畢業(yè)設(shè)計----電感式位移傳感器的設(shè)計

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）</b></p><p>　　題目：電感式傳感器測量電路設(shè)計</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要 …………………………………………………………………… 1</p><p>　　Abstract …………………………

2、…………………………………… 2 </p><p>　　1．緒論………………………………………………………………… 4</p><p><b>　　1．1 引言</b></p><p>　　1．2 傳感器介紹…………………………………………………………5</p><p>　　1．3 研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題………

3、…………………… 6</p><p>　　2．整體的方框圖與工作原理………………………………………… 8</p><p>　　3．各個單元電路的設(shè)計…………………………………………………8</p><p>　　3．1 8051單片機簡介…………………………………………………8</p><p>　　3．2 電感式位移傳感器的基本原理………………

4、…………………12</p><p>　　3．3 電感測頭的結(jié)構(gòu)…………………………………………………14</p><p>　　3．4 正弦波電路的設(shè)計………………………………………………14</p><p>　　3．5零點殘余電壓的調(diào)整……………………………………………16</p><p>　　3．6交流放大電路………………………………………

5、……………17</p><p>　　3．7相敏檢波電路……………………………………………………18</p><p>　　3．8 A/D轉(zhuǎn)換及顯示電路……………………………………………19</p><p><b>　　4．軟件部分的設(shè)計</b></p><p>　　4．1本系統(tǒng)設(shè)計的程序流程圖………………………………………

6、22</p><p>　　4．2單片機8051的C語言程序清單…………………………………22</p><p>　　4、致謝…………………………………………………………24</p><p>　　5、參考文獻……………………………………………………25</p><p><b>　　摘 要</b></p>

7、<p>　　隨著現(xiàn)代制造業(yè)的規(guī)模逐漸擴大，自動化程度愈來愈高。要保證產(chǎn)品質(zhì)量，對產(chǎn)品的檢測和質(zhì)量管理都提出了更高的要求。我們?yōu)榇艘O(shè)計一種精度的檢測位移的儀器。電感測微儀是一種分辨率極高、工作可靠、使用壽命很長的測量儀,應用于微位移測量已有比較長的歷史.國外生產(chǎn)的電感測微儀產(chǎn)品比較成熟,精度高、性能穩(wěn)定,但價格昂貴.國內(nèi)生產(chǎn)的電感測微儀存在漂移大、工作可靠性不高、高精度量程范圍小等問題,一直與國外的傳感器水平保持一定的差距.在

8、超精密加工技術(shù)迅猛發(fā)展的今天,這種測量精度越來越顯得不適應加工技術(shù)發(fā)展的需求.該文針對這些問題,對電感傳感器測量電路進行了一定的設(shè)計和改進.對電感測微儀的正弦波生成電路、交流放大電路、帶通濾波電路、相敏檢波電路等進行了分析和相應的設(shè)計。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 正弦波發(fā)生器，相敏檢波，零點殘余電壓。</p><p><b>　　ABSTRACT</b></

9、p><p>　　A New high piracies inductance sensor is developed. This sensor consist s of a high piracies inductance probe and signal processing circuit . The circuit adopt speak sampling technique and direct digita

10、l output interface to substitute the conventional phase frequency detection technique and analog output interface. The non2linearity is also decreased. In addition ,the circuit adopts frequency and ampli2</p><

11、p>　　tube stabilizing technique too. The accuracy and stability of the sensor circuits also increased greatly.</p><p>　　Key Words : inductance sensor, self-fixed amplitude circuit, digital phase sensitivit

12、y detection, digital filter, static testing</p><p><b>　　1． 緒 論</b></p><p><b>　　1.1引言</b></p><p>　　測量技術(shù)是實現(xiàn)超精加工的前提和基礎(chǔ)。精密加工和超精密加工過程中不僅要對工件和表面質(zhì)量進行檢驗，而且要檢驗加工設(shè)備和基礎(chǔ)

13、元部件的精度，如果沒有權(quán)威性的測控技術(shù)和儀器，就不能證實所達到的加工質(zhì)量。加工和檢測是不可分的，測量是對加工的支持，無論多么精密的加工，都必須用更為精密的測量技術(shù)作保障。因此，位移測量的精密和超精密測量已經(jīng)成為整個超精密加工體系中一項至為關(guān)鍵的技術(shù)。檢測技術(shù)和裝置是自動化系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。任何生產(chǎn)過程都可以看作是“物流”和“信息流”組合而成，反映物流的數(shù)量、狀態(tài)和趨向的信息流則是人們管理和控制物流的依據(jù)。人們?yōu)榱擞心康牡剡M行控制

14、，首先必須通過檢測獲取有關(guān)信息，然后才能進行分析判斷以便實現(xiàn)自動控制。所謂自動化，就是用各種技術(shù)工具與方法代替人來完成檢測、分析、判斷和控制工作。一個自動化系統(tǒng)通常由多個環(huán)節(jié)組成，分別完成信息獲取、信息轉(zhuǎn)換、信息處理、信息傳送及信息執(zhí)行等功能。在實現(xiàn)自動化的過程中，信息的獲取與轉(zhuǎn)換是極其重要的組成環(huán)節(jié)，只有精確及時地將被控對象的各項參數(shù)檢測出來并轉(zhuǎn)換成易于傳送和處理的信號，整個系統(tǒng)才能正常地工作。因此，自動檢測與轉(zhuǎn)換是自動化技術(shù)中不可缺

