一種電感式位移測量裝置的設(shè)計(jì)

江學(xué)煥，關(guān)新，鐘蕾，程福明

（1.武漢大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

一種電感式位移測量裝置的設(shè)計(jì)

江學(xué)煥1,2，關(guān)新2，鐘蕾2，程福明2

（1.武漢大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

介紹了差動(dòng)變壓器式位移傳感器的結(jié)構(gòu)和原理，給出了電感式位移測量裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)通過FPGA產(chǎn)生穩(wěn)定的DDS信號(hào)作為激勵(lì)源，經(jīng)差分電路輸出2路平衡信號(hào)；通過過采樣平均濾波的方法實(shí)現(xiàn)噪聲抑制；采用線性擬合的方法對(duì)非線性數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了位移的精確測量，測量精度較高。

差動(dòng)變壓器；DDS信號(hào)；過采樣；線性擬合

0 引言

目前，電感式位移測量裝置應(yīng)用非常廣泛，可用于高精度工件的自動(dòng)加工過程，也可用于外形尺寸自動(dòng)測量系統(tǒng)。傳統(tǒng)的電感式位移測量方法是由維恩電橋振蕩電路產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，通過差分電路送往差動(dòng)變壓器主線圈。次級(jí)線圈感應(yīng)的電壓信號(hào)經(jīng)過硬件放大、全波整流得到2路直流信號(hào)。再利用差分放大器實(shí)現(xiàn)2路信號(hào)相減。最終測量差動(dòng)電壓值得到位移量。其中，極性的判別運(yùn)用相敏檢波實(shí)現(xiàn)［1］。此方案精度不高，易受到外界信號(hào)的影響，硬件調(diào)試?yán)щy大。優(yōu)點(diǎn)是成本低，易于集成。

為了提高系統(tǒng)的測試精度，增強(qiáng)抗干擾能力，本文擬采用改進(jìn)激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路的方法來解決這個(gè)問題。該方法是利用FPGA產(chǎn)生穩(wěn)定的DDS信號(hào)送往全差分電路，差分電路將其輸出的2路平衡信號(hào)傳遞給差動(dòng)變壓器的主線圈，差動(dòng)變壓器的次級(jí)線圈將感應(yīng)到的信號(hào)放大、濾波后，送給真有效值轉(zhuǎn)換，然后單片機(jī)A/D采集、計(jì)算處理得到位移量。該方法精度高、可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量與控制。

1 電感式位移測量裝置的設(shè)計(jì)

1.1 測量原理

差動(dòng)變壓器能將被測位移量轉(zhuǎn)換為傳感器線圈互感的變化量。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，等效電路圖如圖2所示。

圖1 差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)原理圖［1］

圖2 差動(dòng)變壓器的等效電路［2］

e1假定初級(jí)線圈匝數(shù)為N1，兩次級(jí)線圈的匝數(shù)為N，磁場強(qiáng)度為B，線圈橫截面積為S;磁棒在移動(dòng)過程中通過的匝數(shù)為ΔN。據(jù)圖2分析，初級(jí)線圈激勵(lì)電壓

不變情況下：磁棒向L21移動(dòng)時(shí)，次級(jí)線圈在L21方向感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)

增加，L22方向感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)

將逐漸減小到空心狀態(tài)時(shí)的電動(dòng)勢(shì)。設(shè)磁棒在線圈中向前每移動(dòng)Δl，磁棒向前移動(dòng)一匝線圈的長度，則磁棒在線圈中移動(dòng)位移ΔL即為ΔN（ΔL/Δl）匝。同時(shí)令K=jω2BS，可得到：

根據(jù)e1=e21+e22，研究（e21-e22）/e1可得：

令（e21-e22）/e1=d，得到：

依據(jù)式（4），可得位移量的變化與兩次級(jí)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間存在線性關(guān)系，表明了差動(dòng)變壓器能夠?qū)C(jī)械位移量轉(zhuǎn)化為與之成比例的電壓信號(hào)。整個(gè)測量裝置利用這一原理設(shè)計(jì)制作。

1.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)測量原理分析，本系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：激勵(lì)電路、線性可變差動(dòng)變壓器、放大濾波電路、真有效值轉(zhuǎn)換電路和數(shù)據(jù)采集與處理模塊。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)方案框圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

2.1.1 硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理如圖4所示，F(xiàn)PGA合成的DDS正弦波信號(hào)，經(jīng)緩沖放大、濾波后，輸入到差分放大模塊，經(jīng)其轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)放大后再輸入到可變差動(dòng)變壓器初級(jí)，在變壓器次級(jí)生成兩路交流電壓，經(jīng)過放大、濾波后輸入到真有效值轉(zhuǎn)換模塊，從而得到直流電壓。該電壓經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換后，通過線性擬合計(jì)算即可得到位移量。

圖4 總體硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 差分電路設(shè)計(jì)

