二维传感器课程设计说明书

1、 工程测试课程设计说明书 题 目： 二维位移传感器设计 院(系)： 机电工程学院 专业、班级：机械设计制造及其自动化 100210114 学生姓名： 2013 年 7月 12日目 录一、摘要1 前言2二、机械本体设计3三、电路设计10四、小结20五、致谢21六、参考文献22 摘 要 本文首先简要介绍PSD的特性和检测位移的方法，在此基础上基于PSD的三维位移测量系统设计。在本设计中，是以PSD作为位移传感器的主要部件，采用半导体激光二级管激光测在PSD板感光位移的方法。用放大器、AD转换器进行X、Y方向的信号采集。另外，还添加了STM32F10332位基于ARM核心的带128K字节闪存的微控制

2、器，就信号进行分析,再通过RS-485接口输出。通过对电路的设计，减少了测量电路及安装PSD板是造成的机械误差，使精度可达到PSD板的精度。本文采用ADS A/D转换器，STM32F103微控制器，RS485接口，LM1117电压调节器，78L051三端稳压电源调整器, 组成系统。该系统的特点是：使用方便 、测量方便、稳定可靠、适用对象广。关键词： PSD 信号采集 STM32F103 前 言 传感器技术作为信息技术的三大基础之一，是当前各发达国家竞相发展的高技术，是进入21世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感

3、器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力，而现代科学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。传感器是信息系统的源头,在某种程度上是决定系统特性和性能指标的关键部件。 传感器是将物理、化学、生物等自然科学和机械、土木、化工等工程技术中的非电信号转换成电信号的换能器。当今社会的发展是信息化社会的发展，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理，而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段，是现代科学的中枢神经系统，它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。传感器处于研究对象与测控系统

4、的接口位置，一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。如果把计算机比喻为处理和识别信息的大脑，把通信系统比喻为传递信息的神经系统，那么传感器就是感知和获取信息的感觉器官。传感器技术是现代科技的前沿技术，发展迅猛，同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱，许多国家已将传感器技术列为与通信技术和计算机技术同等重要的位置现代传感器技术具有巨大的应用潜力，拥有广泛的开发空间，发展前景十分广阔。 本次课程设计所采用的是二维PSD位移传感器。位置敏感器件（Position Sensitive Detector,简称PSD），是一种对接受光点位置敏感的光电器件。自

5、1957年由Wall Mark提出后，其研究与应用不断发展，八十年代曾有一段研究高潮。由于受光源结构的限制，其应用一段发展缓慢。近年来，由于半导体激光器的迅速发展，使PSD的光源在性能、体积得到很好的改善，促进PSD器件广泛的实用研究，PSD器件响应速度快、位置分辨率高、输出与光强无关，其独特的工作方式，使其在精密检测、三维测量、机器人定位系统等领域获得了广泛应用。 第二章 机械本体的设计 随着时代科技的迅猛发展，微电子学和计算机等现在电子技术的成就给传统的电子测量与仪器带来了巨大的冲击与革命性的影响。常规的测量仪器与控制仪器被先进的智能仪器控制系统所取代，使得传统的电子测量仪器在原理功能，精

6、度及自动化水平的定位发生了巨大的变化，并相应的出现各种各样的智能仪器检测控制系统，使得人们的生活越来越丰富多彩，也在很大的程度上提高人民的生活水平。 本部分机械本体的设计以位移的转化，和PSD二维位移传感器为主，综合考虑性能，价格，实用性，使用环境等等的因素而设计的。 a 机械本体方案设计a.1设计目的 将位移量转化为电信号，从而实现用电信号的变化测量位移的变化。位移测量装置适用于公会议现场和多种测试领域。按照使用要求，系统可实现：有效的量程，分辨率，位移转化，零点重置等功能。 a.2总体方案设计本部分机械体整体思想是将位移量变为容易测得电信号，从而y实现预期的功能。而本系统将采用一个重要的元

7、件PSD二维位移传感器。具体是将所测量的位移的转为半导体激光器位置的变化，从而使得激光器发出的光打在PSD二维位移传感器的不同位置上。所以导致到各个输出点的电阻不同，体现在电路中就是电路流不同，从而通过衡量电信号的变化的出位移的大小。位移 光源位置PSD光敏电阻电信号 b 机械本体的机构设计的方框图与原理 b.0 由于考虑到经济性和实用性，及工作环境，及安装，连接因素的影响，综合提高性价比。采用厚度为5mm，长60mm,宽为60mm,高位60mm的长方体外壳.如图b.0（1）所示。 图 b .0（1） b .01 端盖与外壳的连接采用M2的螺钉连接，共用八个如图b.01所示： 图b.01 b.

