本文介绍一种基于LVDT传感器的高精度、低功耗、数字式柱体直径测量仪。
1 测量原理
图1为圆柱体的横截面的一部分,图中A、B、C三点为测量仪的三个触头,其中A、B为两个支撑触头,C为LVDT传感器触头。A、B两个触头是固定的,传感器触头C可朝离圆心方向移动。A、B、C三点在同一平面的一个等腰三角形上,CA=CB,触头C没有移动时,C到AB的距离为常量L。在测量时,最先接触到柱体面的是测量仪的传感器触头C,在压力作用下触头C向离圆心方向移动,直到A、B两个触头都与柱面接触,而无法移动。这时可测得传感器触头C的位移为h,而此时C到AB的距离变为H=L+h。另外A、B两个支撑点间的距离为常数w。此时图中三角形CBD间存在如下关系:
由几何知识可知,三角形CBD与COE相似,
从而得出圆柱体的直径d为:
式(1)中w、L为常量,h为触头C的位移。
2 系统硬件设计
本测量仪硬件主要由单片机、键盘、LCD显示器、时钟电路、数据采集电路和外部数据存储器等几个部分组成(系统构成图如图2所示)。通过键盘可输入有关数字和字母、设置日期和时间,测量结果以日期和时间为前缀存储在外部数据EEPROM里面,便于查询,最多可存储16KB测量数据,且能通过串口RS232与PC机通信将测量结果下载到PC机上。液晶显示器上实时显示测量结果和当前时间,时钟电路为系统提供日期和时间。单片机为本仪器的主控制器,数据采集电路为本仪器的核心电路,用于测量位移值。
2.1 主要器件选择
2.1.1 P89LPC936单片机
本仪器选用的是飞利蒲公司生产的P89LPC936型单片机,该单片机主要有以下优点:
(1)低功耗、宽电压供电2.4~3.6V,内带16K字节可重复擦写10万次的FLASH, 256字节的RAM。因此系统无需外扩程序存储器。
(2)该单片机指令与8051系列机兼容,但指令周期只有8051的六分之一。并可通过串口在系统编程(ISP),直接将程序下载到单片机,因此给开发带来方便。
(3)该单片机有9个中断源, 4级中断优先级,并可编程设置中断优先级。有专门的键盘接口,简化了电路设计。功能丰富,最多有23个I/O口可用,而引脚只有28个。
2.1.2 模数转换芯片ADS1112
本测量仪对采样精度要求高,而对采样速率要求却不高,ADS1112芯片正好符合这个要求,其转换位数最大为16位,转换速率为15SPs。低功耗、工作电流只有220μA,输出为IIC接口,模拟信号输入有两种方式即两路差分输入或三路单独输入(本电路采用的是单独输入方式)。内部自带参考电压、自校准电路、增益电路和振荡电路。引脚少、外围电路设计简单,同时节省空间。
2.1.3 LVDT直线位移传感器
差动变压器式(LVDT)位移传感器的优点是高精度、高可靠性,能适应恶劣环境,符合本仪器的要求[1]。本仪器选用的是国产半桥式LVDT直线位移传感器,其量程为5mm,最小示动值为0.03μm,结合适当的LVDT信号调理电路能达到很高的测量精度。
2.1.4 LVDT信号调理芯片AD698
AD698的功能是为LVDT传感器提供激励信号,同时将LVDT传感器输出的代表位移变化量的交流信号调理成直流信号。
2.2 数据采集电路设计
数据采集电路是本仪器设计的关键,其原理图如图3所示。由于采用了AD698芯片,使电路设计简化了很多,同时也提高了系统可靠性和精度。图中AD698芯片内部的信号发生器会产生一个正弦激励信号,经放大后,由EXC1、EXC2脚输出到LVDT初级绕组的两端[2], LVDT的次级绕组两端相应地会产生一个正弦感应信号。在AD698内部有两个同步信号解调电路,通过+BIN、-BIN脚和+AIN、-AIN脚分别接在LVDT的初级和次级绕组两端,将同时刻初级绕组和次级绕组的信号进行解调[2]。解调后的信号送AD698内部的解码器,解码得到次级绕组信号振幅和初级绕组信号振幅的比率,最后经过滤波和放大后得出一个成比例的直流信号。在此, LVDT初级绕组的正弦激励信号是固定频率和振幅的,而次级绕组两端的感应信号振幅会随LVDT磁心的移动而变化。在量程范围内, LVDT次级绕组感应信号振幅对初级绕组信号振幅的比率和磁心位移间存在一个线性关系。位移测量就是将磁心的机械位移转换成次级绕组振幅对初级绕组振幅比率的变化。本电路设计中比较关键的几个问题为:
