微小位移測量裝置設計＊

唐小林 榮 卓

(中國地震局地震研究所,武漢 430071)

微小位移測量裝置設計＊

唐小林 榮 卓

(中國地震局地震研究所,武漢 430071)

微小位移測量裝置的設計是以 51單片機為控制核心,采用 DDS芯片產(chǎn)生穩(wěn)定的 100 kHz的正弦波信號,使用差分輸出來驅動差動變壓器輸入極,通過檢測變壓器兩個次級線圈的電壓,并對兩電壓進行計算處理,從而得出位移量。經(jīng)過巧妙的選取直流電機和電機驅動電路,很好地完成了磁棒的精確閉環(huán)控制,控制精度能夠達到0.5 mm。

線性差動變壓器;閉環(huán)控制;檢波電路;位移量;測量裝置

1 引言

微小位移測量系統(tǒng)廣泛應用于地質(zhì)、化工、石油、制藥、制鹽等行業(yè)。本文討論基于線性可變差動變壓器(LVDT)微小位移測量系統(tǒng)的設計。系統(tǒng)由一個鐵芯和兩個線圈組成,通過一次線圈與二次線圈弱電磁耦合,使得鐵芯的位移變化量與輸出電壓變化量呈精密線性關系[1]。電壓信號通過差動放大、取均方根值、數(shù)據(jù)采集等過程,即由模擬量轉換成便于單片機系統(tǒng)處理的數(shù)字量,而后通過單片機的數(shù)據(jù)處理,可準確地計算出鐵芯的位移量。

2 方案設計

2.1 激勵信號源電路的設計

正弦激勵信號源是差動式位移傳感器的驅動源,激勵源高度穩(wěn)定才能保證后級輸出穩(wěn)定可靠,具有高度的頻率和幅度穩(wěn)定性的正弦激勵信號是差動變壓器位移測量裝置獲得較高精度的前提,因此正弦信號發(fā)生電路的選取對本測量裝置而言至關重要。

AD9851[2]是AD公司生產(chǎn)的一款DDS芯片,它的最高時鐘為 180 MHz并且采用了先進的 CMOS技術。具有相對帶寬寬,頻率轉換時間極短、頻率分辨率高、功耗低等優(yōu)點,并且AD9851的外圍器件很少,輸出相位連續(xù),頻率、相位和幅度均可實現(xiàn)程控。其輸出頻率的穩(wěn)定度基本可以達到晶振的精度。而且還可以設置不同頻率的正弦信號,方便調(diào)試分析。故選擇DDS芯片AD9851來產(chǎn)生100K的正弦波。

2.2 測量檢波電路設計

AD637[3]有效值檢測器將輸出的交流信號取樣回來轉換為有效值。AD637可測量的信號達 7V,精度優(yōu)于 0.5%,且外圍元件少,頻帶寬,對于一個有效值為 1V的信號,它的 3dB帶寬為 8 MHz,并且可以對輸入信號的電平以 dB形式表示,所以可以滿足要求,因此采用此方案。

2.3 數(shù)據(jù)處理部分

通過ADC芯片對直流信號進行采樣送單片機,由單片機處理數(shù)據(jù)。此方案電路簡易,編程方便,故采用此方案。為了能使處理后的數(shù)據(jù)作為閉環(huán)控制信號,我們還采用DAC把處理后的數(shù)據(jù)轉換為模擬量輸出,以供電路調(diào)試分析和最終系統(tǒng)測試。

3 系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)采用DDS芯片AD9851產(chǎn)生 100K的正弦波,此信號通過由 THS4503[4]構成的全差分電路來驅動變壓器的初級線圈。隨著磁棒在線圈內(nèi)的軸向移動可以使兩對稱次級線圈產(chǎn)生不平衡輸出,再把兩路輸出分別送入用 AD637和 OPA132構成的檢波放大電路,然后用 ADS7886[5]對放大過的直流信號進行采樣并送單片機,單片機通過運算得出位移量,同時把數(shù)據(jù)送入液晶進行顯示。而且系統(tǒng)還能夠通過對所測得的位移量與設置值進行比較,通過對直流電機的正反轉控制,實現(xiàn)電機帶動磁棒到達指定位置。系統(tǒng)結構框圖如圖 1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖Fig.1 Block diagram of the system

4 局部電路設計與電路參數(shù)計算

4.1 線性差動變壓器的制作

磁棒的移動范圍是 -20～+20 mm,所以磁棒的長度不能小于 40 mm,而且磁棒軸向移動時不能影響初級線圈的電感,所以在磁棒移動時是不能離開初級線圈的,磁棒的長度還應該加上初級線圈的長度,考慮到手工制作的問題,如果初級線圈太短,不對稱性問題較明顯,因此最后取磁棒的長度為 8 cm。其次,應確定初級線圈的電感,差動放大器的輸出電阻與初級線圈形成的電感構成一個衰減器,由于磁棒的移動會影響初級線圈的電感,為了減小這種衰減帶來的誤差,所以初級線圈的感抗應比差動輸出的電阻大得多。由于頻率為 100 K,如果取感抗為 1 000歐姆,那么電感為 1.6 mH,線圈電感值通過電感測量儀來確定。次級線圈的長度,由于磁棒的上下移動范圍各有 2 cm,為了不讓磁棒移出線圈,所以兩次級線圈的長度均不能小于 6 cm,這里把次級線圈的總長度確定為 13 cm。采用直徑0.2 mm的漆包線繞制線圈。