8、1 位移转化光源位置的设计为实现位移和光源位置的对应变化，本设计中选用球的直径俩端对应同步的变化，由于考虑安装和加工问题，将球杆设计成各自独立的，其具体结构如图b.1所示： 图 b.1 b.11其中球体的直径为20，球体是镶嵌进钱端盖的，而且球与端盖会有一定的间隙 ，且球杆与球是用螺纹连接的，如图b.2所示： 图b.2 b.12而右端的光源是由激光二极管、激光器 3V 点状 铜材半导体激光管 6mm外径。其长度为10mm,直径为6mm。其形状和尺寸如图b.3（1）所示： 图b.3（1) 半导体激光二极管是由一个外盖和球杆固定的，而且外盖与球杆的连接也是螺纹连接，具体如图b.3（2）所示： 图b

9、.3（2） 由图形也可知道，在半导体激光二极管后面还有一个间隙，以便激光器的更换和调整，和一个半导体二极管的引线出口，使得其与电路相连。b.13零点重置功能 本部分是由四根弹簧实现零点的复位功能的，如上图中图2.1所示。 其原理为：当位移测量完毕后，在四根弹簧的作用下使得球杆恢复到零点的位置。在本设计中四根弹簧的型号是完全相同的。故而能保证在不受外力的情况下，每次恢复到平衡位置的零点是一样的。而为保定弹簧不转动，弹簧的头是安装在固定在机械装备的圆柱销上的，如图b.13所示： 图b.13b .14 分辨率的计算 本系统的分辨率是光源发光的位置到球心的距离与测位移的位置到球心距离的比值，由图2.1

10、可知其比值为45.08除以45.08，其值近似为1，所以其分辨率为1.精度为0.1mm。精度是一个位移传感器特别重要的衡量指标，而本系统的精度可以满足工业现场和多种测试领域，英雌就有非常大的使用价值，和实用价值。b .15 位移行程的计算位移的行程由上述分辨率为1可知，位移的行程与光位置的行程是一样的。而光源的位置行程是由PDS光敏电阻的大小决定的，其原理如图b.4可知， (1) (2) 图b.4由图b.4可知，光源位置的行程为15*15. 其中b.4-(2)是PSD光敏电阻。 其中光敏电阻是用的 PSD位敏传感器/二维PSD/位置传感器。其实物图b.5所示： 图b.5b .2 PSD二维位移

11、传感器和电路板在机械结构中的装配 PSD二维位移传感器是由前端盖和套筒定位的，电路板是由套筒和后端盖定位的，,及外壳与端盖除了螺纹连接，还有销定位。具体如图b.5所示： 图b.5PSD二维位移传感器和电路板的连接是通过导线，电路板与后面的接头连接也是一样的。b.3 接头的选用型号及其安装接头选用产品型号：RJ45M25AP5 接入方式为RJ45.其外形和尺寸如图b.6所示： 图b.6接头与后端盖的连接配合方式为过渡配合。接头上的法兰具有防止转动的功能。法兰的与端盖连接方式为M2螺钉连接。具体如图b.7所示： 图b.7b.4 整体的各个部件之间的装配如图b.8所示，或者cad图： 图6.8C 机

12、械本体的维护与故障处理。C.1安装维护位移传感器在正常工作时不需要什么维护工作，只需定期清除表面尘土，及给导轨和滑槽添加少量润滑油。由于该传感器工作频繁，测头易磨损导致精度下降，应及时观察其工作状态，必要时予以更换。不能在高温，或者高震荡的环境中使用，由于大部分电路不防水，亦不能在湿度过高或水中使用。C.2 常见故障C.21 此传感器常见故障为位移测量不准。原因为球体的磨损。或者半导体激光器的位置没有调整好。C.22 长时间使用以后分辨率会有微小的变化.原因为球体的磨损。C.23球体不转动。球体的润滑出现问题。C.24零点复位出现严重的问题。原因是弹簧的损坏或者老化。C.4 注意事项：C.41

13、所有装配部位的加工尺寸及公差要严格控制。C.42在各个电路板的定位要准确，不能松动。C.43在使用中注意传感器的有效测量范围，在测量时应将被测物体至于测量范围之内。 c.44定期检测各个部件是否老化，损坏。d 位移传感器的主要特征参数 线性精度：直线性误差，此参数越小越好。 寿命：导电塑料位移传感器都在200万次以上。 重复精度：此参数越小越好 分辨率 ：位移传感器所能反馈的最小位移数值，此参数越小越好。 e 位移传感器的使用方法 一般采用给位移传感器加上一个电压，利用其优良的平滑性，来检测输出电压的分压比。 第三章 电路设计在前面的设计中已经介绍了电路部分的总体设计放大电路，AD转换器，ST

