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毕业设计题目基于电容传感器的微小位移测试系统的设计学院机械工程学院专业机械工程及自动化班级机自0702学生王云海学号20070403206指导教师马玉真二〇一一年五月三十日1前言1.1选题的意义近几年的机械发展从传统化向科技化发展，以致是无论在试验室测试还是机械工业生产应用中，其生产要求的提高，使得人们对物体测量位移尺寸的要求也变得越来越高，甚至在必要时要精确到微米级甚至是纳米级，但传统的测量工具已经逐渐的落伍，如皮卷尺、直尺和千分尺都已经不能满足要求，一些大型实验室的精密仪器可以测量，但是价格昂贵，不能普及。
随着现代科学技术的发展，针对位移特别是微小位移的测量方法应时代的发展，如雨后春笋般出现，基本上现在的位移测量和信号分析大多是靠电子仪器来实现的。
对于这种情况，本课题寻求的是设计一种结构简单且廉价的微位移测量系统。
随着机械工业的迅猛需要，在大位移的测量逐渐满足不了测量要求的时候，这就促使着测量技术逐渐的向微小位移测量的方向发展。
其测量方式也发生着本质性的改变，由以前粗略的纯手工测量转变为较为精准的系统化标准测量，而测量方法也由单纯的机械测量衍化为更为先进的光电技术参与的复杂测量。
当前技术水平下的传感器系统正迈入飞速发展阶段，并且开始向着多功能化、微小型化、和系统化的方向发展。
今后，随着CAD技术、单片机技术、信息理论及数据分析算法的继续成熟发展，未来的传感器系统必将变得更加多功能化、普遍化、微型化、智能化和系统化。
在各种新兴科学技术大肆发展、并应用于现实的当今社会，作为现代科学最为有力并应用最为广泛的传感器技术，并且是作为人们可以更快的获取并分析利用有效的各种信息的基础，传感器技术必将会进一步得到社会各界的广泛关注并注定会承载着其在未来需要发挥的作用。
传感器的市场必将在未来的发展中更加壮大、也会显现出它在各个领域的威力。
伴随着电子技术进入的黄金发展期，现在的科学技术也解决了电容式传感器曾经存在的许多技术问题，完善了电容式传感器的功能与应用，传感器的应用意义可以说是无与伦比，工业生产、信息探索…都有着传感器的身影。
小位移调整机构-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述：小位移调整机构是一种用于微小位移控制的机构，其主要作用是通过精密调整，对一些需要进行微小调整的系统进行控制。
这些调整可能是为了达到某种理想状态，或者对系统进行微调以适应外界的变化。
小位移调整机构的设计原理基于精密机械原理和工程学理论，通过使用合适的材料和结构，能够实现对微小位移的控制和调整。
这种机构通常由一系列精密的零件构成，如驱动装置、连杆、传动系统等，这些部件能够实现微小位移的精确调整。
小位移调整机构广泛应用于各个领域，包括精密仪器制造、光学设备、机械加工等。
在这些领域中，微小位移的控制是非常重要的，因为微小的调整可以对整个系统的性能和稳定性产生重大影响。
通过使用小位移调整机构，可以实现对系统的微小调整和控制，从而提高系统的工作效率和稳定性。
综上所述，小位移调整机构是一种用于微小位移控制的机构，通过精密调整来实现对系统的微小调整和控制。
它的原理基于精密机械原理和工程学理论，广泛应用于各个领域。
随着技术的不断发展，小位移调整机构在未来的发展前景中将面临更多的挑战和机遇。
1.2 文章结构本文将分为三个主要部分：引言、正文和结论。
引言部分将首先概述小位移调整机构的背景和意义，介绍其在现代工程领域中的重要性。
接着会详细阐述本文的研究目的和结构安排，以引导读者对文章整体内容有所了解。
正文部分将包括三个重要章节。
首先，在2.1节中，我们将对调整机构的定义和作用进行详细解释，探讨其在工程领域中的实际应用和作用。
然后，在2.2节中，我们将深入探讨小位移调整机构的原理，解释其如何通过微小的位移实现精确的调整和控制。
最后，在2.3节中，我们将介绍小位移调整机构在不同领域的应用情况，包括机械工程、光学系统等，展示其广泛的适用性和潜力。
结论部分将对本文所述的小位移调整机构进行评价和总结。
我们将概括讨论其优点和局限性，并对其未来的发展前景和可能面临的挑战进行展望。
微小位移测量装置一、任务设计并制作一台位移测量装置，其原理示意图如图1所示。
铁淦氧磁棒测量电路图1 位移测量装置原理示意图二、要求1. 基本要求（1）制作正弦信号激励电路，技术指标如下：a. 频率：100kHz ；b. 驱动线性可变差动变压器时输出波形无明显失真（要求在图1的C 点预留测量端）。
（2）设计、制作差动信号测量电路，包括线性可变差动变压器，放大、整流、滤波等电路，数据处理和显示等单元。
