基于LDC1614的精密刻度盤設(shè)計

黃 健，張善文

西京學(xué)院信息工程學(xué)院, 陜西西安 710123

【電子與信息科學(xué) / Electronics and Information Science】

基于LDC1614的精密刻度盤設(shè)計

黃 健，張善文

西京學(xué)院信息工程學(xué)院, 陜西西安 710123

為準(zhǔn)確檢測儀表盤的旋轉(zhuǎn)位置，采用新型數(shù)字式非接觸電感傳感器LDC1614檢測金屬圓盤的旋轉(zhuǎn)角度．由于LDC1614是具有集成電路總線(inter-integrated circuit, IIC)接口的4通道、28 bits的數(shù)字式傳感器，采用4個自制電感線圈，均勻分布在一個圓平面上，檢測移動物體的轉(zhuǎn)動角度．軟件編程中加入四點校正算法，可使準(zhǔn)確度達(dá)到0.02°．傳感器可與微處理器連接，完成對數(shù)據(jù)的采集處理，實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)角度的準(zhǔn)確測量．

傳感器技術(shù)；數(shù)字式電感傳感器；刻度盤；非接觸電感傳感器；LDC1614；測量準(zhǔn)確度

在工程實踐和科研實驗中，經(jīng)常要檢測轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)角度．目前，常用的檢測角度方法有兩類，第一類是依靠提取物體的幾何形狀，再采用模式識別和圖形圖像的相關(guān)算法來實現(xiàn)．如采用像素遞歸法和塊匹配法，利用仿射變換模型可估算連續(xù)幀的運(yùn)動平移矢量或圖像間的旋轉(zhuǎn)角度[1]．朱齊丹等[2]提出對采集到的圖像進(jìn)行邊緣檢測、細(xì)化處理和霍夫變換來確定物體的旋轉(zhuǎn)角度，但是該方法對于輪廓缺失或是圖像中直線特征不明顯的情況適應(yīng)性較差．第二類方法是靠檢測物體的運(yùn)動狀態(tài)來實現(xiàn)，如使用物理傳感器測量剛體繞某一個軸的旋轉(zhuǎn)角度．常用的傳感器有陀螺儀、電子羅盤和加速度計等．然而，不管是加速度計還是陀螺儀，在檢測物體旋轉(zhuǎn)角度時，都存在抖動誤差和零偏穩(wěn)定性問題，其測量的角度準(zhǔn)確度很難達(dá)到0.02°．電子羅盤由于是以地磁為基準(zhǔn)，當(dāng)被測物體周圍有磁場干擾時，其測量精度很難提高．曹建安等[3]提出采用敏感角速度光纖傳感器結(jié)合單片機(jī)的方式測量角度，雖然精度可以很高，但光學(xué)測量系統(tǒng)對條件要求較高且復(fù)雜．本研究采用LDC1614數(shù)字式電感傳感器，運(yùn)用自制的印刷電路板(printed circuit board，PCB)線圈，基于電渦流原理，測量附件金屬物體的旋轉(zhuǎn)角度．LDC1614是4通道、28 bit的新型數(shù)字式電感傳感器，在檢測物體旋轉(zhuǎn)角度時，可輸出高達(dá)28 bit的數(shù)字量，使測量準(zhǔn)確度達(dá)到1°．在硬件設(shè)計時，若在一個平面內(nèi)布置4個傳感器，每2個傳感器之間的角度差是90°，當(dāng)圓盤旋轉(zhuǎn)時，則可實現(xiàn)360°全方位檢測．軟件采集處理時加入4點校正算法，可將準(zhǔn)確度提高到0.02°．

1 LDC1614角度檢測原理[4]

LDC1614的工作原理基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象．當(dāng)給電感線圈接通交流電時，線圈周圍會產(chǎn)生磁場，此時若有金屬物靠近該磁場，金屬物表面就會產(chǎn)生電流，稱為渦流．渦流同樣會產(chǎn)生自身的磁場，但該磁場的方向與電感線圈產(chǎn)生的磁場方向相反．這就像一對耦合線圈，電感線圈磁場是初級，渦流磁場則是次級．由于互感現(xiàn)象，在初級線圈這邊就可檢測到次級的參數(shù)．渦流的大小與金屬物體的材質(zhì)、大小和距離等有關(guān)．抽象的互感模型如圖1．