整個(gè)測量裝置采用電感傳感器，容易受到環(huán)境噪聲的影響，因此選擇TI公司的全差分集成電路THS4503。這種集成電路具有對(duì)環(huán)境噪聲有很強(qiáng)的抑制能力、可以將單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分輸出的特性。THS4503的主要性能特性如下：

1）全差分特性：應(yīng)用于差分驅(qū)動(dòng)和差分放大方面具有很大的優(yōu)勢(shì)；

2）寬頻帶：帶寬可達(dá)370MHz；

3）高轉(zhuǎn)換速率：2800V/μs。

經(jīng)典的輸出計(jì)算公式如式（5）～（6）所示［3］。

按照芯片資料給定的典型阻值，選擇RT為56.2Ω，R2和R4為392Ω；依據(jù)放大倍數(shù)選擇R1和R3的阻抗。設(shè)計(jì)過程中，差分放大電路的倍數(shù)選為1，選定R1為402Ω，R3為374 Ω；考慮到THS4503為寬帶放大器，所以電源旁邊選擇就近放置濾波電容，并且在R2和R4處并聯(lián)10 pf的電容來消除自激影響。設(shè)計(jì)的THS4503差分電路圖如圖5所示。

圖5 THS4503差分電路

2.1.3 差動(dòng)變壓器設(shè)計(jì)

差動(dòng)變壓器的設(shè)計(jì)使用三節(jié)式繞法。其設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)通常有：量程、線性度、靈敏度、激勵(lì)電壓及激勵(lì)頻率等［4］。綜合各參數(shù)的影響，采用Φ為0.1～0.2 mm漆包線繞制初級(jí)和次級(jí)線圈，繞制時(shí)滿足次級(jí)線圈嚴(yán)格對(duì)稱與初級(jí)線圈。整個(gè)差動(dòng)變壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：初級(jí)線圈電感為68.5μH，次級(jí)線圈電感為38.3 μH，激勵(lì)電壓選為峰峰值為1V的平衡信號(hào)。經(jīng)過多次測試，此設(shè)計(jì)可以滿足量程在±20mm線性度和靈敏度的要求。

2.1.4 單片機(jī)系統(tǒng)電路

單片機(jī)選用美國 Silicon LAB公司的C8051F120，這是一款高速單片機(jī)，采用流水線式操作，使用內(nèi)部集成PLL時(shí)鐘速度可以達(dá)到100MIPS，而且端口多，允許交叉配置；存儲(chǔ)容量大，8kB RAM，128kB FLASH；集成定時(shí)器、捕捉/比較模塊，可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，看門狗定時(shí)器，VDD監(jiān)視器和溫度傳感器［5］。關(guān)鍵是該單片機(jī)內(nèi)部集成PWM控制器、12位A/D和D/A，這些資源對(duì)于高精度采集和控制提供了極大的方便。單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

圖6 C8051F120系統(tǒng)原理圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 總體流程

系統(tǒng)采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制A/D采集數(shù)據(jù)、計(jì)算位移量并顯示、控制閉環(huán)回路工作等功能。系統(tǒng)流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

2.2.2 采集算法

1）A/D采集精度計(jì)算

此時(shí)測量位移分辨率為0.01mm，完全可以滿足本系統(tǒng)要求。

2）采集算法

為了降低噪聲，提高系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性，這里采用了過采樣平均濾波的辦法。其基本原理為：按照Nyquist定理，在實(shí)際應(yīng)用中，若信號(hào)帶寬被限制在小于fs/2，以某個(gè)過采樣比［OSR］對(duì)該信號(hào)采樣，再對(duì)采樣值求平均值（或抽?。?然后得到結(jié)果輸出數(shù)據(jù)。那么每增加一位分辨率或每減小6dB的噪聲，需要以4倍的采樣頻率進(jìn)行過采樣，即增加測量分辨率的過采樣頻率為［6］

式中，fw為過采樣頻率；fs為采樣頻率；w為希望增加的分辨率倍數(shù)。

本系統(tǒng)為了提高分辨率，降低噪聲，采用以犧牲CPU的運(yùn)算速度和AD采樣帶寬為代價(jià)的過采樣方法：利用256倍的Nyquist頻率，采樣精度達(dá)到了16位，從而減少了24 dB的噪聲。

2.2.3 DDS信號(hào)的產(chǎn)生

DDS信號(hào)由FPGA產(chǎn)生，該信號(hào)具有頻率分辨率高、輸出信號(hào)相位噪聲低、編程易實(shí)現(xiàn)、全數(shù)字化易集成、體積小等優(yōu)點(diǎn)。其實(shí)現(xiàn)的框圖如圖8所示。

圖8 DDS實(shí)現(xiàn)框圖［7］

2.2.4 數(shù)據(jù)校正實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)控制A/D采集轉(zhuǎn)換后的2路直流電壓信號(hào)VA和VB；根據(jù)公式