15、少</p><p><b>　　1.2傳感器介紹</b></p><p>　　傳感器是獲取被測量信息的元件，其質(zhì)量和性能的好壞直接影響到測量結(jié)果的可靠性和準確度，衡量其質(zhì)量的特性有許多，主要包括靜態(tài)和動態(tài)兩個方面。當被測量不隨時間變化或變化很慢時，可以認為輸入量和輸出量都和時間無關(guān)。表示它們之間關(guān)系的是一個不含時間變量的代數(shù)方程，在這種關(guān)系的基礎(chǔ)上確定的性能參數(shù)為靜態(tài)

16、特性；當被測量隨時間變化很快時，就必須考慮輸人量和輸出量之間的動態(tài)關(guān)系。這時，表示它們之間關(guān)系的是一個含有時間變量的微分方程，與被測量相對應的輸出響應特性稱為動態(tài)特性。</p><p>　　位移傳感器主要有以下幾種：電容式位移傳達室感器、差動式電感受式位移傳感器和電阻應變式位移傳感器一般用于小位移的測量（幾微米至毫米）；差動變壓器用于中等位移的測量，這種傳感器在工業(yè)測量中應用得最多；電阻電位器式傳感器適用于較大范

17、圍位移的測量，但精度不高；感應同步器、光柵、磁柵、激光位移傳感器等用于精密檢測系統(tǒng)的位移的測量，測量精度高（可達1pm )量程也可大到幾米。</p><p>　　電容式位移傳感器根據(jù)被測物體的位移變化轉(zhuǎn)換為電容變化的一種傳感器，一般用于高頻振動微小位移的測量，與電位式、電感式等多種位移傳感器相比，它的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單；能實現(xiàn)非接觸測量，只要極小的輸入力就能使支極板移動，并且在移動過程中沒有摩擦和反作用力；靈敏度高

18、、分辨力強，能敏感±0.01um甚至更小的位移；動態(tài)響應好；能在惡劣環(huán)境中（高、低溫，各種形式的輻射等）工作。但它也存在著一些缺點，主要是輸出特性的非線性和對絕緣電阻要求比較高，為了克服寄生電容的影響，降低電容的內(nèi)阻，要求對傳感器及輸出導線采取屏蔽措施和采用較高的電源頻率等。</p><p>　　光柵是一種新型的位移檢測元件，是把位移變?yōu)閿?shù)字量的位移-數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置。它主要用于高精度直線位移和角位移的數(shù)字

19、檢測系統(tǒng)。其測量精確度高（可達1um）光柵傳感器具有抗電磁干擾、耐久性好、準分布式傳感、絕對測量、尺寸小、靈敏度高、精度高、頻帶寬、信噪比高等優(yōu)點，是結(jié)構(gòu)局部健康監(jiān)測最理想的智能傳感元件之一，可以直接或間接（通過某種封裝或靈巧裝置）監(jiān)測應變、溫度、裂縫、位移、振動、腐蝕、應力等物理量，部分取代傳統(tǒng)的測試手段，廣泛用于土木工程、航空航天工業(yè)、船舶工業(yè)、電力工業(yè)、石油化工、核工業(yè)、醫(yī)學等領(lǐng)域。</p><p>　　電

20、感式位移傳感器是把被測移量轉(zhuǎn)換為線圈的自感或互感的變化，從而實現(xiàn)位移的測量的一類傳感器。它具有靈敏度高、分辨力大，能測出±0.1um甚至更小的線性位移變化和0.1度的角位移,輸出信號比較大,電壓靈敏度一般每毫米可達幾百毫伏,因此有利于信號的傳輸.測量范圍為±25um-50mm,測量精度與電容式位移傳達室感器差不多,但是它的頻率響應較低,不宜于高頻動態(tài)測量。</p><p>　　1.3研究的基本

21、內(nèi)容，擬解決的主要問題：</p><p>　　該智能電感測微儀的硬件電路主要包括電感式傳感器、正弦波振蕩器、放大器、相敏檢波器及單片機系統(tǒng)。正弦波振蕩器為電感式傳感器和相敏檢波器提供了頻率和幅值穩(wěn)定的激勵電壓，正弦波振蕩器輸出的信號加到測量頭中。工件的微小位移經(jīng)電感式傳感器的測頭帶動兩線圈內(nèi)銜鐵移動，使兩線圈內(nèi)的電感量發(fā)生相對的變化。當銜鐵處于兩線圈的中間位置時，兩線圈的電感量相等，電橋平衡。當測頭帶動銜鐵上下移

22、動時，若上線圈的電感量增加，下線圈的電感量則減少；若上線圈的電感量減少，下線圈的電感量則增加。交流阻抗相應地變化，電橋失去平衡從而輸出了一個幅值與位移成正比，頻率與振蕩器頻率相同，相位與位移方向相對應的調(diào)制信號。此信號經(jīng)放大，由相敏檢波器鑒出極性，得到一個與銜鐵位移相對應的直流電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器輸入到單片機，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理進行顯示。電感式傳感器測位移時，由于線圈中的電流不為零，因而銜鐵始終承受電磁吸力，會引起附加誤差，而且非線性誤差

23、較大；另外，外界的干擾(如電源電壓頻率的變化，溫度的變化)也會使輸出產(chǎn)生誤差。所以在實際工作中常采用差動形式，這樣既可以提高傳感器的靈敏度，又可以減小測量誤差。兩個完全相同的單個線圈的電感式</p><p>　　2．整體的方框圖與工作原理 </p><p>　　電感式位移傳感器元件由靜止的螺管線圈和可在線圈上移動的銜鐵測頭組成,它依據(jù)電磁感應原理工作.當線圈由高頻電源驅(qū)動時,其兩路引出端將