在图1中的A 、B 两点分别输出直流电压信号V A 、V B （要求A 、B 两点预留测量端）。
（3）用数字方法计算BA B A V V V V d +-=，根据d 值计算、显示实际位移量。
（4）测量的位移范围为-10~+10 mm ，测量误差的绝对值不大于1mm 。
2. 发挥部分（1）将测量的位移范围扩展到-20~+20mm ，测量误差达到基本要求（4）。
（2）进一步提高位移测量精度。
（3）设计一个闭环控制电路，要求用直流电机驱动磁棒移动，控制磁棒达到设定位移，位移误差的绝对值不大于1mm 。
三、评分标准简易频谱分析仪一、任务设计并制作一个能显示输入信号频谱分析仪。
二、要求 1、 基本要求1） 输入周期的正弦、三角波、方波信号，其频率范围频率为100Hz －100KHz ，幅度范围为100mV －5V ，测出其频率点并显示其频谱分布；2） 谱线频率频率间隔为2/T ωπ= ，频点可按100Hz 步进设置，谱线最少为10条，也可以步进设置，准确度优于10％；3） 测量时间短，频率变化后1秒内能自动刷新测量结果。
2、发挥部分1） 能实时显示主要频点频率，准确度高；2） 扩大输入信号频率范围到1MHz ，能显示谱线，并测量频率；3） 能测量正弦调幅信号频谱图，调制波频率1－10KHz 可1KHz 步进，载波频率10－100KHz,1K 步进可调，深度10％－100％，以10％步进可调，要求频谱变化明显；三、评分标准。
在控制领域中,经常需要进行各种位移量的测在实际的工业位置控制领域中,为了提高控制精度,准确地对控制对象进行检测足十分艰要的。
传统的机械测量位移装S L L远远不能满足现代生产的辦要,而数字式传感器光电编码器, 能将角位移量转换为勾之对应的电脉冲输出,；1:要用于机械位置和旋转速度的检测,具冇精度高,体积小等特点,冈此木设计决定采用光电编码器进行位移检测,本设计为采用光屯编码器来实现位移测请及《仿真,实现测锖來f〗外部的不冋的位移值及显& A•体应用AT89C51中。
片机为核心,光电编码器进行位移测量,同时以LCD液品显示模块显示。
木设计采用的光电编码器输出电H(为5V, 输出倍y经四倍频电路处现后送入巾片机进行计数处理,量后送入LCD模块量示。
木文从位移测量原理入手,详细阐述了位移测#系统的:丨:作过程,以及硬件电路的设计、V。
示效果2木文吸收了硬件软件化的怨想,实现了题丨丨要求的功能。
关键词：位移测蛍,光电编码器,单片机,LCD显示模块AbstractIn ihe control field, a variety of displace量ent 量easure量ents often need lo be carried out。
In actual industry position control do量ain, to increase the control precision, carries on the exa量ination to the controlled 量e量ber is accurately very i量portant。
The traditional 量achinery survey displace量ent installs has not been able 10 satisfy the 量ode量 production by far the need, but the digital sensor electro-optic encoder, can iransl'or量 ihe angular displace量ent into with it correspondence electricity pulse output, 量ainly uses in the 量echanical position and the velocity of whirl exa量ination, has the precision to be high, volu量e s量all and so on characteristics, therefore this design decided that uses the electro-optical encoder to carry on the displace量ent to exa量ine。
xxxxxx 学士学位论文微小尺度位移的测量2013年5月30日独创声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文(设计)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