14、M32F103微控制器，RS-485接口及与其对应的接口电路。1、PSD介绍及电路 PSD（Position Sensitive Detectors）是一种能测量光点在探测器表面上连续位置的光学探测器。PSD 由P衬底、PIN 光电二极管及表面电阻组成。与CCD 探测器相比，PSD 有诸多优点，如位置分辨率高，响应速度快和处理电路简单等。另外，位置信号与落在探测器上的光斑形状无关。特点位置分辨率高 光谱响应宽响应速度快 位置和光强同时测量不受光斑的约束可靠性高应用范围光学位置和角度的探测光学遥测系统位移和振动测量激光对中和准直距离测试人类运动姿态分析工作原理与 PSD 特点1 结构 PSD 由

15、在平面硅衬底上的三层组成：P型层在表面，N 型层在另一面，I层在它们中间。落在PSD 上的入射光转换成光电子后由P型层上，两端电极探测并形成光电流。2 原理当一束光落在PSD 上，相应于光能量的电荷在入射点产生，电荷通过P型电阻层被电极收集。P 型层是均匀一体的电阻层，被电极收集到的光电流与入射点和电极间距成反比。由此可得出如下公式：I1 和I2 是电极的光电流，L和I0 分别代表电极间距和总光电流。 原理电路 经过对比参数，我们小组最终选择了上海欧光的HY0202（2D-PSD）型的PSD有效光敏面15×15mm 分辨率 1m光谱响应范围3801100nm 响应时间0.8s工作温度

16、-1060 2、放大电路设计 根据PSD电路原理图本次采用运用最简单的运算放大电路，采用两次反相输入将PSD中的电流信号放大时从正向 反向 正向的变换。从而将电路放大了2次。 运算放大原理图 设计放大电路图3、 A/D转换器的选择与设计电路在我们所测控的信号中均是连续变化的物理量，通常需要用计算机对这些信号进行处理，则需要将其转换成数字量，A/D转换器就是为了将连续变化的模拟量转换成计算机能接受的数字量根据A/D转换器的工作原理，常用的A/D转换器分为2种，双积分式A/D转换器和逐次逼近式的AD转换器。随着信息技术和计算机技术的高速发展，数字信号处理技术已逐渐成为一门主流技术，并在许多领域得到

17、广泛应用。再加上光纤通信技术和传感技术的日趋成熟完善，使得研制新型的电力互感器成为可能。在本次设计系统中，为了将模拟量转换为数字量，采用的是电子式互感器是一种利用现代数字处理和光纤通信技术来实现电力系统电压、电流测量和保护的新型互感器装置。ADS8344是TI公司生产的8通道、16位、高精度、低功耗A/D转换芯片。TMS320LC545是TI公司生产的16位、低功耗、高速DSP芯片。 3.1、电子式互感器高压侧数据处理系统电子式互感器高压侧数据处理系统主要由信号预处理、A/D转换、DSP主控和E/O转换四部分组成。信号预处理部分接收各种传感头测量的模拟信号并对其进行一些预处理。比如：Rogow

18、ski线圈感应的电动势需经一积分器变换成与一次电流同相位成正比的电压信号;传感头测量的模拟信号必须经过调压，且要考虑一定的裕度，使其符合A/D芯片模拟通道的允许输入范围。A/D转换部分主要是在DSP主控芯片的控制下实时将模拟信号变换成数字信号。E/O转换部分是将数字信号经过调制变成光脉冲信号，然后由光纤传输到低压侧。 3.2、 ADS8344的主要特点3.2.1、 ADS8344的结构特点ADS8344是一个高速、低功耗、16位逐次逼近型ADC，采用2.7V至5V单电源供电，最大采样速率为100kHz，信噪比达84dB?带有串行接口，它包含8个单端模拟输入通道(CH0CH7)?也可合成为4个差

19、分输入。100kHz时的典型功耗为10mV。参考电压VREF的范围从500mV到VCC，相应的每个模拟通道的输入从0V到VREF。自带采样/保持功能，采用20引脚QSDP封装或20引脚SSOP封装，工作温度范围为-40+85。该芯片适合应用在电池供电系统(如个人数字助理、移动通信)和测试装置中。主要由多路转换开关、采样/保持器、参考电压、A/D转换器、比较器、控制逻辑电路和逐次逼近寄存器(SAR)等部分组成，其内部结构原理如图1所示。3.2.2、 ADS8344的引脚排列及说明 ADS8344的引脚排列如图2所示，各引脚说明如下：CH0CH7：模拟输入通道的输入端，8个单端模拟输入通道可合用为

20、双端差分输入，所有通道的输入范围从0V到+VREF，未用的输入通道应接GND以避免噪声输入。COM：模拟输入的参考地，单端输入通道的零地位点，直接接地或接地电位参考点。SHDN：掉电控制位，当为低时，芯片切换到低功耗掉电模式。+VCC：电源输入端，范围为+2.7V+5V。DOUT：串行数据输出端，在DCLK的下降沿时数据输出，当CS为高时，输出为高阻态。DIN：串行数据输入端，当CS为低时，数据在DCLK的上升沿被锁存。DCLK：外部时钟输入端，该外部时钟决定了芯片的转换率(fDCLK=24fSAMPLE)。CS：片选端，为低电平时，选中该芯片。GND：参考地。VREF：参考电源输入端。BUS