(1) LVDT输入激励信号的频率至少应大于测量时LVDT传感器触头移动频率的10倍以上[1]。激励信号频率越高,次级绕组感应信号对磁心位置的变化就越灵敏。一般激励信号频率选取范围在2.5kHz~4.5kHz间,本电路中经过实践验证,激励频率f=3.2kHz时测量效果最好。原理图中C6是用来设置激励频率的,C6的计算公式如下:
(2) LVDT输入激励信号的振幅在不使磁心饱和的情况下越大越好,根据本设计中选用的LVDT传感器情况,在此确定的振幅为3.5V效果很好。原理图中的R5是设置激励信号振幅的。R5和激励信号振幅间存在一个关系曲线(可查看AD698芯片资料),根据关系曲线,振幅为3.5V时R5=33Ω。
(3)如果LVDT外围信号调理电路是非集成的话,要保证输入激励信号振幅波动小于振幅的0.5%,否则对LVDT的精度和输出电压与磁心位移间的线性度影响较大。在此选用单片集成所有功能的AD698芯片,就不用担心上述问题,因为AD698内部通过有效措施保证了激励信号的稳定。
(4) LVDT次级绕组信号相位漂移对测量精度的影响也较大。理想情况下LVDT次级绕组和初级绕组相位差应为0,但实际中可能会有偏差。如果实验中发现次级绕组相位漂移较大,则应添加相位补偿电路。本仪器选用的是半桥LVDT传感器,相位漂移相对全桥传感器要小得多,没有必要进行相位补偿。原理图中其他主要器件的功能和参数如下:
主要用于滤波,其中fSUBSYSTEM为AD698输入信号带宽,取320Hz。电阻R6用来确定AD698输出电压范围:
主要用于滤波,其中fSUBSYSTEM为AD698输入信号带宽,取320Hz。电阻R6用来确定AD698输出电压范围:
式中S=95mV/mm为LVDT传感器灵敏度,D=5mm为LVDT传感器满量程,VOUT=5V为AD698输出直流电压最大范围。另外R3、R4用来补偿AD698输出电压的漂移,C1,C2,C3,C4用于电源滤波。
式中S=95mV/mm为LVDT传感器灵敏度,D=5mm为LVDT传感器满量程,VOUT=5V为AD698输出直流电压最大范围。另外R3、R4用来补偿AD698输出电压的漂移,C1,C2,C3,C4用于电源滤波。
3 系统软件设计
为尽量降低功耗,本测量仪开机初始化完后系统进入待机状态。而所有的功能都在中断方式下实现。其中键盘中断的优先级最高,其次是串口中断和时钟中断。执行完相应功能后仪器又进入待机状态。
4 结束语
本测量仪主要用来测量85~100mm的柱体直径,它已经在火车外轮径的检测中得到应用。测量误差小于1mm,采用两节锂电池供电。具有体积小、精度高、功耗低、携带方便等优点。有较高的实用价值。
参考文献:
[1] George Novacek. Accurate MeasurementUsing LVDTs[ J].Embeded Systems, 2000,American.
[2] Analog Device. LVDT Signal Conditioner, AD698[Z]. app。note, 1995,American.
[3]郭爱芳,杨俊英,张晓红.差动变压器式传感器的特性分析[J].郑州纺织工学院学报, 1999, (6).(郁红编发)
作者简介:杨爱民(1976—),男,硕士生,研究计算机控制与信息系统集成;宋仲康(1964—),男,副教授,研究汽车电子与应用技术。
收稿日期:2005-06