24、輸出兩個感應電勢,這些信號經(jīng)信號檢出電路綜合后,形成在幅值及相位上隨測頭位置而變的電壓信號,代表了位移量的大小和方向.此信號再經(jīng)放大、濾波及整形等初步調(diào)理后，由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為對應的數(shù)字量送入微控制器。微控制器對它進行信號處理、存儲以及顯示，獲得較高精度的測量結(jié)果，然后按系統(tǒng)組成態(tài)設(shè)定的輸出方式，以要求的信號形式將測量結(jié)果輸出。系統(tǒng)的整體方框圖如圖2所示。</p><p>　　圖1系統(tǒng)的整體方框圖</p&

25、gt;<p>　　3．各個單元電路的設(shè)計</p><p>　　3．1 8051單片機簡介</p><p>　　目前，8051單片機在工業(yè)檢測領(lǐng)域中得到了廣泛的應用，因此我們可以在許多單片機應用領(lǐng)域中，配接各種類型的語音接口，構(gòu)成具有合成語音輸出能力的綜合應用系統(tǒng)，以增強人機對話的功能。89C51是Intel公司生產(chǎn)的一種單片機，在一小塊芯片上集成了一個微型計算機的各個組成部分

26、。每一個單片機包括：一個8位的微型處理器CPU；一個256K的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM；片內(nèi)程序存儲器ROM；四個8位并行的I/O接口P0-P3，每個接口既可以輸入，也可以輸出；兩個定時器/記數(shù)器；五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一個全雙工UART的串行I/O口；片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高允許振蕩頻率是12MHZ。以上各個部分通過內(nèi)部總線相連接。下面簡單介紹下其各個部分的功能。</p><p&

27、gt;　　中央處理器CPU是單片微型計算機的指揮、執(zhí)行中心，由它讀人用戶程序，并逐條執(zhí)</p><p>　　行指令，它是由8位算術(shù)／邏輯運算部件(簡稱ALu)、定時／控制部件，若干寄存器A、B、</p><p>　　B5w、5P以及16位程序計數(shù)器(Pc)和數(shù)據(jù)指針寄存器(DM)等主要部件組成。算術(shù)邏輯單元的硬件結(jié)構(gòu)與典型微型機相似。它具有對8位信息進行+、-、x、/ 四則運算和邏輯與、或

28、、異或、取反、清“0”等運算，并具有判跳、轉(zhuǎn)移、數(shù)據(jù)傳送等功能，此外還提供存放中間結(jié)果及常用數(shù)據(jù)寄存器?？刂破鞑考怯芍噶罴拇嫫?、程序計數(shù)器Pc、定時與控制電路等組成的。指令寄存器中存放指令代碼。枷執(zhí)行指令時，從程序存儲器中取來經(jīng)譯碼器譯碼后，根據(jù)不同指令由定時與控制電路發(fā)出相應的控制信號，送到存儲器、運算器或I／o接口電路，完成指令功能。程序計數(shù)器Pc 程序計數(shù)器Pc用來存放下一條將要執(zhí)行的指令，共16位．可對以K字節(jié)的程序存儲器直

29、接尋址c指令執(zhí)行結(jié)束后，Pc計數(shù)器自動增加，指向下一條要執(zhí)行的指令地址。</p><p>　　CPU功能，總的來說是以不同的方式，執(zhí)行各種指令。不同的指令其功自略異。有的指令涉及到枷各寄存器之間的關(guān)系；有的指令涉及到單片機核心電路內(nèi)部各功能部件的關(guān)</p><p>　　系；有的則與外部器件如外部程序存儲器發(fā)生聯(lián)系。事實上，cRJ是通過復雜的時序電路完</p><p>

30、;　　成不同的指令功能。所謂cRJ的時序是指控制器控照指今功能發(fā)出一系列在時間上有一定</p><p>　　次序的信號，控制和啟動一部分邏輯電路，完成某種操作。</p><p><b>　　一．時序</b></p><p>　　1．時鐘電路 8051片內(nèi)設(shè)有一個由反向放大器所構(gòu)成的振蕩電路，XTALI和XTAL2分別為振蕩電路的輸入端和輸出端

31、。時鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。采用內(nèi)部方式時，在C1和C2引腳上接石英晶體和微調(diào)電容可以構(gòu)成振蕩器， 振蕩頻率的選擇范圍為1．2—12MHZ在使用外部時鐘時，XTAL2用來輸入外部時鐘信號，而XTALI接地。</p><p>　　2．時序 MGL5l單片機的一個執(zhí)器周期由6個狀態(tài)(s1—s6)組成，每個狀態(tài)又持續(xù)2個接蕩周期，分為P1和P2兩個節(jié)拍。這樣，一個機器周期由12個振蕩周期組成。若采用12M

32、Hz的晶體振蕩器，則每個機器周期為1us，每個狀態(tài)周期為1／6us；在一數(shù)情況下，算術(shù)和邏輯操作發(fā)生在N期間，而內(nèi)部寄存器到寄存器的傳輸發(fā)生在P2期間。對于單周期指令，當指令操作碼讀人指令寄存器時，使從S1P2開始執(zhí)行指令。如果是雙字節(jié)指令，則在同一機器周期的s4讀人第二字節(jié)。若為單字節(jié)指令，則在51期間仍進行讀，但所讀入的字節(jié)操作碼被忽略，且程序計數(shù)據(jù)也不加1。在加結(jié)束時完成指令操作。多數(shù)Mcs—51指令周期為1—2個機器周期，只有乘