計(jì)算d值。以1mm位移量遞增遞減測量取多次d值，其對(duì)應(yīng)位移的線性關(guān)系如圖9所示。

理論d值與其對(duì)應(yīng)位移呈線性關(guān)系，由圖9可以看出d值線形圖并非如此。d值線性度直接影響測量的精度，因此對(duì)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理。因?yàn)閿?shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化范圍較小，所以采用線性插值的方法進(jìn)行處理。

圖9 d值與位移關(guān)系線形圖

假定d值與所對(duì)應(yīng)位移量s滿足d=f（s），設(shè)ki是第i段直線的斜率則分段直線

采用非等距選取法選取基點(diǎn)。根據(jù)表的數(shù)據(jù)擬合得到式（9）。

式中，s=21處位移為0mm；s=1和s=41處位移分別為±20 mm。單片機(jī)根據(jù)式（9）計(jì)算出位移量，并在測量過程中修訂ki與bi。最后得出精確位移量。

3 測試與性能分析

3.1 系統(tǒng)測試

1）差動(dòng)變壓器輸出波形測試

利用數(shù)字示波器觀察磁棒靜止于零點(diǎn)位置和移動(dòng)過程中兩次級(jí)線圈的輸出電壓波形是否失真，輸出有效值有無跳躍。經(jīng)過測試，波形頻率穩(wěn)定，幅度無跳躍現(xiàn)象。

2）位移量的測量

調(diào)節(jié)磁棒位置，確定位移零點(diǎn)。推動(dòng)絕緣棒使磁棒在線圈中移動(dòng)，用游標(biāo)卡尺測量磁棒運(yùn)動(dòng)位移，與單片機(jī)顯示的位移進(jìn)行比較。測試結(jié)果見表1。

表1 位移量的測量 mm

3）自動(dòng)閉環(huán)位移控制測量

用鍵盤預(yù)設(shè)位移量，使用游標(biāo)卡尺測量直流電

機(jī)帶動(dòng)磁棒移動(dòng)的位移，與預(yù)設(shè)位移進(jìn)行比較。測試結(jié)果如表2所示。

表2 自動(dòng)閉環(huán)位移控制測量 mm

3.2 性能分析

磁棒的運(yùn)動(dòng)在差動(dòng)變壓器線性區(qū)間內(nèi)，通過示波器的觀察，兩次級(jí)線圈感應(yīng)信號(hào)都未發(fā)現(xiàn)波形有明顯失真現(xiàn)象。用數(shù)字萬用表觀察交流信號(hào)經(jīng)真有效值轉(zhuǎn)換后的輸出電壓值也無明顯跳動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)多次數(shù)據(jù)測試，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期效果，測量的位移范圍能達(dá)-20～+20 mm，測量磁棒運(yùn)動(dòng)的位移精度高達(dá)0.2 mm，閉環(huán)位移控制精度高達(dá)0.5 mm。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)測量范圍可以達(dá)到-20～+20 mm，具有較高的測量精度。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有2個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：1）利用FPGA產(chǎn)生DDS信號(hào)，提高了信號(hào)的分辨率；2）采用過采樣平均濾波的方法抑制噪聲，提高采樣精度。此外，借助于軟件校正，該系統(tǒng)可以達(dá)到較高的測量線性度。

［1］常健生.檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.

［2］沈申生.差動(dòng)變壓器式位移傳感器檢測系統(tǒng)研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2006,（3）：41-43.

［3］Texas Instruments.THS4503 datasheet［EB/OL］.［2011-02-27］.http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ths4503.pdf.

［4］康華光,陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分［M］.4版.北京：高等教育出版社,1999.

［5］Silicon LAB.C8051F datasheet［EB/OL］.［2011-02-27］.http://www.silabs.com/Support%20Documents/Technical-Docs/C8051F12x-13x.pdf.

［6］李鋰，高麗.采用過采樣和求均值法實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確測量［J］.新技術(shù)新工藝，2005（3）：25-26.

［7］潘松,黃繼業(yè).EDA技術(shù)實(shí)用教程［M］.2版.北京：科學(xué)技術(shù)出版社,2005.

［8］鄭祥明，楊振野.一種快速精密位移測量電路的設(shè)計(jì)［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，12（4）：49-52.

Design of Inductive Displacement Measuring Device

Jiang Xuehuan1，2，Guan Xin2，Zhong Lei2，Cheng Fuming2
（1.School of Computer,Wuhan University,Wuhan 430072,China; 2.School of Electrical and Information Engineering,Hubei Automotive Industries Institute,Shiyan 442002,China）

The structure and principle of differe ntial transformer-type displacement sensor were introduced,and the system design scheme of the inductive displacement measuring device was given.A stable DDS signal was produced by FPGA as the excitation source,and through differential circuit, two balanced signals were output.Noise suppression was achieved by the method of average oversampling filter.The nonlinear data was compensated by the linear fitting method,and then the accurate measurement of displacement with a high precision was realized.

differential transformer;DDS signal;over-sampling;linear fitting

TP216

A

1008-5483（2011）02-0046-04

2011-02-24

江學(xué)煥（1982-），男，湖北襄樊人，碩士生，主要從事嵌入式、汽車電子研究。