位移測量裝置指導(dǎo)教師：田?？店爢T及年級：丁志濤

肖斌許棟（2005級）學(xué)校及院系：武漢科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院摘要本系統(tǒng)是利用差動變壓器完成微小位移的測量，它以單片機C8051f020作為電機控制和數(shù)據(jù)處理的中心。系統(tǒng)包括正弦信號激勵源、差動變壓器、信號測量與數(shù)據(jù)采集、位移控制等四個部分。位移量通過LCD顯示，并實現(xiàn)了語言報數(shù)功能。軟件設(shè)計采用了PID調(diào)節(jié)、平均值濾波修正等算法。測試結(jié)果表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測控精度高，完全滿足題目的要求。AbstractThissystemusesdifferentialtransformertocompletethesmalldisplacementmeasurement,whichusetheC8051f020MCUtocontrolthemotor，alsouseitasthedataprocessingcenter.Thesystemincludesincentivessinesignalsource,differentialtransformer,signalmeasurementanddataacquisition,displacementcontrol.ThedisplacementisdisplayedbyLCDaswellasautomaticallyreportedbyvoice.SoftwaredesignutilizesPIDalgorithmadjustment,andusethefilteraveragetoamend.Testresultsshowthatthesystemisstableandhigh-precision,whichcompletelysatisfytherequirementsofthetitle.一、系統(tǒng)方案設(shè)計與論證要實現(xiàn)滿足題目要求的位移測量需要解決以下幾個方面的問題：一是正弦信號激勵源；二是差動變壓器的設(shè)計；三是數(shù)據(jù)采集電路和電機的控制。其中的關(guān)鍵是在差動變壓器的設(shè)計上，其對稱性、線性度將直接關(guān)系到位移測量的誤差。1.差動變壓器原理圖1.1

螺線管式差動變壓器示意圖當(dāng)磁棒上下移動，差動變壓器的電感量就會隨之變化。對于螺線管，其電感量為：L0μ

0

n

2

sl,，當(dāng)插入磁棒后，電感量為:Lμ0μrn

2

s?lμ

0

n

2

s(l??l)μ

0

n

2

0r

2所以，電感量的變化量?L

L?L0μ0(μ

r

2的變化量?L與鐵磁棒的位移?l成正比。故有：UaU0

L?L2L0UbU0

L??L3L0

,

L解得，?L02

Ua?UbUaUb

kd，L2L3L0UaUbU0即位移量?l與d值成正比。然而實際上由于線圈和鐵磁棒不是理想的均勻和對稱，二者間的不可能完全是線性關(guān)系。為減小誤差，需要在軟件設(shè)計中采取查表運算，然后在小區(qū)間內(nèi)做線性擬合，以達到更高的精確度。2.激勵電路激勵源包括正弦信號發(fā)生器和差動放大器兩個部分：差動放大部分：考慮到正弦信號經(jīng)過變壓器耦合之后的信號大小與加在變壓器原邊的輸入信號的電流大小有關(guān)，要求運放的輸出電流較大，而且信號是通過變壓器直接耦合到變壓器副邊，所以這里應(yīng)該采用差動放大器且該放大器輸出電流較大。THS4503是TI公司的寬帶、低失調(diào)全差動放大器，輸出電流最小為100mA，在放大倍數(shù)為5的時候其帶寬可以達到60MHz。因此THS4503既可以滿足100KHz的不失真放大，又有足夠的驅(qū)動能力驅(qū)動線圈。正弦信號發(fā)生器：方案一：使用分立元件，如RC橋式正弦波振蕩器，LC正弦波振蕩器，晶體振蕩器等。RC、LC振蕩電路電阻、電容以及電感不易達到精準的匹配，而且受制作工藝的影響，精確度較難保證。方案二：直接數(shù)字頻率合成（DDS）。利用DDS專用芯片或是利用FPGA合成DDS的方法。利用DDS芯片或是FPGA合成DDS可以達到很高的精度，完全可以達到題目的要求，但硬件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本較高。方案三：使用集成函數(shù)信號發(fā)生器芯片MAX038。MAX038是一款高精度，高頻的波形發(fā)生器，能產(chǎn)生鋸齒波、方波、正弦波，輸出頻率范圍為0.1~20MHZ，輸出波形比較穩(wěn)定，硬件設(shè)計簡單可靠。綜上所述，正弦信號發(fā)生器采用方案三，使用MAX038產(chǎn)生100KHz的正弦波。3.測量電路測量電路包括放大整流濾波電路和AD轉(zhuǎn)換電路：a.放大部分：考慮到經(jīng)過變壓器耦合之后得到的信號幅值較小，直接進行精密整流誤差會比較大，所以這里應(yīng)該對信號進行進一步的放大。為抑制噪聲干擾，提高共模抑制比，放大部分可采用儀表放大器。INA128是TI公司生產(chǎn)的精密儀slμ(μ?1)nsslμ(μ?1)ns?l?1)ns?lk?l，即電感量表放大器，帶寬較高，失調(diào)電壓小，共模抑制比高，有利于減小電路的噪聲信號，可以進一步提高系統(tǒng)的測量精度。所以采用了INA128作為后端信號處理的器件。b.整流濾波部分：方案一：橋式整流電路。該電路經(jīng)濾波處理后也可以得到直流信號，但對于本題目而言，紋波電壓比較大，達不到測量精度的要求。方案二：采用相敏檢波電路。相敏檢波電路可以很好的反應(yīng)磁鐵的位移的方向。但相敏檢波的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要用到變壓器耦合和參考信號。方案三：利用精密全波整流和RC無源濾波。利用快恢復(fù)二極管和高精度放大器做的精密全波整流可以滿足題目的要求，而且誤差也比較小。由以上討論，信號測量部分采用方案三來實現(xiàn)。由于題中要求處理的信號為100KHz，對運放的要求較高，為了達到較好的整流效果，需要選用帶寬和速度都較高的運放。OPA606是TI公司生產(chǎn)的寬帶放大器，帶寬可達13M，壓擺率為35V/us。綜合考慮，選擇TI公司生產(chǎn)的OPA606完全可以滿足題目中的各項要求，所以采用OPA606作為精密整流的運放。c．AD采樣部分：選用TI公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8326和精密基準源REF02共同構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?？紤]到本設(shè)計是針對小位移的測量，AD轉(zhuǎn)換器的精度直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的測量精度。我們考慮選擇精度為16位的AD轉(zhuǎn)換器來進一步提高位移測量的精度。ADS8326是TI公司的16位串行高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度快，線性度好，精度高，且參考電壓輸入范圍寬。REF02是TI公司生產(chǎn)的+5V精密基準源，高線性度，低噪聲，低漂移，完全可以滿足題目中的各項要求。由ADS8326和REF02所組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完全可以將整個位移測量系統(tǒng)的精度提高，從而實現(xiàn)精密測量。二、硬件系統(tǒng)1、系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示：圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2、激勵源a.正弦信號發(fā)生器：由MAX038以及外圍電路組成。由MAX038產(chǎn)生峰峰值為2V、頻率為100KHz的正弦波，輸出波形穩(wěn)定不失真，電路圖如圖2.2所示：圖2.2正弦信號發(fā)生器其中：f0