圖1 互感模型Fig.1 Mutual inductor model

在圖1中，自制電感線圈兩端的互感電壓V(d)為

(1)

其中，d為自制電感線圖兩端的距離；M(d)為線圈之間的互感；L(d)為目標(biāo)金屬物的互感電感；I1是流過電感傳感器的電流；I2是感應(yīng)的渦流．對電感傳感器做適當(dāng)?shù)刃ё儞Q，可得到等效電路如圖2．

圖2 電感傳感器等效電路Fig.2 Inductance sensor circuit

圖2(a)是RLC并聯(lián)等效電路，由于LC構(gòu)成震蕩電路，按照一定的頻率震蕩，基本上不消耗能量．所以對外而言，整個電路的等效電阻是R， 如圖2(b)．圖2(a)中整個電路的震蕩頻率f[5-7]為

(2)

其中，L為電感量；C為電容量．

2 LDC1614傳感器數(shù)字量輸出原理

當(dāng)用電感傳感器檢測角度時，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3．圖3左側(cè)是電感傳感器自制線圈，右邊轉(zhuǎn)動的圓盤上涂有面積不同的金屬層．與其等價的平面圖如圖4，其中線圈會在金屬層上有一個投影．

圖3 電感檢測角度結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Inductance detecting angle chart

圖4 電感檢測角度平面圖Fig.4 Inductance detecting angle floor plans

圖4中當(dāng)物體沿著固定軸旋轉(zhuǎn)時，電感線圈與金屬層耦合的面積將會產(chǎn)生明顯的變化．耦合時，由于互感作用，會產(chǎn)生寄生電感和電容，如同在圖2(a)所示的電路中將電感量由原來的L變成L+LS， 電容量則由原來的C變?yōu)镃+CS． 由式(2)可知，整個電路的震蕩頻率fnew變?yōu)?/p>

(3)

傳感器數(shù)字量的輸出是根據(jù)頻率變化而轉(zhuǎn)換的．LDC1614數(shù)字傳感器輸出的數(shù)字量為

(4)

其中，f為周圍沒有金屬物時電感線圈自身的震蕩頻率．

當(dāng)電感線圈與金屬層耦合的面積增大時，耦合的寄生電感和電容亦會加大，使fnew變小，因此傳感器輸出的數(shù)字量變大；當(dāng)電感線圈與金屬層耦合的面積減小時，耦合的寄生電感和電容會變小，使fnew變大，因此傳感器輸出的數(shù)字量變小．所以，通過計算D值，就可判斷旋轉(zhuǎn)的角度[8-10]．

樹籬和農(nóng)舍雖然在奧斯汀的作品中不如莊園那般引人關(guān)注，卻同樣是作者細(xì)致描繪出的英國鄉(xiāng)村景觀中的重要一筆。英國鄉(xiāng)村在議會圈地運(yùn)動中在政治、經(jīng)濟(jì)、社會階層等方面發(fā)生了翻天覆地的變革，奧斯汀雖然以男女愛戀婚嫁為主題，卻通過鄉(xiāng)村景觀的細(xì)致描繪真實地記錄了這些變化，并隱晦地透露出自己地態(tài)度。

3 具體設(shè)計及檢測原理

3.1 旋轉(zhuǎn)位置檢測傳感器的設(shè)計

指針旋轉(zhuǎn)位置檢測結(jié)構(gòu)圖設(shè)計如圖5，圓平面上灰色部分為金屬層，按虛線所示的圓在金屬層正下方正交放置4個自制PCB電感線圈，位置分別在A+、B+、A-和B-，相位差為90°，d1∶d2∶d3=1.0∶1.1∶1.2(其中d1、d2和d3為圖5中對應(yīng)線圈的直徑)．每個電感線圈連接1個LDC1614傳感器．

圖5 旋轉(zhuǎn)位置檢測結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Rotation location testing chart