33、法和除法指令需要兩個以上機器周期的指令，它們需4個機器周期。 對于雙字節(jié)單機器指令，通常是在一個機器周期內(nèi)從程序存儲器中讀人兩個字節(jié)，但Movx指令例外，Movx指令是訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的單字節(jié)雙機器周期指令，在執(zhí)行Movx指令期間，外部數(shù)據(jù)存儲器被訪問且被選通時跳過兩次取指操作。</p><p><b>　　二．引腳極其功能</b></p><p>　　MCS—51

34、系列單片機的40個引腳中有2個專用于主電源引腳，2個外接晶振的引腳，4個控制或與其它電源復用的引腳，以及32條輸入輸出I/O引腳。</p><p>　　下面按引腳功能分為4個部分敘述個引腳的功能。</p><p>　　電源引腳Vcc和Vss</p><p>　　Vcc（40腳）：接+5V電源正端；</p><p>　　Vss（20腳）：接+5

35、V電源正端。</p><p>　　外接晶振引腳XTAL1和XTAL2</p><p>　　XTAL1（19腳）：接外部石英晶體的一端。在單片機內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成采用外部時鐘時，對于HMOS單片機，該引腳接地；對于CHOMS單片機，該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。</p><p>　　XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端。在單片機內(nèi)部

36、，接至片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸出端。當采用外部時鐘時，對于HMOS單片機，該引腳作為外部振蕩信號的輸入端。對于CHMOS芯片，該引腳懸空不接。</p><p>　　控制信號或與其它電源復用引腳</p><p>　　控制信號或與其它電源復用引腳有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4種形式。</p><p>　?。ˋ）．RST/VPD（9腳）：RST

37、即為RESET，VPD為備用電源，所以該引腳為單片機的上電復位或掉電保護端。當單片機振蕩器工作時，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個機器周期的高電平，就可實現(xiàn)復位操作，使單片機復位到初始狀態(tài)。</p><p>　　當VCC發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值或掉電時，該引腳可接上備用電源VPD（+5V）為內(nèi)部RAM供電，以保證RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。</p><p>　?。˙）．ALE/ P （30腳）：當訪問外

38、部存儲器時，ALE（允許地址鎖存信號）以每機器周期兩次的信號輸出，用于鎖存出現(xiàn)在P0口的低</p><p>　?。–）．PSEN(29腳):片外程序存儲器讀選通輸出端,低電平有效。當從外部程序存儲器讀取指令或常數(shù)期間，每個機器周期PESN兩次有效，以通過數(shù)據(jù)總線口讀回指令或常數(shù)。當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器期間，PESN信號將不出現(xiàn)。</p><p>　?。―）．EA/Vpp（31腳）：EA為訪問

39、外部程序儲器控制信號，低電平有效。當EA端保持高</p><p>　　電平時，單片機訪問片內(nèi)程序存儲器4KB（MS—52子系列為8KB）。若超出該范圍時，自動轉(zhuǎn)去執(zhí)行外部程序存儲器的程序。當EA端保持低電平時，無論片內(nèi)有無程序存儲器，均只訪問外部程序存儲器。對于片內(nèi)含有EPROM的單片機，在EPROM編程期間，該引腳用于接21V的編程電源Vpp。</p><p>　　4.輸入/輸出（I/O

40、）引腳P0口、P1口、P2口及P3口</p><p>　　(A).P0口（39腳～22腳）：P0.0～P0.7統(tǒng)稱為P0口。當不接外部存儲器與不擴展I/O接口時，它可作為準雙向8位輸入/輸出接口。當接有外部程序存儲器或擴展I/O口時，P0口為地址/數(shù)據(jù)分時復用口。它分時提供8位雙向數(shù)據(jù)總線。</p><p>　　對于片內(nèi)含有EPROM的單片機，當EPROM編程時，從P0口輸入指令字節(jié)，而當

41、檢驗程序時，則輸出指令字節(jié)。</p><p>　　(B).P1口（1腳～8腳）：P1.0～P1.7統(tǒng)稱為P1口，可作為準雙向I/O接口使用。對于MCS—52子系列單片機，P1.0和P1.1還有第2功能：P1.0口用作定時器/計數(shù)器2的計數(shù)脈沖輸入端T2；P1.1用作定時器/計數(shù)器2的外部控制端T2EX。對于EPROM編程和進行程序校驗時，P0口接收輸入的低8位地址。</p><p>　　(

42、C).P2口（21腳～28腳）：P2.0～P2.7統(tǒng)稱為P2口，一般可作為準雙向I/O接口。當接有外部程序存儲器或擴展I/O接口且尋址范圍超過256個字節(jié)時，P2口用于高8位地址總線送出高8位地址。對于EPROM編程和進行程序校驗時，P2口接收輸入的8位地址。</p><p>　　(D).P3口（10腳～17腳）：P3.0～P3.7統(tǒng)稱為P3口。它為雙功能口，可以作為一般的準雙向I/O接口，也可以將每1位用于第2

43、功能，而且P3口的每一條引腳均可獨立定義為第1功能的輸入輸出或第2功能。P3口的第2功能見下表</p><p>　　單片機P3.0管腳含義</p><p>　　綜上所述，MCS—51系列單片機的引腳作用可歸納為以下兩點：</p><p>　　1).單片機功能多，引腳數(shù)少，因而許多引腳具有第2功能；</p><p>　　2).單片機對外呈3總線

