位移测量装置_华中科技大学

1、位移测量装置(2006)摘要：本系统以单片机为控制核心，线性可变差动变压器为传感器，辅以相应的模拟电路，能实现较精确的位移测量功能。主要模块有正弦波产生、差分放大、差动变压、整流滤波、模数转换。其中运用 DDS 芯片产生正弦波，经过差分放大后进入可变差动变压器。依据磁通改变原理，通过移动变压器线圈内部的磁棒可以改变次级线圈输出电压，经整流滤波（真有效值转换）后电压改变值通过单片机处理即可得到位移值。系统电路构造简单，通过较少的元件就可以达到一定精度的测量。本系统一大特色就是具有电机驱动部分，可以利用单片机控制直流电机转动，以驱动磁棒移动到指定位移。另外系统通过键盘输入预定位移值，由LCD 液晶

2、屏显示，人机交互界面良好，方便用户使用。关键词：位移测量；线性可变差动变压器；单片机Abstract: Using a microcontroller as the control core and a LVDT as the sensor, andwith relevant analog circuits, the system can measure the displacement precisely.Main modules are Sine Wave Signal Source, Differential Amplification Circuit, LVDT,Rectifier,

3、Filter and Analog-Digital Converter. Sine Wave Signal produced by a DDSchip is difference amplified and inputted to a LVDT. According to the theory ofmagnetic flux, the output voltage of secondary coils can be changed by moving themagnetic core of LVDT. After rectification and filtering (RMS-to-DC C

4、onversion),the microcontroller processes the data and we can finally acquire the displacement.The system achieves high precision with simple structure, and one of the features isthat the system have a motor driver, which can be controlled by the microcontroller, todrive the magnetic core. Besides, t

5、he system have a friendly human-computerinterface and its easy to use.Key Words: displacement mensuration；LVDT；microcontroller11. 系统方案设计1.1系统总体方案论证系统要求设计制作一个位移测量电路，主要分为激励电路和测量电路两个部分。激励部分要求产生 100kHz 的正弦波，然后经差分放大输出进入可变差动电压器。测量部分要求将变压器次级线圈输出的两路交流电压经整流滤波后得到直流电平，移动变压器内的磁棒改变两路直流电平值，根据电平改变值通过处理后得到位移值。方案一：系

6、统激励部分正弦波产生电路采用传统的直接频率合成器，经差分放大、差分变压、整流滤波后，根据两路电压改变得到位移值。该方案产生正弦波具有低相位噪声等优点，但频率合成器结构复杂、体积庞大、成本高，不利于实际制作，故不采用此方案。方案二：正弦波产生采用直接数字式频率合成器（DDS），后级电路与方案一相同。DDS 方案电路简单，仅用一块芯片就可以实现，而且可以产生较宽频率范围的正弦波且失真度小。但普通整流滤波电路较难达到理想的结果，这会导致后面电压采样出现较大误差，故不采用该方案。方案三：正弦波产生使用 DDS 方案，而整流滤波电路采用真有效值检测芯片。真有效值检测可以将交流电压很好的转换成其有效值大小

7、的直流电平，利于后级电压采样。通过以上分析，决定使用方案三。正弦波使用 DDS 芯片产生，经差分放大后输入可变差动变压器初级，次级生成两路交流电压，经过真有效值转换后得到直流电平，经 AD 转换后传入单片机，单片机通过计算查表线性拟合即可得到位移值。另外单片机也可控制直流电机，使磁棒移动到预置位置。1.2理论分析激励电路由 DDS 信号源和差分放大电路组成。激励信号由单片机控制 DDS芯片产生，对于题目要求的 100kHz 正弦波可以较易达到。差分放大电路对 DDS输出的信号进行放大，方便后级测量。2测量电路由线性差动变压器、整流滤波电路、AD 转换和单片机组成。差动变压器初级长度与次级总长之