4.2 DDS頻率控制字的計算

DDS選用AD9851,由 DDS產(chǎn)生的信號頻率計算表達式如式 1所示：

其中 clock為系統(tǒng)頻率,這里取 120 MHz,所以要輸出 100 K的信號,根據(jù)計算可知,給 DDS的頻率控制字為 369d03H。

4.3 差動放大器的設計

差動放大電路采用 TI公司的全差分結構的超高速寬放差動放大器 THS4503設計差動放大器,該芯片能夠方便調(diào)節(jié)放大倍數(shù),使用簡單,調(diào)試容易,而且性能優(yōu)良。其外圍電路如圖 2所示。

圖2 差動放大器電路Fig.2 Circuit of differential amplifier

那么有：

DDS輸出信號的峰值只有 500 mV,所以信號需要放大 10倍,為了使差分輸出平衡,根據(jù)式 (2)、(3)、(4),使 VOCM接地,R1和 R3取 250Ω,R2和 R4取5 K。

4.4 檢波電路的設計

AD637是一片測量信號有效值的芯片,使用簡單穩(wěn)定,電路如圖 3所示。根據(jù)芯片資料可知,C2為濾波電容,C2的值越大,那么它抑制諧波的能力就越強,但是它所需要的運算時間就會越大,C2的取值與輸入信號的頻率有關,輸入信號頻率為 100 K,C2取 1 uF為比較合適。

圖3 檢波電路Fig.3 Detecting circuit

圖4 電機驅動電路Fig.4 Motor driving circuit

4.5 電機驅動電路的設計

由于要實現(xiàn)對直流電機的精確控制具有一定難度,即使采用閉環(huán)控制算法,也很難兼顧控制電機的速度和精度,因此本設計采用單放機內(nèi)部的直流電機給磁棒的傳動提供動力,完全利用單放機內(nèi)部的齒輪結構,不僅調(diào)試和安裝容易,而且由于其驅動電流一般只有 40 mA。其電路如圖 4所示,單片機的兩個 I/O口,給不同電平同時作用到 OP07的兩個輸入端,達到控制OP07的輸出電平的極性,通過互補三極管能夠將驅動電流提高到 200 mA,足夠驅動小型直流電機。并且通過前端的分壓和反饋電阻R4可以很容易調(diào)節(jié)輸出電壓的大小,從而控制電機的正反轉,同時還可以通過改變脈沖數(shù)目和寬度來達到精確微小位移控制。

4.6 軟件的設計

本位移測量裝置的軟件設計主要包括 AD9851配置、液晶顯示和菜單切換、數(shù)據(jù)采集與處理、電機控制等程序。系統(tǒng)軟件流程如圖 5所示。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Flow chart of the software

5 測試結果與分析

使用數(shù)顯游標卡尺比對,磁棒在線圈中移動時,用示波器觀察記錄A、B兩點電壓波形的峰值如圖 6所示,同時記錄A,B電壓的有效值與位移測量系統(tǒng)顯示的 d值。

圖6 測試結果Fig.6 Test results

從數(shù)據(jù)結果可以看出該位移測量系統(tǒng)在中心位置的 47 mm范圍內(nèi)都具有良好的線性特性,測量精度足夠滿足 0.5 mm的要求。同時通過多次測量,該測量系統(tǒng)具有較好的重復性。

1 胡學武,盛小明.LVDT無相移解調(diào)器及監(jiān)控器的電路設計[J].蘇州大學學報,2008,28(2)：73-74.

2 CMOS 180 MHz DDS/DAC Synthesizer AD9851[EB/OL]. http：//www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ AD9851.pdf

3 High Precision,W ideband RMS-to-DC converter AD637 [EB/OL]. http：//www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/AD637.pdf

4 W ideband,low-distortion fully differential amplifiers[EB/ OL].http：//focus.ti.com/lit/ds/symlink/ths4503.pdf

5 12-Bits,1-MSPS,micro-power,miniaturesar analog-to-digital converters[EB/OL].http：//focus.ti.com/lit/ds/symlink/ ads7886.pdf/

DESIGN OF M INI-D ISPLACEM ENT M ETERING EQUIPM ENT

Tang Xiaolin and Rong Zhuo
(Institute of Seism ology,CEA,W uhan 430071)

The equipment reported here takes 51 monolithic integrated circuits as control core,and uses the DDS chip to produce the 100 kHz sine wave signal.It uses the difference output to drive the input levelof differentialmotion transformer,through testing the voltagesof the transfor mers two sencondary coils and carrieson computation processing of the t wo voltages,thus the displacement value is obtained.After the ingenious selection of direct currentmachine and motor-driven electric circuit,magnetic rod’s precise closed-loop control is completed very well.The control precision can reach to 0.5 mm.

linear differential motion transfor mer;closed-loop control;detecting circuit;displacement;measuring equipment

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0176-03

2010-06-11

唐小林,男,1953年生,高級工程師,主要從事儀器研發(fā)工作.E-mail：ttang531203@sina.com

TH76.3

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