44、形式，由P2、P0口組成16位地址總線；由P0口分時復用作為數(shù)據(jù)總線。</p><p>　　3.2電感式位移傳感器的基本原理</p><p>　　根據(jù) 磁 路 的基本知識，線圈的自感可按下式計算</p><p><b>　　L=N2/Rm</b></p><p>　　其中N— 線圈的匝數(shù) ,Rm - 磁路總磁阻數(shù),在氣隙

45、厚度較小的情況下，可以認為磁場是均勻的，其中L為線圈自感，N為各 段 導 磁體的磁導率線圈的電感跟氣隙厚度、氣隙的面積、導磁體的長度等有關(guān)。根據(jù)改變空氣隙的厚度、空氣隙的面積、磁體的長度來實現(xiàn)電感的變化，從而實現(xiàn)測量的作原理，自感式電感傳感器可分為氣隙型、截面型、螺管型。</p><p>　　氣隙型傳感器靈敏度高，對后續(xù)測量電路的放大倍數(shù)要求低，它的缺點是非線性嚴重，為了限制非線性，示值范圍只能較小，由于銜鐵在運

46、動方向上受鐵心的限制，故自由行程小。截面型具有較好的線性，自由行程較大，制造裝配比較方便，但靈敏度較低。螺管型則結(jié)構(gòu)簡單，制造裝配容易:由于空氣隙大，磁路的磁阻高，因此靈敏度低，但線性范圍大;此外，螺管型還具有自由行程可任意安排、制造方便等優(yōu)點，在批量生產(chǎn)中的互換性較好，這給測量儀器的裝配、調(diào)試、使用帶來很大的方便，尤其在使用多個測微儀組合測量形狀的時候。因為螺管型的這些優(yōu)點，所以我們采用螺管型差動式電感測頭。</p>&

47、lt;p>　　圖為螺管型電感式傳感器的結(jié)構(gòu)圖。螺管型電感傳感器的銜鐵隨被測對象移動，線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化，線圈電感量也因此而變化。線圈電感量的大小與銜鐵插入線圈的深度有關(guān)。</p><p>　　設(shè)線圈長度為l、線圈的平均半徑為r、線圈的匝數(shù)為N、銜鐵進入線圈的長度la、銜鐵的半徑為ra、鐵心的有效磁導率為µm，則線圈的電感量L與銜鐵進入線圈的長度la的關(guān)系可表示為 </p>

48、<p>　　交流電橋是電感式傳感器的主要測量電路，它的作用是將線圈電感的變化轉(zhuǎn)換成電橋電路的電壓或電流輸出。</p><p>　　前面已提到差動式結(jié)構(gòu)可以提高靈敏度，改善線性，所以交流電橋也多采用雙臂工作形式。通常將傳感器作為電橋的兩個工作臂，電橋的平衡臂可以是純電阻，也可以是變壓器的二次側(cè)繞組或緊耦合電感線圈。圖二是交流電橋的幾種常用形式如圖3所示。 </p><p>　　電

49、阻平衡臂電橋如圖二a所示。Z1、Z2為傳感器阻抗。高;L1=L2=L;則有Z1=Z2=Z=R′+jwL,另有R1=R2=R。由于電橋工作臂是差動形式，則在工作時，Z1=Z+△Z和Z2=Z—△Z，當ZL→∞時，電橋的輸出電壓為</p><p>　　當ωL＞＞R’時，上式可近似為：

50、 </p><p>　　由上式可以看出：交流電橋的輸出電壓與傳感器線圈電感的相對變化量是成正比的。</p><p>　　變壓器式電橋如圖二b所示，它的平衡臂為變壓器的兩個二次側(cè)繞組，當負載阻抗無窮大時輸出電壓為： </p><p>　　由于是雙臂工作形式當銜鐵下移時，Z1=Z-

51、△Z，Z2=Z+△Z，則有： </p><p>　　同理，當銜鐵上移時，則有： </p><p>　　可見，輸出電壓反映了傳感器線圈阻抗的變化，由于是交流信號，還要經(jīng)過適當電路處理才能判別銜鐵位移的大小及方向。</p><p>　　3.3電感測頭的結(jié)構(gòu)</p><

52、;p>　　圖三是軸向式電感測頭的結(jié)構(gòu)圖。測頭10 用螺釘擰在測桿8 上,測桿8 可在鋼球?qū)к? 上作軸向移動。測桿上端固定著銜鐵3 。線圈4 放在圓筒形磁心2 中,兩線圈差動使用,當銜鐵過零點上移時,上線圈電感量增加,下線圈電感量減少。兩線圈輸出由引線1 接至測量電路。測量時,測頭10 與被測物體接觸,當被測物體有微小位移時,測頭通過測桿8 帶動銜鐵3 在電感線圈4 中移動,使線圈電感值變化,通過引線接入測量電路。彈簧5 產(chǎn)生的力

53、,保證測頭與被測物體有效地接觸。防轉(zhuǎn)銷6 限制測桿轉(zhuǎn)動,密封套9 防止灰塵進入傳感器內(nèi)部。</p><p>　　圖4 電感測頭結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.4正弦波發(fā)生電路的設(shè)計</p><p>　　我們設(shè)計及測試系統(tǒng)時，很多時侯需要正弦波信號 。在電感式位移傳感測量電路中，我們需要一個頻率和幅值都穩(wěn)定的電路，否則會造成測量不穩(wěn)定及很大的誤差。正弦波作為變壓器電橋