22.5VRINCF

100KHz

這里取C=0.1uF，則R=500Ω。b.差動放大器：THS4503既可以滿足100KHz的不失真放大，又有足夠的驅(qū)動能力驅(qū)動線圈。其電路圖如圖2.3所示：圖2.3THS4503原理圖其中VOUTVOUT?VOUT

1?2

（VIN?VIN）則AG

1?2

=

RF2RG

，其中

RGRGRF

,為了滿足變壓器的次級輸出的要求，這里選擇AG4。R=1.5K，R=12K。其中V接地。3、線性可變差動變壓器由于THS4503的輸出電流達到100mA，而電壓為4V，信號頻率100KHz，這里我們選用漆包線的直徑為0.17mm，匝數(shù)比為L1:L2:L3=2:1:1；原邊線圈為580匝，兩個副邊線圈為290匝。為了使此位移測量裝置有較好的線性度，一般取線圈骨架長度為測量范圍的4~10倍，但受手工制作的限制，我們只取120mm。線圈的繞法是在骨架上面先繞原邊，以原邊的中心為對稱點，分別繞在原邊的正上方，兩個次級的匝數(shù)相同繞線方向相反，且盡量在結(jié)構(gòu)上對稱?？紤]到磁芯在以中心點左右移動時必須保證磁芯兩端在最大位移時不超過中心點，磁芯長度比測量范圍略大，取42mm長。4、測量電路a、放大整流濾波部分：⑴放大電路放大電路由TI公司的INA128組成，為了提高位移測量系統(tǒng)的靈敏度，設(shè)定INA128的放大倍數(shù)為10，其電路如圖2.4所示：圖2.4

信號放大電路⑵精密全波整流精密全波整流由兩片TI公司的OPA606組成，經(jīng)測量輸出信號波形比較穩(wěn)定，干擾很小，輸出經(jīng)過電容濾波后紋波電壓在2mV以內(nèi)。電路如圖2.5。圖2.5精密全波整流電路⑶濾波電路經(jīng)精密全波整流出來后的波形直接采用無源的RC電路對整流后的波形進行濾波，進一步減少了干擾。原理圖見附件1：b、數(shù)據(jù)采集控制：⑴數(shù)據(jù)采集電路此電路采用TI公司的ADS8326，電路如圖2.6。圖2.6

AD轉(zhuǎn)換電路⑵數(shù)據(jù)處理和電機控制該部分是由C8051f020最小系統(tǒng)、AD采樣、電機驅(qū)動三個電路模塊共同構(gòu)成的電機閉環(huán)控制系統(tǒng)，并經(jīng)PID算法進行控制。電機的驅(qū)動是通過PWM電路（如圖2.7）和驅(qū)動芯片L298來實現(xiàn)的。單片機通過變壓器輸出的電壓值計算出磁棒移動的距離，并以此來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向，使磁棒移動到指定的位置，而磁棒的移動又改變了變壓器輸出的電壓值，由此形成了一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)。圖2.7

