位移测量装置报告-武汉科技学院A

位移测量装置 指导教师：田裕康 队员及年级：丁志涛 肖斌 许栋 （2005 级） 学校及院系：武汉科技学院 电子信息工程学院 摘要 本系统是利用差动变压器完成微小位移的测量，它以单片机 C8051f020 作为电 机控制和数据处理的中心。系统包括正弦信号激励源、差动变压器、信号测量与 数据采集、位移控制等四个部分。位移量通过 LCD 显示，并实现了语言报数功能。 软件设计采用了 PID 调节、平均值滤波修正等算法。测试结果表明系统工作稳定， 测控精度高，完全满足题目的要求。

Abstract This system uses differential transformer to complete the small displacement measurement, which use the C8051f020 MCU to control the motor， also use it as the data processing center. The system includes incentives sine signal source, differential transformer, signal measurement and data acquisition, displacement control. The displacement is displayed by LCD as well as automatically reported by voice. Software design utilizes PID algorithm adjustment, and use the filter average to amend. Test results show that the system is stable and high-precision, which completely satisfy the requirements of the title.

一、系统方案设计与论证 要实现满足题目要求的位移测量需要解决以下几个方面的问题：一是正弦信号 激励源；二是差动变压器的设计；三是数据采集电路和电机的控制。其中的关键 是在差动变压器的设计上，其对称性、线性度将直接关系到位移测量的误差。 1.差动变压器原理

图 1.1 螺线管式差动变压器示意图 slµ (µ󰀀 1)n s󰀀l 󰀀 1)n s󰀀l k󰀀l ，即电感量

当磁棒上下移动，差动变压器的电感量就会随之变化。对于螺线管，其电感 量为： L0 µ 0 n 2

sl, ，当插入磁棒后，电感量为:

L µ0µ rn 2 s󰀀lµ 0 n 2 s(l󰀀󰀀l) µ 0 n 2 0 r 2

所以，电感量的变化量󰀀LL󰀀 L0 µ0 (µ r 2

的变化量󰀀L 与铁磁棒的位移󰀀l 成正比。故有： Ua

U0

L󰀀L  2

L0

Ub

U0

L󰀀󰀀L  3

L0

, L

解得，󰀀L 02

U a󰀀U b

U aU b

 k d ，

L2 L3 L0

UaUbU0

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，二者间的不可能完全 是线性关系。为减小误差，需要在软件设计中采取查表运算，然后在小区间内做 线性拟合，以达到更高的精确度。 2.激励电路 激励源包括正弦信号发生器和差动放大器两个部分： 差动放大部分：考虑到正弦信号经过变压器耦合之后的信号大小与加在变压 器原边的输入信号的电流大小有关，要求运放的输出电流较大，而且信号是通过 变压器直接耦合到变压器副边，所以这里应该采用差动放大器且该放大器输出电 流较大。THS4503 是 TI 公司的宽带、低失调全差动放大器，输出电流最小为 100mA， 在放大倍数为 5 的时候其带宽可以达到 60MHz。因此 THS4503 既可以满足 100KHz 的不失真放大，又有足够的驱动能力驱动线圈。 正弦信号发生器： 方案一：使用分立元件，如 RC 桥式正弦波振荡器，LC 正弦波振荡器，晶体 振荡器等。RC、LC 振荡电路电阻、电容以及电感不易达到精准的匹配，而且受制 作工艺的影响，精确度较难保证。 方案二：直接数字频率合成（DDS）。利用 DDS 专用芯片或是利用 FPGA 合成 DDS 的方法。利用 DDS 芯片或是 FPGA 合成 DDS 可以达到很高的精度，完全可以达 到题目的要求，但硬件结构比较复杂，成本较高。 方案三：使用集成函数信号发生器芯片 MAX038。MAX038 是一款高精度，高频 的波形发生器，能产生锯齿波、方波、正弦波，输出频率范围为 0.1~20MHZ，输 出波形比较稳定，硬件设计简单可靠。 综上所述，正弦信号发生器采用方案三，使用 MAX038 产生 100KHz 的正弦波。 3. 测量电路 测量电路包括放大整流滤波电路和 AD 转换电路： a.放大部分：考虑到经过变压器耦合之后得到的信号幅值较小，直接进行精 密整流误差会比较大，所以这里应该对信号进行进一步的放大。为抑制噪声干扰， 提高共模抑制比，放大部分可采用仪表放大器。INA128 是 TI 公司生产的精密仪 表放大器，带宽较高，失调电压小，共模抑制比高，有利于减小电路的噪声信号， 可以进一步提高系统的测量精度。所以采用了 INA128 作为后端信号处理的器件。 b.整流滤波部分： 方案一：桥式整流电路。该电路经滤波处理后也可以得到直流信号，但对于 本题目而言，纹波电压比较大，达不到测量精度的要求。 方案二：采用相敏检波电路。相敏检波电路可以很好的反应磁铁的位移的方 向。但相敏检波的结构复杂，要用到变压器耦合和参考信号。 方案三：利用精密全波整流和 RC 无源滤波。利用快恢复二极管和高精度放大 器做的精密全波整流可以满足题目的要求，而且误差也比较小。 由以上讨论，信号测量部分采用方案三来实现。由于题中要求处理的信号为 100KHz，对运放的要求较高，为了达到较好的整流效果，需要选用带宽和速度都 较高的运放。OPA606 是 TI 公司生产的宽带放大器，带宽可达 13M，压摆率为 35V/us。综合考虑，选择 TI 公司生产的 OPA606 完全可以满足题目中的各项要求， 所以采用 OPA606 作为精密整流的运放。 c．AD 采样部分： 选用 TI 公司的模数转换器 ADS8326 和精密基准源 REF02 共同构成数据采集系 统。考虑到本设计是针对小位移的测量，AD 转换器的精度直接关系到整个系统的 测量精度。我们考虑选择精度为 16 位的 AD 转换器来进一步提高位移测量的精度。 ADS8326 是 TI 公司的 16 位串行高速模数转换器，转换速度快，线性度好，精度 高，且参考电压输入范围宽。REF02 是 TI 公司生产的+5V 精密基准源，高线性度， 低噪声，低漂移，完全可以满足题目中的各项要求。由 ADS8326 和 REF02 所组成 的数据采集系统完全可以将整个位移测量系统的精度提高，从而实现精密测量。

二、硬件系统 1、系统总体框图 系统结构框图如图 2.1 所示：

图 2.1 系统结构框图 2、激励源 a.正弦信号发生器：由 MAX038 以及外围电路组成。由 MAX038 产生峰峰值为 2V、频率为 100KHz 的正弦波，输出波形稳定不失真，电路图如图 2.2 所示：

图 2.2 正弦信号发生器 其中： f 0

2 2 . 5 V

R IN C F

 100 KHz 这里取 C = 0.1uF ， 则 R =500Ω。

b.差动放大器 ： THS4503 既可以满足 100KHz 的不失真放大，又有足 够的驱动能力驱动线圈。其电路图如图 2.3 所示：

图 2.3 THS4503 原理图 其中 VOUT VOUT󰀀 VOUT󰀀1󰀀2 （VIN󰀀 VIN󰀀）

则 A G1󰀀2 = R F 2R G ，其中R G R G R F ,

为了满足变压器的次级输出的要求，这里选择 AG 4 。R =1.5K，R =12K。其 中 V 接地。 3、线性可变差动变压器 由于 THS4503 的输出电流达到 100mA，而电压为 4V，信号频率 100KHz，这里我们选用漆包线的直径为 0.17mm，匝数比为 L1:L2:L3=2:1:1； 原边线圈为 580 匝，两个副边线圈为 290 匝。为了使此位移测量装置有较好的 线性度，一般取线圈骨架长度为测量范围的 4~10 倍，但受手工制作的限制， 我们只取 120mm。线圈的绕法是在骨架上面先绕原边，以原边的中心为对称点， 分别绕在原边的正上方，两个次级的匝数相同绕线方向相反，且尽量在结构上 对称 。考虑到磁芯在以中心点左右移动时必须保证磁芯两端在最大位移时不 超过中心点，磁芯长度比测量范围略大，取 42mm 长。