54、的橋源，其精度對電橋的輸出信號影響極大，對于其幅值和頻率的穩(wěn)定性都有很高的要求。由于傳感器的工作環(huán)境通常比較惡劣，竄入電源的隨機干擾不可避免，因此在電路設(shè)計中應該具有自動補償環(huán)節(jié)。</p><p>　　圖5 正弦波發(fā)生電路</p><p>　　由差動電感傳感器的幅頻特性可知，傳感器的頻率選在平坦區(qū)域偏高點(提高靈敏度)，頻率波動將有可能改變傳感器的工作點，引起幅值的變化。而圖2.16傳感

55、器的幅頗特性另一方面，電路總體設(shè)計要求實現(xiàn)峰一峰采樣，即采樣頻率和模擬信號頻率應保持嚴格的兩倍關(guān)系，這兩個信號頻率都由標準振蕩電路給出。顯然，任一個信號頻率的波動都會導致采不到峰值，帶來的測量誤差是很大的。所以對信號源頻率的要求特點是單一穩(wěn)定。對于頻率單一穩(wěn)定的信號發(fā)生，最理想的是石英晶體振蕩器，石英的物理特性十分穩(wěn)定，而且品質(zhì)因數(shù)高，選頻特性好，波形失真小，在-20º~60º的范圍內(nèi)其頻率的穩(wěn)定度可以達到10-7。

56、所以電路采用了由石英晶振和MC14060分頻器構(gòu)成信號源。石英 晶 體 振蕩器產(chǎn)生2.4576MHZ的穩(wěn)定方波信號，經(jīng)振蕩分頻器27，和28分頻后產(chǎn)生19.208KHZ和9.60 4KHZ的方波信號分別作為激勵信號和采樣的觸發(fā)信號實現(xiàn)峰一峰值采樣以及作為進入I/O作為讀取波峰、波谷的參考信號。</p><p>　　正弦波信號的幅值將直接影響傳感器的輸出，為保證正弦波信號幅值的穩(wěn)定性，在電路設(shè)計上采用了穩(wěn)幅電路進行

57、自動補償。穩(wěn)幅電路的基本思路是將輸出的變化量取出，補償?shù)捷斎攵恕．斴敵鲈龃髸r，補償?shù)淖饔檬秦摲答?，使輸入信號被減少，當輸出減少時，補償?shù)淖饔檬馆斎胄盘栐龃?，從而保持輸出不變。在實際的測試電路中，主要有直流比較（如圖6所示）和交流比較（如圖7所示）兩種典型電路。</p><p><b>　　圖6 直流比較</b></p><p><b>　　圖7 交流比較&l

58、t;/b></p><p>　　在圖五所示的直流比較電路中，輸出信號經(jīng)衰減和精密整流之后，與標準直流信號進行比較，誤差值經(jīng)放大后去控制乘法器的放大增益，從而改變放大電路的輸入幅度，使輸出穩(wěn)定。這種電路由于有積分環(huán)節(jié)，當標準信號與輸出有偏差時，通過積分最后消除輸出誤差，所以直流標準信號與交流輸出之間的線性極好，其缺點是對積分放大環(huán)節(jié)引起的波形失真沒有補償。</p><p>　　在圖六所

59、示的交流比較電路中，輸出的交流信號衰減后與給定的標準交流信號進行比較，誤差直接交流放大后與標準交流信號相加減，從而穩(wěn)定輸出。這種電路線路相對比較簡單，由于是交流瞬時值的比較，還可補償功率放大的波形失真，缺點是:標準交流信號與交流輸出信號之間有靜差，因此線性比較差。為保證正弦波的精度，我們選擇直流比較電路來提高波形精度。</p><p>　　3.5零點殘余電壓的調(diào)整</p><p>　　對于

60、 變 壓 器電橋，從理論上來說，當Z1=Z 2時，電橋平衡，輸出電壓為零，但實際制作時要滿足兩電感線圈的等效參數(shù)完全相等是很難達到的，因此，即便是銜鐵位于平衡位置時，仍然存在有一定的電壓輸出，稱為零點殘余電壓。</p><p>　　零點殘余電動勢的存在，使得傳感器的輸出特性在零點附近不靈敏，也對傳感器的線性度有一定的影響，給測量帶來誤差，此值的大小是衡量差動變壓器性能好壞的重要指標。 所以在對變壓器電橋的設(shè)計和制

61、作時有必要采用一定的措施。</p><p>　　差動變壓器的輸出特性曲線如圖八所示.圖中</p><p>　　E21、E22分別為兩個二次繞組的輸出感應電動勢，</p><p>　　E2為差動輸出電動勢x表示銜鐵偏離中心位置的距</p><p>　　離。其中E2的實線表示理想的輸出特性，而虛線</p><p>　　部分

62、表示實際的輸出特性。E0為零點殘余電動勢，</p><p>　　這是由于差動變壓器制作上的不對稱以及鐵心位</p><p><b>　　置等因素所贊成的。</b></p><p>　　為了減小零點殘余電動勢可采取以下方法：</p><p>　　1、  盡可能保證傳感器幾何尺寸、線圈電氣參數(shù)和磁路的對稱。磁性材料

63、要經(jīng)過處理，消除內(nèi)部的殘余應力，使其性能均勻穩(wěn)定。</p><p>　　2、 選用合適的測量電路，如采用相敏整流電路。既可判別銜鐵移動方向雙可改善輸出特性，減小零點殘余電動勢。</p><p>　　3、 采用補償線路減小零點殘余電動勢。在差動變壓器二次側(cè)串、并聯(lián)適當數(shù)值的電阻電容元件，當調(diào)整這些元件時，可使零點殘余電動勢減小。 </p><p><b