PWM控制電路圖c、位移測量的數(shù)據(jù)計算：設(shè)經(jīng)AD采樣得L2、L3的輸出電壓分別為V2、V3，則d

V2?V3V2V3這里的d與磁棒的位移量成一定的線性關(guān)系d=Ax(A為常數(shù))，為簡化系統(tǒng)的設(shè)計，我們直接采用實測的方式來確定。通過比較V，V的大小可判斷磁棒的位移方向，從而也可以控制電機的運動方向。5、硬件設(shè)計注意事項：電路在設(shè)計之初，便考慮到抗干擾措施，從元件布局到安裝，均遵循電磁兼容理論，并結(jié)合學(xué)習(xí)和試驗中積累的經(jīng)驗，設(shè)置了以下幾項抗干擾措施：a：在線路板上多處加裝退耦電容，對高頻和低頻干擾信號均具有很強的抑制能力。b：信號線與地線分開，盡量避免交叉連接。另外，電源線應(yīng)該盡量選擇粗一點的導(dǎo)線，并采用單點接地的方式，即每個芯片的地線單獨用一根線連到電源地上，這樣有效的減小了噪聲干擾。c：選用的數(shù)字器件全部為CMOS集成電路，噪聲容限大，抗干擾能力強。三、系統(tǒng)軟件設(shè)計a．軟件設(shè)計流程圖：圖3.1系統(tǒng)程序流程圖b.軟件設(shè)計說明：為了使得AD在采集A路電壓和B路電壓時的準確性，可在軟件中用軟件濾波的方法來減少AD采集電壓時的誤差，即每次在測量A路和B路電壓時，通過多次采樣取平均來實現(xiàn)。試驗也表明這種方法可以有效的減少測量電壓的誤差。另外，為了使電機的控制更加靈活和平穩(wěn)，電機帶動產(chǎn)生位移量變化的大小與誤差采用了簡單的PID算法來控制，即電機每移動一下，就測量一下當(dāng)前位移，并與設(shè)定的位移相比較，如果超過了就改變移動的方向，如果還沒有到達就繼續(xù)向前移動，直到達到設(shè)定的位移為止。四、系統(tǒng)測試1.所用儀器和測量工具穩(wěn)壓電源SG1732SC3A，交流毫伏表WY2294，信號發(fā)生器GFG-8255A，毫米卷尺，60M數(shù)字示波器TDS1002。2.調(diào)試方法和過程采用先分別調(diào)試再進行整體調(diào)試的方法，以提高調(diào)試效率。各個模塊調(diào)試如下：a.MAX038正弦信號發(fā)生器：上電后觀察輸出信號波形的失真度和頻率的穩(wěn)定度。通過MAX038電路的頻率調(diào)節(jié)電位器使頻率為100KHz。經(jīng)測量觀察輸出的波形很穩(wěn)定，失真度也很小。b.THS4503差動輸出：用信號發(fā)生器輸入Vpp為1V，頻率為100KHz的正弦信號，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，使其電壓為4V，即得增益為4。c.變壓器調(diào)零：目的是消除零點殘余電壓，除了設(shè)計工藝的精細外也可以采用拆圈的方法，以及電路補償。這里我們直接用電位器調(diào)節(jié)，電路如圖4.1。圖4.1變壓器調(diào)零電路d.放大整流濾波電路：用信號發(fā)生器輸入Vpp為2V，100KHz的正弦信號，用交流毫伏表測量輸出電壓的噪聲信號。經(jīng)測量噪聲信號在2mV以下。3.測量數(shù)據(jù)和誤差分析：a、位移的測量系統(tǒng)整體調(diào)試好后，用手撥動電機的轉(zhuǎn)軸，使磁鐵移動一定的距離，并記錄下此時顯示的位移量：表1位移的測量分析：由數(shù)據(jù)可知，在0點位移附近誤差很小，直到磁鐵運動到兩端的時候誤差變大，最大為0.5mm，這是受變壓器邊緣效應(yīng)的影響。但誤差仍然遠小于題目要求的2mm。b、位移的控制系統(tǒng)調(diào)試好后，通過鍵盤設(shè)定磁棒的位移量，讓磁棒在電機的控制下移動，直到電機停止。記錄下此時的實際位移量：表2位移的控制分析：設(shè)定與實測誤差最大為0.5mm，平均誤差為0.17mm。完全滿足題目要求。誤差主要來源于外部干擾，線圈的邊緣效應(yīng)和讀數(shù)產(chǎn)生的誤差。-20-18-12-8-4-20-18-12-8-4048121820-20.4-18.2-12.0-8.0-4.004.08.012.018.320.50.40.20.00.00.00.00.00.00.00.30.5c、變壓器輸出檢測點C的波形系統(tǒng)上電后直接用數(shù)字示波器TDS100