位移传感器设计

电感式位移传感器实例1.1引言测量技术是实现超精加工的前提和基础。

精密加工和超精密加工过程中不仅要对工件和表面质量进行检验，而且要检验加工设备和基础元部件的精度，如果没有权威性的测控技术和仪器，就不能证实所达到的加工质量。

加工和检测是不可分的，测量是对加工的支持，无论多么精密的加工，都必须用更为精密的测量技术作保障。

因此，位移测量的精密和超精密测量已经成为整个超精密加工体系中一项至为关键的技术。

检测技术和装置是自动化系统中不可缺少的组成部分。

任何生产过程都可以看作是“物流”和“信息流”组合而成，反映物流的数量、状和趋向的信息流则是人们管理和控制物流的依据。

人们为了有目的地进行控制，首先必须通过检测获取有关信息，然后才能进行分析判断以便实现自动控制。

所谓自动化，就是用各种技术工具与方法代替人来完成检测、分析、判断和控制工作。

一个自动化系统通常由多个环节组成，分别完成信息获取、信息转换、信息处理、信息传送及信息执行等功能。

在实现自动化的过程中，信息的获取与转换是极其重要的组成环节，只有精确及时地将被控对象的各项参数检测出来并转换成易于传送和处理的信号，整个系统才能正常地工作。

因此，自动检测与转换是自动化技术中不可缺少的组成部分。

检测系统或检测装置目前正迅速地由模拟式、数字式向智能化方向发展。

带有微处理机的各种智能化仪表已经出现，这类仪表选用微处理机做控制单元，利用计算机可编程的特点，使仪表内的各个环节自动地协调工作，并且具有数据处理和故障诊断功能，成为一代崭新仪表，把检测技术自动化推进到一个新水平。

1.2传感器介绍传感器是获取被测量信息的元件，其质量和性能的好坏直接影响到测量结果的可靠性和准确度，衡量其质量的特性有许多，主要包括静态和动态两个方面。

当被测量不随时间变化或变化很慢时，可以认为输入量和输出量都和时间无关。

表示它们之间关系的是一个不含时间变量的代数方程，在这种关系的基础上确定的性能参数为静态特性；当被测量随时间变化很快时，就必须考虑输人量和输出量之间的动态关系。

这时，表示它们之间关系的是一个含有时间变量的微分方程，与被测量相对应的输出响应特性称为动态特性。

位移传感器主要有以下几种：电容式位移传达室感器、差动式电感受式位移传感器和电阻应变式位移传感器一般用于小位移的测量（几微米至毫米）；差动变压器用于中等位移的测量，这种传感在工业测量中应用得最多；电阻电位器式传感器适用于较大范围位移的测量，但精度高；感应同步器、光栅、磁栅、激光位移传感器等用于精密检测系统的位移的测量，测量精度高（可达1pm )量程也可大到几米。

电容式位移传感器根据被测物体的位移变化转换为电容变化的一种传感器，一般用于高频振动微小位移的测量，与电位式、电感式等多种位移传感器相比，它的优点是：结构简单；能实现非接触测量，只要极小的输入力就能使支极板移动，并且在移动过程中没有摩擦和反作用力；灵敏度高、分辨力强，能敏感±0.01um甚至更小的位移；动态响应好；能在恶劣环境中（高、低温，各种形式的辐射等）工作。

但它也存在着一些缺点，主要是输出特性的非线性和对绝缘电阻要求比较高，为了克服寄生电容的影响，降低电容的内阻，要求对传感器及输出导线采取屏蔽措施和采用较高的电源频率等。

光栅是一种新型的位移检测元件，是把位移变为数字量的位移-数字转换装置。

它主要用于高精度直线位移和角位移的数字检测系统。

其测量精确度高（可达1um）光栅传感器具有抗电磁干扰、耐久性好、准分布式传感、绝对测量、尺寸小、灵敏度高、精度高、频带宽、信噪比高等优点，是结构局部健康监测最理想的智能传感元件之一，可以直接或间接（通过某种封装或灵巧装置）监测应变、温度、裂缝、位移、振动、腐蚀、应力等物理量，部分取代传统的测试手段，广泛用于土木工程、航空航天工业、船舶工业、电力工业、石油化工、核工业、医学等领域。

电感式位移传感器是把被测移量转换为线圈的自感或互感的变化，从而实现位移的测量的一类传感器。

它具有灵敏度高、分辨力大，能测出±0.1um甚至更小的线性位移变化和0.1度的角位移,输出信号比较大,电压灵敏度一般每毫米可达几百毫伏,因此有利于信号的传输.测量范围为±25um-50mm,测量精度与电容式位移传达室感器差不多,但是它的频率响应较低,不宜于高频动态测量。

1.3研究的基本内容，拟解决的主要问题：该智能电感测微仪的硬件电路主要包括电感式传感器、正弦波振荡器、放大器、相敏检波器及单片机系统。

正弦波振荡器为电感式传感器和相敏检波器提供了频率和幅值稳定的激励电压，正弦波振荡器输出的信号加到测量头中。

工件的微小位移经电感式传感器的测头带动两线圈内衔铁移动，使两线圈内的电感量发生相对的变化。

当衔铁处于两线圈的中间位置时，两线圈的电感量相等，电桥平衡。

当测头带动衔铁上下移动时，若上线圈的电感量增加，下线圈的电感量则减少；若上线圈的电感量减少，下线圈的电感量则增加。

交流阻抗相应地变化，电桥失去平衡从而输出了一个幅值与位移成正比，频率与振荡器频率相同，相位与位移方向相对应的调制信号。

此信号经放大，由相敏检波器鉴出极性，得到一个与衔铁位移相对应的直流电压信号，经A/D转换器输入到单片机，经过数据处理进行显示。

电感式传感器测位移时，由于线圈中的电流不为零，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起附加误差，而且非线性误差较大；另外，外界的干扰(如电源电压频率的变化，温度的变化)也会使输出产生误差。