此声明的法律后果由本人承担。
作者签名:二〇一年月日毕业论文（设计）使用授权声明本人完全了解鲁东大学关于收集、保存、使用毕业论文（设计）的规定。
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（保密论文在解密后遵守此规定）论文作者（签名）：二〇一年月日毕业论文结题报告毕业论文成绩评定表注：总成绩=指导教师评定成绩（30%）+评阅人评定成绩（20%）+答辩成绩（50%），将总成绩由百分制转换为五级制，填入本表相应位置。
目录1.引言 12.光学测量技术 2 2.1 电子散斑干涉技术 2 2.1.1电子散斑干涉技术简介 2 2.1.2散斑干涉测量原理 3 2.2 莫尔条纹测量原理 4 2.2.1莫尔条纹简介 4 2.2.2莫尔条纹技术的测量原理 4 2.3 光杠杆法 6 2.3.1光杠杆法简介 6 2.3.2光杠杆法的实验原理 62.3.3光杠杆的应用73 电学测量技术8 3.1 电感式位移测量8 3.1.1电感式传感器简介8 3.1.2电感式传感器的测量原理9 3.2 电容式位移测量10 3.2.1电容位移传感器简介103.2.2电容式位移测量测量104. 总结13 参考文献14 致谢14微小尺度位移的测量xxx（物理与光电工程学院xxxx xx级x班xxxxxx）摘要：微小位移测量技术可以实现实时，精度高，非接触，大范围的精确监控测量，因此它有着广泛的应用范围和应用前景。
物理实验中微小位移量的几种光学测量方法光学测量是物理实验中常用的一种测量方法，它可以精确的测量微小的位移量。
在物理实验中，微小的位移量是非常重要的，因为它们可以提供关于物体运动和形状的关键信息。
在光学测量中有多种方法可以用来测量微小的位移量，这些方法包括干涉法、衍射法、激光测量法等。
本文将对这些光学测量方法进行详细介绍。
1.干涉法干涉法是一种光学测量方法，它利用光的干涉现象来测量微小的位移量。
当一个物体发生微小的位移时，会导致其表面或表面附近的光程发生变化，从而引起干涉条纹的移动。
通过观察干涉条纹的移动，可以测量出物体的位移量。
干涉法有许多种实现方式，常见的有薄膜干涉、朗伯干涉、迈克尔逊干涉等。
薄膜干涉是一种利用薄膜表面反射光产生干涉现象的方法。
当薄膜表面发生微小的位移时，会引起薄膜的光程发生变化，从而引起干涉条纹的移动。
通过测量干涉条纹的移动，可以计算出薄膜的位移量。
朗伯干涉是一种利用透过两个旋转角度不同的偏振镜的光产生干涉现象的方法。
当光通过两个旋转角度不同的偏振镜时，会产生两束光，这两束光之间会发生干涉现象。
通过测量干涉条纹的移动，可以计算出物体的位移量。
迈克尔逊干涉是一种利用分束镜将一束光分为两束光，并使其经过不同的光程，然后再通过合束镜使其重新合并产生干涉的方法。
通过改变一个光程使得两束光之间产生相位差，从而产生干涉现象。
通过测量干涉条纹的移动，可以计算出物体的位移量。
2.衍射法衍射法是一种利用光的衍射现象来测量微小的位移量的方法。
当光通过一个狭缝或者物体边缘时，会产生衍射现象。
当物体发生微小的位移时，会导致其衍射图样发生变化，从而可以通过测量衍射图样的变化来计算出物体的位移量。
衍射法有许多种实现方式，如菲涅尔衍射、菲索衍射等。
菲涅尔衍射是一种利用衍射光产生的干涉现象来测量微小的位移量的方法。
当光通过一个狭缝或者物体边缘时，会产生衍射现象，而衍射光会产生干涉现象。
通过测量干涉条纹的移动，可以计算出物体的位移量。
微小位移量检测系统设计魏仲慧 1，张文新1，2，何昕1(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 1300332.中国科学院研究生院 北京 100039)摘 要: 介绍了基于激光三角测量法的微小位移量检测原理，并依据这个原理，设计了以一维PSD 为检测元件，以FPGA 为时序逻辑控制部件，以AT89S51单片机为运算核心的微小位移量检测系统。
关键词: PSD ，信号处理 ， 微小位移中图分类号：TN24 文献标识码：AThe Design of Small Displacement Test SystemWei,Zhonghui 1, Zhang,Wenxin 1，2， He,Xin 1(1.Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, JiLin Changchun 1300332. Graduate School of the Chinese Academy of Science, Beijing 100039)Abstract: In this paper, the test principle of small displacement is introduced based on lasertriangulation technique. According to this principle, we design the test system of small displacement . One-dimensional PSD is the test component , FPGA is the control component of timer and logic, and AT89S51 is the operation core.Key words: PSD , Signal processing , Small displacement0 引 言随着科学技术水平和工业生产的不断发展，微小位移量的检测在表面测量、材料测量、精密机械测量等众多应用领域起着越来越重要的作用。
检测微小位移量，可以采用接触式测量法和非接触式测量法。
传统的接触式测量方法有很多局限性，如无法精确测量软质材料的高精度表面，测量结果受环境因素影响很大等，因此，接触式测量方法很难实现对微小位移量的高精度检测；非接触式的测量方法，由于在检测过程中不与待测物体直接接触，因此避免了上述问题对检测结果的影响。
利用非接触测量方法构成的检测系统结构简单，测量精度高，目前应用广泛。
本文首先介绍了微小位移量的检测原理，并依据此原理，设计了以一维PSD 为检测元件，以FPGA 为时序逻辑控制部件，以AT89S51单片机为运算核心的微小位移量检测系统。
1 检测原理对于微小位移量的检测，是基于激光三角测量法原理。
检测原理如图所示：光源发出的光经过透镜L 1聚焦,投射到被测物体表面上,形成光强分布均匀的光斑，一部 分反射光经成像物镜L 2成像到位置敏感探测器（PSD ）受光面上。
当被测物体向上或者向光源PSD下移动x 1时，其成像光点将在PSD 表面产生横向位移y 1, y 1与x 1之间存在固定的函数关系。
由检测原理图可知： βαβαcos cos sin sin 121111⋅−⋅+=⋅⋅y d x d y x （1-1） 由此可得： 1321112111)sin(sin sin y a a y a y d y d x ⋅−⋅=+⋅−⋅⋅⋅=βααβ (1-2) 其中： βsin 11⋅=d aαsin 22⋅=d a)sin(3βα+=a （均为常量321,,a a a ）若能够求得y 1的值,则可以根据(1-2)式函数关系求得被测物体的位移量x 1的值。
由PSD 的工作原理可知，随着成像光点位置坐标y 1的不同，其两个检测电极输出的电流值将随之变化，他们之间存在线形函数关系。
若以PSD 的中心点为原点，则y 1与PSD 的两个检测电极之间的函数关系式可以由下式表示：2112211212X X X X X X X X x I I I I K I I I I L y +−⋅=+−⋅= （1-3） 其中： 2x L K = （常量） y 1是PSD 上的成像光点距PSD 原点的距离；L x 是PSD 的受光面长度；I X1是PSD 的检测电极X 1端输出电流值；I X2是PSD 的检测电极X 2端输出电流值；因此，由式（1-2）和式（1-3）就可以求得被测物体的位移量x 1。
2 系统组成整个检测系统由PSD 信号处理电路，电压调整与放大电路，A/D 转换器，时序逻辑控 制芯片FPGA 、AT89S51单片机及显示电路组成，系统组成框图如下所示：2.1 PSD 信号处理电路 PSD 信号处理电路用来完成信号采集及处理功能，它包括光源发生器及其驱动电路，位 置敏感探测器（PSD），PSD 信号处理专用集成芯片几部分。
光源发生器采用新型光源--激光器，光源波长780nm，工作电压+3V，额定功率30mW 。
由于其发出的光为红色可见光，因此十分利于对光学系统的调试。
位置敏感探测器（PSD）选择日本滨松公司生产的一维PSD--S3931，它是能够连续检测光电位置的非分割型光电位置器件。
其分辨率高，响应速度快，受光面积为1×6mm2，额定工作偏置电压+5V。
PSD信号处理电路的核心采用日本滨松公司生产的H2476-01芯片，它是一种高速，高灵敏度的PSD信号处理专用集成电路，正常工作电压+2.4V～+3.3V,能够在-15℃～50℃温度环境条件下正常工作。
它最高支持700Hz的采样频率,最小可以检测到1nA的电流信号，十分适合于自动调焦、距离测量、位移测量、表面测量等应用领域。
H2476-01芯片共有44个引脚，内部集成前置放大电路，信号处理电路，时钟发生器，光源驱动电路，采样保持电路和A／D转换电路，只要在其外部扩展部分电阻、电容元件即可够成高精度的PSD信号检测电路，应用十分方便。
