即 kTtkT+T 1，k=0、1、2时， （T 为激励信号周期，T 1为正脉冲延续时长。此时激励信号通过回路传感器 、 、 、 对1CD3R充电。由基尔霍夫电压定律得：1C（式0121231dtuCItRUImcd5.1） 式中： 为激励电压幅值， 为电容 的压降， 为二极管 正向导通时的mUCU1dU1D压降， 为流入 的电流， 为流入滤波电容 的电流， 和 的方向如图 5.5 所示。1I3R2I31I2由上式解得： （式31CRtdmce5.2）（式31CRtdmaeU5.3） 当激励信号处于零电位时，即 T1+kTt（k+1）T，k=0、1、2时，此时传感器电容 C1通过 D 快速放电，由于回路中二极管正向导通电阻很小，因此在瞬间（微秒级）电容电荷放电为零。此期间二极管反向电阻可近似为无穷大。所以有在 T 内的平均电压为：aUdtUTaa)(10 dtUTdtaTa)(1)(10= teCRtdTm)(0311(= 1 - (式 5.4)(313URd )(31CRTe由于 为几到几十 pF， 为 1F，所以 ， 1CC3131C本科毕业设计（论文）上式近似为：(式 5.5)(3dmaUR )1)(313CRTe同理 在 T 内的平均值为：b=dtbb)(10 dtUTdtbTb11 )()(0= 1 420)()(TCRtdmeU= （式1)( )(424 421CRTdR5.6）由于 ，所以 。上式近似为：42C42（式)1)()( 41424 CRTdmb eUR5.7）5.2.3 调制电路在精密测量中，进入测量电路的除了传感器输出的测量信号外，还往往有各种噪声。传感器的输出信号一般很微弱，为了将测量信号从含噪声的信号中分离出来，往往给测量信号赋予一定的特征，这就是调制的主要功用。将调制信号放大处理后，还要从已调制的信号中将反映测量值的测量信号提取出来，这个过程称为解调。在信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波信号。一个正弦信号有幅值、频率、相位三个参数，可以对这三个参数进行调制，分别称为调幅、调频和调相。调幅是最常见的调图 5.6 信号调制电路本科毕业设计（论文）制方法，这里采用乘法器构成的调制电路，其原理如图 5.6 所示。 本电路有两部分组成，一部分是RC桥式正弦波发生电路，用于产生1kHz的载