8、比为 1：1，次级线圈中心抽头，可以输出两路正弦波信号。整流滤波电路使用真有效值转换芯片，可以将次级线圈的交流正弦信号转换成有效值大小的直流电平。然后使用两片 AD 转换芯片将两路直流电平进行采样后传输给单片机，单片机处理后得到位移值并显示。随着铁磁棒插入线圈的长度增大，线圈的电感 L 变得越来越大，其差值L变大。对于螺绕环，其电感量为： L0 = 0n 2sl ，当插入磁棒后，电感量为L1 = 0 r n 2 sl + 0 n 2 s (l l ) = 0 n 2 sl + 0 ( r 1)n 2 sl所以，电感量的变化量 L = L1 L0 = 0 ( r 1)n 2sl = kl ，即电

9、感量的变化量 l 与铁磁棒的位移量 l 成正比。故有：U a La + L 0 L0L L L U a U b，解得，L = 0 L0 2 U a + U b= k d 。即位移量 l 与 d 值成正比。然而实际上由于线圈和铁磁棒不是理想的均匀和对称，二者间的线性度不是特别好。为减小误差，在软件中采取查表，然后在小区间内做线性拟合，以达到更高的精确度。1.3TI 器件的选择差分放大器部分题目要求差分放大器使用 THS4503。THS4503 带宽为 370MHz,压摆率为2800V/us，可使用5V 电源供电。而经过 DDS 芯片 AD9851 产生的正弦波峰-峰值为 1V，频率为 100kH

10、z，这就需要将信号进行适当放大才能进入变压器，供后级电路使用。而 THS4503 带宽达 370MHz，可以放大 100kHz 的信号，同时能够较好地抑制共模信号。此外，THS4503 最大可以输出 150mA 电流，在使用5V 电源供电且初级线圈电阻为 160的情况下可以带起初级线圈。故使用THS4503 可以达到题目的要求。AD 转换部分要将整流滤波后得到的直流信号送给单片机处理并保证结果精确，需要一个3U = U b,= b U 0La + Lb = L0U a + U b =U 0较好的 AD 转换器，在这里选用 TI 公司的 ADS7886。它为 12 位高速 ADC（分辨率可达毫伏

11、），采样率可达 1MHz，完全能够达到题目的要求。同时使用了 TI公司的 REF3030 作为 AD 转换器的电压基准源（提供的基准电压为 3V），进一步保证 AD 转换的精确度。2. 系统实现2.12.11硬件设计系统框图其中差分放大电路使用了 TI 提供的 THS4503 差分放大器，AD 转换电路使用了两片 TI 提供的 ADS7886 模数转换器和一片 REF3030 电压基准源。2.12线性可变差动变压器设计、计算变压器使用铁淦氧磁棒作为磁芯，差动变压器次级总长与初级长度之比为 1：1，次级线圈有中心抽头并接地。为消除自激，将初、次级线圈的漆包线合起来并绕，即双线并绕。这样初、次级线

12、间距离最小，可使漏感减小到最小值。2.13激励电路设计、计算激励电路使用单片机控制 AD9851 产生 100kHz 的正弦波。而差分放大电路选用 THS4503，由于 AD9851 产生的正弦波幅度为 1V，为了后级有足够大的信号，在这里将差分放大部分的放大系数设为 25 倍，所以选用 1k电阻与 10k电4阻相串联，可以随时调节放大倍数，以达到要求。2.132.14测量电路设计、计算测量电路主要由整流滤波电路和 AD 转换电路组成。整流滤波电路由两片AD637 构成。经实验， AD637 可以测量有效值为 200mV7V 的 100kHz 信号，误差在 1%以内。这样通过调节前级差动放大完

13、全可以满足。AD 芯片选用 12 位数模转换芯片 ADS7886，由基准电压源 REF3030 提供 3V 基准电压，这样 AD 分辨率为0.7mV，完全可以保证单片机的测量误差在 2mm 之内。52.15模块及模块间接口设计电路包括电机模块和测量模块，两个模块的电气特性不同。如果共用一组电源，电机模块工作时会对测量模块产生严重干扰，所以应使用光耦将两个模块隔开并使用两组不同电源。另外，设计时要考虑芯片的带载能力，当带载能力不够时考虑使用上拉电阻（对单片机 I/O 口）、使用反相器（对单片机 I/O 口）、使用三极管或是用运放构建电压跟随器等。2.16硬件设计注意事项（1） 在使用各芯片时，应