當(dāng)上方的圓平面繞圓心o順時針旋轉(zhuǎn)時，下方的電感線圈保持不動．由于灰色的金屬層與電感線圈耦合的面積發(fā)生變化，與A+、B+、A-和B-處安置的線圈連接的數(shù)字電感傳感器將輸出不同的數(shù)字量．本研究將A+點和A-點通過式(4)計得數(shù)字量的值相減得到數(shù)字量A， 將B+和B-通過式(4)計得數(shù)字量的值相減得到數(shù)字量B[11-13]． 規(guī)定當(dāng)A+和A-的連線與圖5中x軸重合時的角度設(shè)為0°，即與圖5中x軸的夾角為0°．當(dāng)整個圓盤旋轉(zhuǎn)1圈時，輸出的數(shù)字量經(jīng)過歸一化處理后，得到一組曲線如圖6．

圖6 旋轉(zhuǎn)角度與輸出數(shù)字量之間的對應(yīng)曲線Fig.6 The corresponding curve between the rotation angle and the output digital quantity

圖6中數(shù)字量A為上面的正弦曲線；數(shù)字量B為下面的正弦曲線；DN為歸一化處理后的數(shù)字量，用每次通過式(4)計得的值除以其最大值，得到DN的變化范圍為-1～+1；φ為圖5中A+與A-的連線與x軸的夾角．縱坐標(biāo)的數(shù)字量已進(jìn)行了量化處理．分析圖5和圖6，當(dāng)圓盤位于水平位置，即圖6中角度為0°時，A+處電感線圈與金屬層耦合的面積最大，與A+相連的傳感器LDC1614將輸出最大值．A-與金屬層耦合的面積最小，與A-相連的傳感器LDC1614將輸出最小值．此時兩者的差最大，將其按一定的比例縮小，使其對應(yīng)的數(shù)字量的值為1．當(dāng)圓盤按順時針旋轉(zhuǎn)時，A+與金屬層耦合的面積減小，傳感器輸出值減??；A-與金屬層耦合的面積增大，傳感器輸出值變大，兩者差值減?。创嗽硇D(zhuǎn)一圈后，可得到數(shù)字量A的對應(yīng)曲線．?dāng)?shù)字量B的計算方法同A． 從圖6還可知，每一個角度與數(shù)字量A和B有唯一的對應(yīng)值．

3.2 旋轉(zhuǎn)角度計算

分析圖6曲線，用θ表示圓盤的旋轉(zhuǎn)角度，則可知θ與數(shù)字量A是余弦函數(shù)關(guān)系，如式(5)．θ與數(shù)字量B是正弦函數(shù)關(guān)系，如式(6)．

A=cosθ

(5)

B=sinθ

(6)

聯(lián)立式(5)和式(6)可計算出圓盤的旋轉(zhuǎn)角度[14-17]為

(7)

3.3 四點校正算法

由于存在機(jī)械誤差、電感線圈誤差、金屬物涂層不均勻誤差等，實測中數(shù)字量A和B的曲線如圖7．

圖7 有相位誤差的旋轉(zhuǎn)曲線Fig.7 Phase error of the rotation curve

由圖7可見，對于數(shù)字量A而言，在φ=90°和φ=270°分別存在相位誤差α1和α2； 對于數(shù)字量B而言，在φ=0°和φ=180°分別存在相位誤差β1和β2； 對于任意一對A和B， 誤差偏移角度的計算公式為

θ1=A2β+B2α

(10)

因為存在角度誤差，所以旋轉(zhuǎn)角度θ可校正為

θ=θ2-θ1

(11)

其中，θ2是實測角度值，減去誤差θ1， 可得到校正后的角度值．

要想得到任意位置的準(zhǔn)確角度值，必須對0°～360°的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正．常用的有一圈校正算法、四點校正算法和自動校正算法等．其中效果最好的是四點校正算法[18-20]．

四點校正算法選擇0°、90°、180°和270°這4個點，采用式(6)計算其對應(yīng)偏移角度．分別得到θ3、θ4、θ5和θ6． 將θ4與θ3相減，得到0°～90°的累積誤差，再將差值除以90，得到0°～90°中每1°所對應(yīng)的誤差值．在計算旋轉(zhuǎn)角度時，用測量值減去這個誤差平均值，就是當(dāng)前的角度值．用此方法將θ5與θ4相減，得到90°～180°的累積誤差，再將差值除以90，得到90°～180°中每1°所對應(yīng)的誤差值．依次類推，可以得到180°～270°的誤差值和270°～360°的誤差值.因為LDC1614輸出28bit的數(shù)字量，在進(jìn)行0°、90°、180°和270°校正時，4個點的誤差都不會超過1°，因此將90°和0°的差值相減再除以90，其準(zhǔn)確度可達(dá)到0.02°．可見四點校正法進(jìn)一步提高了角度檢測的精度．

