2023年位移测量装置_华中科技大学.doc

位移测量装置 (2023  ) ：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到达一定精 度的测量。本系统一大特色就是具有电机驱动局部，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, and with relevant analog circuits, the system can measure the displacement precisely. Main modules are Sine Wave Signal Source, Differential Amplification Circuit, LVDT, Rectifier, Filter and Analog-Digital Converter. Sine Wave Signal produced by a DDS chip is difference amplified and inputted to a LVDT. According to the theory of magnetic flux, the output voltage of secondary coils can be changed by moving the magnetic core of LVDT. After rectification and filtering (RMS-to-DC Conversion), 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 is that the system have a motor driver, which can be controlled by the microcontroller, to drive the magnetic core. Besides, the system have a friendly human-computer interface and it’s easy to use. Key Words: displacement mensuration；LVDT；microcontroller 1 1. 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，主要分为鼓励电路和测量电路两个部 分。鼓励局部要求产生 100kHz 的正弦波，然后经差分放大输出进入可变差动电 压器。测量局部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：系统鼓励局部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、本钱高，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到达理想的结果，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 鼓励电路由 DDS 信号源和差分放大电路组成。鼓励信号由单片机控制 DDS 芯片产生，对于题目要求的 100kHz 正弦波可以较易到达。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 = µ 0n 2sl ，当插入磁棒后，电感量为 L1 = µ 0 µ r n 2 s∆l + µ 0 n 2 s (l − ∆l ) = µ 0 n 2 sl + µ 0 ( µ r − 1)n 2 s∆l 所以，电感量的变化量 ∆L = L1 − L0 = µ 0 (µ r − 1)n 2s∆l = k∆l ，即电感量的变化 量 ∆l 与铁磁棒的位移量 ∆l 成正比。故有： U a La + ∆L  0 L0 L − ∆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，以到达 更高的精确度。 1.3  TI 器件的选择 差分放大器局部 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 100kHz，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 160Ω的情况下可以带起初级线圈。故使用 THS4503 可以到达题目的要求。 AD 转换局部 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 3U =  U b , = b  U 0 La + Lb = L0 U 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〕，采样率可达 1MHz，完全能够到达题目的要求。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 2.1 2.11  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、次级线间距离最小，可使漏感减小到最小值。 2.13  鼓励电路设计、计算 鼓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， 在这里将差分放大局部的放大系数设为 2—5 倍，所以选用 1kΩ电阻与 10kΩ电 4 阻相串联，可以随时调节放大倍数，以到达要求。 2.13 2.14  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 200mV～7V 的 100kHz 信号，误 差在 1%以内。这样通过调节前级差动放大完全可以满足。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。 5 2.15  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