14、注意退耦电容的使用，在芯片的+5V 和接地端之间就近并上一个 10F 的电解电容和一个 104 的瓷片电容，事实证明这种方式可以很好的保证输出波形的质量。（2） 数字地与模拟地间应使用磁珠隔离。（3） ADS7886 的连接线应使用单线并尽量分开，而不能使用排线，否则会互相干扰而使 AD 读取数据出错。（4） 要重视芯片的散热，保证系统的稳定性。对发热较大的芯片最好加装散热片，如本题中的 THS4503。2.22.21软件设计软件总体说明本系统控制模块采用一片 8 位单片机 SST89E58RD2，完成以下功能：向 DDS芯片 AD9851 发送控制字；采集信号并计算 d 值；利用线性拟合的方

15、法计算位移值；产生 PWM 波驱动电机；人机交互界面（包括液晶显示和键盘控制）。62.222.23软件流程图软件设计思路及技巧2.22软件部分应包括 DDS 控制，AD 驱动采样，d 值和位移计算，电机的控制，键盘，显示几个模块。由于只有 100KHz 一个频率的输出，DDS 控制只须给 9851 送一次数据即可。AD 采样要同时获得 A,B 两点的电压值，以免磁棒移动速度大时，采样电压不同步，造成较大误差。因而采取两片 AD 使用公共的时钟线和片选线的方法，达到采样同步的要求。7由于 d 值为小于 1 的数，而单片机在处理浮点数时较慢，为了能让控制系统延迟更小，所有的数据采用整型数定义，最后

16、显示时再加小数点。在相同的精度范围内，可以有更高的运算速度。而位移的计算则是通过测点存表，然后小区间内线性拟合计算出对应 d 值的位移量。电机的控制则通过 SST 单片机内集成的 PCA 模块的 PWM 模式进行控制，而没有使用内部定时器。由于 PCA 模块有专门的定时器做时间基准，因而对主程序没有影响，使程序运行更加稳定。2.24编程感想及注意事项本题没有太复杂的算法要求，控制器资源有较大的余量，但是还是运用了一些小的技巧，如采用整型数代替浮点数，线性拟合等等。总体感觉电机的控制部分要相对复杂些，由于磁棒移动时，次级线圈输出电压变化不连续，导致移动相同距离电压变化量不同，因而要保证电机控制精

17、度需要通过实测数据来制定参数。软件设计时应注意以下问题：尽量使程序模块化，既容易阅读，在调用时有时也有很大的方便。定义一些需要的宏，方便程序的编写和调试。合理的使用局部变量和全局变量。3. 作品性能测试与分析3.1测试仪器及设备（1） 数字示波器 Tektronix TDS1002B（2） 数字万用表 FLUKE15B（3） 游标卡尺3.2测试方法键盘设置位移值，测量实际位移并记录实测值，同时测量 A、B 两点的电压，计算得 d 值，并记录测得的 d 值。计算误差。83.3测试性能概览9(1)a(100KHz)100.2 KHzb100.2KHz(2)(3)+5mmVA778mVVB555mV

18、d0.168( 0.167)+5.06mm0.06mm-5mm-4.97mm0.03mm(4)(+10mm)+10.08mm0.08mm(-10mm)-10.16mm0.16mm( 2mm)(1)(+20mm)+20.02mm( 23mm)(-20mm)-20.06mm( -23mm)(2)+5mm+5.02mm0.02mm-5mm-4.94mm0.06mm0.5mm(3)( 2mm)+5mm+5.14mm0.14mm-5mm-4.78mm0.22mm3.4误差分析可能有以下原因一：游标卡尺读取移动距离时存在误差；二：磁棒移动不够平稳，线性差动变压器工作不够稳定；三：外界及电路内部有干扰；四：直流电机不可能在让磁棒精确地停在某个地方，算法上也是