4 測試結(jié)果

圖8 自制儀表盤Fig.8 Self-made instrument panel

根據(jù)以上原理制作的金屬圓盤旋轉(zhuǎn)角度測量儀的表盤如圖8，在中心點固定一個指針，當(dāng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)時，指針跟著旋轉(zhuǎn)．加入四點校正算法，可準(zhǔn)確讀到指針?biāo)傅慕嵌戎担?/p>

圖9是傳感器LDC1614直接輸出的數(shù)字量，并未用四點校正算法處理．

圖9 未加入校正算法的數(shù)據(jù)Fig.9 Data without calibration algorithm

對圖9中的數(shù)字量進(jìn)行歸一化處理后得到圖10的波形，恰好滿足正余弦的取值范圍-1～1．

圖10 加入校正算法后的數(shù)據(jù)Fig.10 Data with calibration algorithm

結(jié)合式(7)至式(11)，并加入四點校正法，可得輸出角度與數(shù)字量之間的對應(yīng)關(guān)系如圖11．

圖11 校正后的角度與數(shù)字量的對應(yīng)關(guān)系Fig.11 The relationship between rectified angle and digital quantity

圖11中的虛線表示沒有加入4點校正時計算得到的曲線，黑色實線表示四點校正后的曲線．表1顯示了測量角度和實際角度之間的對應(yīng)關(guān)系．從圖11和表1中的測試數(shù)據(jù)可以看出：在0°、90°、180°和270°這4個點上，幾乎無誤差，其角度測量的準(zhǔn)確度達(dá)到0.02°．

表1 測量角度與實際角度的對應(yīng)關(guān)系

表1中實際角度是用專用角度測量儀器，即角度尺測量得到的角度值，測量角度則是用LDC1614設(shè)計的儀表盤測量后得到的角度值．

結(jié) 語

分析新型數(shù)字電感傳感器的工作原理，采用4個傳感器正交圓形排列，檢測涂有不同面積的金屬物圓盤的旋轉(zhuǎn)角度，設(shè)計出了儀表盤，通過計算，可測得儀表盤的旋轉(zhuǎn)角度．為進(jìn)一步提高精度，提出四點校正算法，使準(zhǔn)確度提高到了0.02°．測試結(jié)果表明，各項指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計要求．由于采用非接觸、電感式傳感器，相比機(jī)械測量角度的方法，其精度更高，使用壽命更長．

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【中文責(zé)編：英 子；英文責(zé)編：子 蘭】

Design of precision dial based on LDC1614

Huang Jian and Zhang Shanwen?

Department of Information Engineering, Xijing University, Xi’an 710123, Shaanxi Province, P.R.China

In order to accurately detect the rotation position of the instrument panel, a new non-contact inductance sensor LDC1614 is adopted. LDC1614 is a four-channel, 28 bit digital sensor with inter-integrated circuit (IIC) interface. It tests the rotation angle of the moving object by the four self-made coils, evenly distributed on a circle plane. The measurement accuracy reaches up to 0.02° by using the four point correction algorithm in the software programming. The sensor can also be connected with the microprocessor to complete the data acquisition and processing and measure the rotation angle accurately.

sensor technology; digital converter for inductive sensor; dial; non-contact inductance sensor; LDC1614; measurement accuracy

：Huang Jian, Zhang Shanwen. Design of precision dial based on LDC1614[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2017, 34(2): 188-194.(in Chinese)

TN 212

A

10.3724/SP.J.1249.2017.02188

國家自然科學(xué)基金資助項目(61473237)

黃 健(1973—)，男，西京學(xué)院副教授．研究方向：嵌入式開發(fā)技術(shù)．E-mail：565200245@qq.com

Received：2016-08-26；Revised：2016-09-08；Accepted：2017-01-09

Foundation：National Natural Science Foundation of China (61473237)

? Corresponding author：Professor Zhang Shanwen. E-mail: 294617718@qq.com

引 文：黃 健，張善文．基于LDC1614的精密刻度盤設(shè)計[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報理工版，2017，34(2)：188-194.