64、>　　3.6交流放大電路</b></p><p>　　在許多需要A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字采集的單片機系統(tǒng)中，很多情況下，傳感器輸出的模擬信號都很微弱，必須通過一個模擬放大器對其進行一定倍數(shù)的放大，才能滿足A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號電平的要求，這種情況下，就必須選擇一種符合要求的放大器。儀表器的選型很多，我們這里介紹一種用途非常廣泛的儀表放大器，其實就是典型的差動放大器。它只需三個廉價的普通運算放大器和幾只電

65、阻器，即可構(gòu)成性能優(yōu)越的儀表用放大器。</p><p>　　交流放大電路的誤差主要由于集成運放的輸入偏置電流、失調(diào)電流和失調(diào)電壓以及溫漂等參數(shù)不為零，電阻器阻值隨溫度的變化，外部電網(wǎng)電壓、溫度和負載電流的選擇運放和電阻器，合理地進行布線和安裝元器件，對運放仔細調(diào)零等。</p><p><b>　　圖10 放大電路</b></p><p><

66、;b>　　3．7相敏檢波電路</b></p><p>　　在精密測量中，進入測量電路的除了傳感器輸出的測量信號外，還往往有各種噪聲。而傳感器的輸出信號一般又很微弱，將測量信號從含有噪聲的信號中分離出來是測量電路的一項重要任務(wù)。為了便于區(qū)別信號與噪聲，往往給測量信號賦以一定特征，這就是調(diào)制的主要功用。在將測量信號調(diào)制，并將它和噪聲分離，再經(jīng)放大等處理后，還要從已經(jīng)調(diào)制的信號中提取反映被測量值的測量

67、信號，這一過程稱為解調(diào)。</p><p>　　通過調(diào)制，對測量信號賦以一定的特征，使已調(diào)信號的頻帶在以載波信號頻率為中心的很窄的范圍內(nèi)，而噪聲含有各種頻率，即近乎于白噪聲。這時可以利用選頻放大器、濾波器等，只讓以載波頻率為中心的一個很窄的頻帶內(nèi)的信號通過，就可以有效地抑制噪聲。采用載波頻率作為參考信號進行比較，也可抑制遠離參考頻率的各種噪聲。 </p><p>　　圖11是一個采用了帶相敏

68、整流的交流電橋。差動電感式傳感器的兩個線圈作為交流電橋相鄰的兩個工作臂，指示儀表是中心為零刻度的直流電壓表或數(shù)字電壓表。</p><p>　　圖11 帶相敏整流的交流電橋</p><p>　　設(shè)差動電感傳感器的線圈阻抗分別為Z1和Z2。當銜鐵處于中間位置時，Z1=Z2=Z，電橋處于平衡狀態(tài)，C點電位等于D點地位，電表指示為零。    當銜鐵上移，上

69、部線圈阻抗增大，Z1=Z+△Z，則下部線圈阻抗減少，Z2=Z-△Z。如果輸入交流電壓為正半周，則A點電位為正，B點電位為負，二極管V1、V4導通，V2、V3截止。在A-E-C-B支路中，C點電位由于Z1增大而比平衡時的C點電位降低；而在A-F-D-B支中中，D點電位由于Z2的降低而比平衡時D點的電位增高，所以D點電位高于C點電位，直流電壓表正向偏轉(zhuǎn)。    如果輸入交流電壓為負半周，A點電位為負

70、，B點電位為正，二極管V2、V3導通，V1、V4截止，則在A-F-C-B支中中，C點電位由于Z2減少而比平衡時降低（平衡時，輸入電壓若為負半周，即B點電位為正，A點電位為負，C點相對于B點為負電位，Z2減少時，C點電位更負）；而在A-E-D-B支路中，D點電位由于Z1的增加而比平衡時的電位增高，所以仍然是D點電位高于C點電位，電壓表正向偏轉(zhuǎn)。    同樣可以得出結(jié)果：當銜鐵下移時，電壓表總是反向

71、偏轉(zhuǎn)，輸出為負。    可見采用帶相敏</p><p>　　3．8 A/D轉(zhuǎn)換及顯示電路</p><p>　　在測量出信號之后送入單片機時要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器是測控系統(tǒng)中將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的重要器件。A/D轉(zhuǎn)換的技術(shù)主要有：計數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換；逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換；雙積分式A/D轉(zhuǎn)換；并行A/D、串/并行A/D轉(zhuǎn)換及V/F變換等。在這

72、些轉(zhuǎn)換中，主要區(qū)別是速度、精度和價格。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標有分辨率、量程、精度、轉(zhuǎn)換時間。分辨率它是表示轉(zhuǎn)換器對微小輸入量變化的敏感程度，通常用轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)來表示，目前常用芯片有8位、10位、12位、14位等。轉(zhuǎn)換時間是指從發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換命令到轉(zhuǎn)換結(jié)束獲得整個數(shù)字信號為止所需的時間間隔。我們常用的集成A/D芯片有ADC0809，它具有8路模擬量輸入，可在程序控制下對任意通道進行A/D轉(zhuǎn)換。本設(shè)計只有一路信號輸入，因此地址A

73、、B、C直接接地</p><p>　　圖12 ADC0809引腳圖</p><p>　　ADC0809外部引腳示于圖12，其引腳功能為：</p><p>　　IN7～IN0：8路模擬量輸入端，在多路開關(guān)控制下，任一時刻只能有一路模擬量實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。</p><p>　　A、B、C：多路開關(guān)地址選擇輸入端，當取值000～111時與A/D轉(zhuǎn)換對