H2476-01芯片在外部触发脉冲信号的输入下进行工作。
当输入外部触发脉冲信号时，芯片27脚便会输出驱动激光器的脉冲信号（低电平有效），PSD采样输出的电流信号经过H2476-01芯片内部电路处理后，大约经过250us,即可在芯片21脚输出本次采样的模拟电压信号，并以芯片33脚输出的测量结束信号指示（低电平有效）。
由于芯片的各输出端是OC 门输出，因此需在各信号输出端外加5.1K上拉电阻，芯片才能正常工作。
2.2电压调整与放大电路由于PSD信号处理电路输出的电压信号很弱，无法直接进行A/D转换，因此需要对其进 行放大调整。
为了使电路简单又便于调试，通常采用集成运算放大器。
这里选用低噪音高速精密运算放大器OP37，其温漂低，输入阻抗高。
为了提高系统的采样精度，放大调整后的信号还应经过低通滤波器进行滤波处理，消除信号中的无用高频分量，才能送A/D转换器进行处理。
2.3 A/D转换电路A/D转换器选用美国AD公司生产的12位逐次逼近型并行模/数转换器AD1674，其内部自带采样保持电路、电压基准源、时钟源及暂存/三态输出缓冲器。
AD1674采用双电源供电，模拟部分为±15V，数字部分为+5V，采样频率100KHZ，转换时间10us,并行输出数据8位/12位可选，本课题选择12位并行数据输出格式。
2.4 显示电路显示电路采用6个共阳极七段数码管进行显示。
2.5 时序逻辑控制核心FPGA整个系统在FPGA的控制下进行工作，系统上电后，FPGA向H2476-01芯片提供外部触发脉冲，H2476-01开始驱动激光器发射激光，PSD将采集到的光信号转换为电流信号后，送H2476-01芯片进行处理，处理完毕后其输出一个与PSD电流信号成线形关系的电压信号，并向FPGA输出测量结束信号，FPGA得到此信号后，启动A/D转换器，当FPGA检测到A/D转换结束信号后，就对A/D输出的数据进行读取，同时向AT89S51单片机P3.2口输出中断信号，AT89S51响应中断后，将FPGA送来的数据存储起来、进行运算处理，运算处理的结果再送FPGA，通过FPGA外接的显示电路进行显示。
FPGA采用层次化的设计方法，首先用VHDL语言进行底层模块设计，然后通过原理图输入法将各个底层模块进行综合，实现整个时序逻辑控制功能。
其内部主要包括以下功能模块：①分频器模块该模块用于将外部提供的20MHZ时钟信号进行分频处理，为各个功能模块提供不同的时钟信号，使各个模块协调工作。
② 计数器模块该模块主要用于为H2476-01芯片提供外部触发脉冲。
H2476-01芯片要求外部触发 脉冲周期大于1.5ms ，低电平（有效）不小于0.163 ms 。
模块采用直接对外部时钟计数的方法进行设计，设置计数器的模为39999。
从0计数到3999，输出低电平信号；从4000计数到39999，输出高电平信号，然后计数器清零，重新从0开始计数。
③ 控制器模块该模块的作用是根据H2476-01芯片、A/D 转换器、AT89S51芯片输出的状态信号 实现对系统的逻辑控制。
当检测到H2476-01芯片的测量结束信号时，模块输出启动A/D 转换器信号，在收到A/D 转换结束信号时，就将转换后的数据读取进来，存储在缓冲区中，同时向AT89S51单片机的P3.2口输出中断信号，AT89S51单片机响应中断后，读取数据并进行运算处理。
运算结果在控制模块的控制下，重新送入FPGA ，并通过显示电路进行显示。
④ 缓冲区模块缓冲区模块包括输入数据缓冲模块和输出数据缓冲模块。
输入数据缓冲模块用于将 A/D 转换器和AT89S51输出的数据进行缓存，输出数据缓冲模块用于将向AT89S51及显示电路输出的数据进行缓存。
⑤ 显示模块显示模块包括分位模块和译码模块。
由于采用七段数码管进行显示，因此需要先将 数据进行分位处理，再送译码模块进行译码输出。
2.6 AT89S51运算处理核心选择ATMEL 公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机AT89S51。
其软件设计流程框图如下所示：系统上电后，首先进行初始化，等待中断。
得到FPGA 送来的中断信号后，调中断响应 子程序，读取数据，并存储起来。
中断返回后，判断检测数据次数是否达到10次，如果没有达到10次，则继续等待中断，读取采样数据；若已经达到10次，则将10次的测量结果中断程序流程图做均值运算，取平均值作为检测结果，然后调数据处理子程序，求出位移量x1。
由AT89S51向FPGA发出数据运算处理完毕、送显示的信号，以P2.7口置高指示，将数据输出给FPGA。