21、Y：模数转换状态输出引脚。当进行模数转换时，该引脚输出低电平，当BUSY端产生一下降沿时，表示模数转换结束，数据输出有效。3.3、 ADS8344的工作特点ADS8344的控制寄存器是一个8位只写寄存器，数据从DIN引脚输入，当微机读取完上次转换结果时，下一个转换通道的控制字节就写到了DIN引脚，需要8个DCLK时钟才能将完整的控制信息写到控制寄存器。控制寄存器各位功能说明如下：S：控制字节的开始位，为高时才表示输入的字节有效。A2A0：模拟输入通道选择位。SGL/DIF：模拟通道输入方式选择位。当为高时，为单端输入;为低时，为双端差分输入。PD1PD0：功率管理选择位。 图联ADS8344接

22、线路图4、 控制处理电路 本设计由于要同时处理5个通道的数据，所以，经过比较对比选择较为新的处理器，STM32F10332位基于ARM核心的带128K字节闪存的微控制器。4.1、STM32F103的功能简介 内核：ARM 32位的Cortex-M3 CPU 最高72MHz工作频率，在存储器的0等待周 期访问时可达1.25DMips/MHz(Dhrystone2.1) 单周期乘法和硬件除法 存储器 从64K或128K字节的闪存程序存储器 高达20K字节的SRAM 时钟、复位和电源管理 2.03.6伏供电和I/O引脚 上电/断电复位(POR/PDR)、可编程电压监测器(PVD) 416MHz晶体振

23、荡器 内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器 内嵌带校准的40kHz的RC振荡器 产生CPU时钟的PLL 带校准功能的32kHz RTC振荡器 低功耗 睡眠、停机和待机模式 VBAT为RTC和后备寄存器供电 2个12位模数转换器，1s转换时间(多达16个输入通道) 转换范围：0至3.6V 双采样和保持功能 温度传感器 DMA： 7通道DMA控制器 支持的外设：定时器、ADC、SPI、I2C和USART 多达80个快速I/O端口 26/37/51/80个I/O口，所有I/O口可以映像到16个外部中断；几乎所有端口均可容忍5V信号。 调试模式 串行单线调试(SWD)和JTAG接口 多达7个定时器 3

24、个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入 1个16位带死区控制和紧急刹车，用于电机控制的PWM高级控制定时器 2个看门狗定时器(独立的和窗口型的) 系统时间定时器：24位自减型计数器 多达9个通信接口 多达2个I2C接口(支持SMBus/PMBus) 多达3个USART接口(支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和调制解调控制) 多达2个SPI接口(18M位/秒) CAN接口(2.0B 主动) USB 2.0全速接口 CRC计算单元，96位的芯片唯一代码4.2、管脚图 由于功能较多，本次设计之涉及部分电路，所以采用48管脚的分布图

25、。5、 接口电路 在实际应用中，输入输出因为外设的原因比如说种类、速度的差异、信号类型和电平都是很复杂的，任何外设都不能和系统总线直接连接，在两者之间必须有一个专门的接口电路。 本次设计采用的是RS-485接口电路，RS-485接口芯片已广泛应用于工业控制、仪器、仪表、多媒体网络、机电一体化产品等诸多领域。可用于RS-485接口的芯片种类也越来越多。5.1、 RS-485接口标准 传输方式：差分传输介质：双绞线标准节点数：32最远通信距离：1200m   共模电压最大、最小值：+12V；-7V差分输入范围：-7V+12V接收器输入灵敏度：±200mV接收器输入阻抗：12k5

26、.2、接口电路图6、 稳压电路设计 本次设计中需要采用不同的恒流源，进行稳压，使各个线路处于正常工作状态。所以采用了2个稳压电路78L05和L11176.1、稳压电路的简介 78L05:CYT78L05 是一颗三端稳压电源调整器。CYT78L05 能被用作齐纳二极管/电阻器组合替换。它提供二个数量级的有效的产品改善阻抗,低静态电流。这些特性使稳压器可以给本机或板卡稳压提供一个很好的解决噪声干扰问题的方案。CYT78L05 提供一个极好计算机主板立体声电源解决方案。主要特点:􀁺 输出电流可达150mA。􀁺 输出电压5.0V。􀁺 输出精度可达&

27、#177;4%。􀁺 简单的外围电路。􀁺 静电防护ESD可达2.7KVLM1117:6.2稳压电路设计 自己设计的电路图 四 小 结 两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础通过这次课程设计，本人在多方面都有所提高。通过这次课程设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次理论与实际训练