74、應的通道為IN0～IN7。</p><p>　　ALE：地址鎖存輸入線，該信號的上升沿可將地址選擇信號A、B、C鎖入地址寄存器。</p><p>　　START：啟動轉(zhuǎn)換輸入線，其上升沿用以清除A/D內(nèi)部寄存器，其下降沿用以啟動內(nèi)部控制邏輯，開始A/D轉(zhuǎn)換工作。</p><p>　　EOC：轉(zhuǎn)換完畢輸出線，其上出現(xiàn)高電平時表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。</p>

75、<p>　　2-1～2-8（D7～D0）：為8位數(shù)據(jù)輸出端，可直接接入微型機的數(shù)據(jù)總路線。</p><p>　　OE：允許輸出控制端，高電平有效。低電平時，數(shù)據(jù)輸出端為高阻態(tài)；高電平時，將A/D轉(zhuǎn)換后幕的8位數(shù)據(jù)送出。</p><p>　　CLOCK：轉(zhuǎn)換定時脈沖輸入端。它的頻率決定了A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。使用頻率小于等于640KHz，對應轉(zhuǎn)換速度大于等于100us。</

76、p><p>　　Ref(+),ref(-)(VREF (+)和VREF(-))：是內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓輸入線。</p><p>　　VCC為+5V，GND為地。 </p><p>　　下圖為ADC0809與單片機的接口電路ADC0809與單片機的接口比較簡單，圖3.3為ADC0809與8031的典型接口電路。</p><p>　　

77、圖13中虛線為查詢連接方式，當系統(tǒng)主頻為6MHz時，ALE為1MHz，則應將其經(jīng)過2分頻后與ADC0809的CLOCK連接。</p><p>　　圖13 ADC0809與8051接口電路</p><p>　　ADC0809的啟動控制線START和A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)線EOC分別接P3.0和P3.1，采用位控方式工作。當系統(tǒng)主頻為6MHz時，ALE的頻率為1MHz，則需經(jīng)過二分頻變?yōu)?00KH

78、z才能向ADC0809提供CLOCK信號。上電后單片機將ADC0809采集的電壓經(jīng)轉(zhuǎn)換處理后送顯示電路。如圖14所示。</p><p><b>　　圖14 顯示電路</b></p><p><b>　　4．軟件部分的設(shè)計</b></p><p>　　4．1本系統(tǒng)設(shè)計的程序流程圖</p><p>&l

79、t;b>　　圖15 程序流程圖</b></p><p>　　4．2單片機8051的C語言程序清單</p><p>　　#include<reg52.h></p><p>　　#include<math.h></p><p>　　uchar code led[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0

80、,0x99,0x6d,</p><p>　　0x7d,0xf8,0x80,0x90,0x40,0x86,0x8c,0xff};</p><p>　　uchar dispsave[]={0,0,0,0,0,0};</p><p>　　sbit start=P2^0; //ADC0809的ALE和START信號控制 </p><p>

81、;　　sbit eoc=P1^0; //ADC0809的EOC控制線</p><p>　　initi(); </p><p><b>　　deal();</b></p><p><b>　　output();</b></p><p>　　//----------------

82、--------- 延時</p><p>　　delay(uchar x)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　while(x--);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　//---------------------

83、--- 主函數(shù)</p><p><b>　　main()</b></p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　initi();</b></p><p><b>　　while(1)</b></p><

84、p><b>　　{</b></p><p><b>　　deal();</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　//---------------------------- 初

85、始化</p><p><b>　　initi()</b></p><p>　　{ uchar i; </p><p><b>　　start=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　

86、//----------------------------- // 數(shù)據(jù)采集</p><p><b>　　deal()</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　start=1; //ADC0809清除內(nèi)部寄存器</p><p>　　start=0;

87、 //ADC0809開始轉(zhuǎn)換</p><p>　　while(eoc) //EOC=1表示轉(zhuǎn)換完畢，需存儲 </p><p>　　{for(i=0;i<=255;i++)</p><p>　　{dispsave1[i++];</p><p><b>　　output();</b></p><

88、p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　//----------------------------- // 顯示輸出</p><p><b>　　output()</b></p><p><

89、b>　　{</b></p><p><b>　　int m;</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　{for(m=0;m<=255;m++)</p><p>　　P0=led[dispsave1[m++]];</p><p&g

90、t;<b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：高教出版社,2000．</p><p>　　[2] 胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學出版社

91、，2001．</p><p>　　[3] 郁有文.傳感器原理及工程應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2003.</p><p>　　[4] 戚新波,范崢,陳學廣.高精度電感測微儀電路的設(shè)計[J].華北水利水電學院學報,2005,26(4).</p><p>　　[5] 洪小麗,戴一帆.改善電感測微儀電路精度的措施[J].國防科技大學學報,2003,25

92、(3)</p><p>　　[6] 張福學.傳感器實用電路150例[M].1993,5</p><p>　　[7] 彭軍.傳感器與檢測技術(shù)[M].2003,11</p><p>　　[8] 劉瑞新.單片機原理及應用教程[M]機械工業(yè)出版社,2004. </p><p>　　[9] 侯國章 趙學增 審編 測試與傳感技術(shù)[M] 哈

93、爾濱哈爾濱工業(yè)大學出版社 1998</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本論文是在譚竹梅教授的悉心指導和熱情關(guān)懷下完成的。譚老師淵博的學識、嚴峻的治學態(tài)度及隨和的為人之道給我留下了難以磨滅的印象，這將使我終身受益,同時，譚老師在生活上也給了我極大的鼓勵和幫助。為此，我要對他致以最衷心的感謝.在本科學習的四年中，我與同學建立了深厚的友誼，他們在