所以在实际工作中常采用差动形式，这样既可以提高传感器的灵敏度，又可以减小测量误差。

两个完全相同的单个线圈的电感式传感器共用一个活动衔铁就构成了差动式电感传感器。

采用差动式结构除了可以改善线性、提高灵敏度外，对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等也基本上可以相互抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。

零点残余电压也是反映差动变压器式传感器性能的重要指标。

理想情况是在零点时，两个次级线圈感应电压大小相等方向相反，差动输出电压为零实际情况是两组次级线圈的不对称铁心的B-H曲线的非线性，以及激励电源存在的高次谐波等因素引起零点处U≠0知。

其数值约为零点几毫伏，有时甚至可达几十毫伏，并且无论怎样调节衔铁的位置均无法消除。

零点残余电压的存在，使传感器的灵敏度降低，分辨率变差和测量误差增大。

克服办法主要是提高次级两绕组的对称性(包括结构和匝数等)，另外输出端用相敏检测和采用电路补偿方法，可以减小零点残余电压影响。

2．整体的方框图与工作原理电感式位移传感器元件由静止的螺管线圈和可在线圈上移动的衔铁测头组成,它依据电磁感应原理工作.当线圈由高频电源驱动时,其两路引出端将输出两个感应电势,这些信号经信号检出电路综合后,形成在幅值及相位上随测头位置而变的电压信号,代表了位移量的大小和方向.此信号再经放大、滤波及整形等初步调理后，由A/D 转换器转换为对应的数字量送入微控制器。

微控制器对它进行信号处理、存储以及显示，获得较高精度的测量结果，然后按系统组成态设定的输出方式，以要求的信号形式将测量结果输出。

系统的整体方框图如图1所示。

图1系统的整体方框图3．各个单元电路的设计3．1 8051单片机简介目前，8051单片机在工业检测领域中得到了广泛的应用，因此我们可以在许多单片机应用领域中，配接各种类型的语音接口，构成具有合成语音输出能力的综合应用系统，以增强人机对话的功能。

89C51是Intel 公司生产的一种单片机，在一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分。

每一个单片机包括：一个8位的微型处理器CPU ；一个256K的片内数据存储器RAM；片内程序存储器ROM；四个8位并行的I/O接口P0-P3，每个接口既可以输入，也可以输出；两个定时器/记数器；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART的串行I/O口；片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。

最高允许振荡频率是12MHZ。

以上各个部分通过内部总线相连接。

下面简单介绍下其各个部分的功能。

中央处理器CPU是单片微型计算机的指挥、执行中心，由它读人用户程序，并逐条执行指令，它是由8位算术／逻辑运算部件(简称ALu)、定时／控制部件，若干寄存器A、B、B5w、5P以及16位程序计数器(Pc)和数据指针寄存器(DM)等主要部件组成。

算术逻辑单元的硬件结构与典型微型机相似。

它具有对8位信息进行+、-、x、/ 四则运算和逻辑与、或、异或、取反、清“0”等运算，并具有判跳、转移、数据传送等功能，此外还提供存放中间结果及常用数据寄存器。

控制器部件是由指令寄存器、程序计数器Pc、定时与控制电路等组成的。

指令寄存器中存放指令代码。

枷执行指令时，从程序存储器中取来经译码器译码后，根据不同指令由定时与控制电路发出相应的控制信号，送到存储器、运算器或I／o接口电路，完成指令功能。

程序计数器Pc 程序计数器Pc用来存放下一条将要执行的指令，共16位．可对以K字节的程序存储器直接寻址c指令执行结束后，Pc计数器自动增加，指向下一条要执行的指令地址。

CPU功能，总的来说是以不同的方式，执行各种指令。

不同的指令其功自略异。

有的指令涉及到枷各寄存器之间的关系；有的指令涉及到单片机核心电路内部各功能部件的关系；有的则与外部器件如外部程序存储器发生联系。

事实上，cRJ是通过复杂的时序电路完成不同的指令功能。

所谓cRJ的时序是指控制器控照指今功能发出一系列在时间上有一定次序的信号，控制和启动一部分逻辑电路，完成某种操作。

一．时序1．时钟电路8051片内设有一个由反向放大器所构成的振荡电路，XTALI和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端。

时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。

采用内部方式时，在C1和C2引脚上接石英晶体和微调电容可以构成振荡器，振荡频率的选择范围为1．2—12MHZ在使用外部时钟时，XTAL2用来输入外部时钟信号，而XTALI接地。

2．时序MGL5l单片机的一个执器周期由6个状态(s1—s6)组成，每个状态又持续2个接荡周期，分为P1和P2两个节拍。

这样，一个机器周期由12个振荡周期组成。

若采用12MHz的晶体振荡器，则每个机器周期为1us，每个状态周期为1／6us；在一数情况下，算术和逻辑操作发生在N期间，而内部寄存器到寄存器的传输发生在P2期间。

对于单周期指令，当指令操作码读人指令寄存器时，使从S1P2开始执行指令。

如果是双字节指令，则在同一机器周期的s4读人第二字节。

若为单字节指令，则在51期间仍进行读，但所读入的字节操作码被忽略，且程序计数据也不加1。

在加结束时完成指令操作。

多数Mcs—51指令周期为1—2个机器周期，只有乘法和除法指令需要两个以上机器周期的指令，它们需4个机器周期。