A題(劉為、朱東、李小雄)

PAGEPAGE1位移測(cè)量裝置(A題)摘要：本設(shè)計(jì)根據(jù)差動(dòng)變壓器的工作原理，將磁芯的位移量轉(zhuǎn)換為電壓量，通過(guò)檢測(cè)電壓實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量。電路由激勵(lì)電路和測(cè)量電路兩大部分構(gòu)成。其中激勵(lì)電路部分先由信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生100kHz的正弦波信號(hào)，再經(jīng)差分放大電路驅(qū)動(dòng)差動(dòng)變壓器。通過(guò)對(duì)次級(jí)交流電壓進(jìn)行線(xiàn)性整流、濾波，再利用MSP430單片機(jī)對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣計(jì)算處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁芯的位移量的測(cè)量。數(shù)據(jù)結(jié)果用LCD顯示，直觀具體。系統(tǒng)軟件部分以實(shí)時(shí)檢測(cè)比較為編程思想，用四個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制，操作簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在測(cè)量的位移為-20~+20mm范圍內(nèi)，手動(dòng)測(cè)量誤差的絕對(duì)值不大于1.5mm，電機(jī)控制位移絕對(duì)誤差在2mm內(nèi)，較好地達(dá)到了課題設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵字：差動(dòng)變壓器、位移測(cè)量、MSP4301．系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)要求⑴基本要求①制作正弦信號(hào)激勵(lì)電路，技術(shù)指標(biāo)如下：a.頻率：100kHz；b.驅(qū)動(dòng)線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器時(shí)輸出波形無(wú)明顯失真（要求在圖1的C點(diǎn)預(yù)留測(cè)量端）。②設(shè)計(jì)、制作差動(dòng)信號(hào)測(cè)量電路，包括線(xiàn)性可變差動(dòng)變壓器，放大、整濾波等電路，數(shù)據(jù)處理和顯示等單元。在圖1中的A、B兩點(diǎn)分別輸直電壓信號(hào)VA、VB（要求A、B兩點(diǎn)預(yù)留測(cè)量端）。③用模擬或數(shù)字方法計(jì)算（要求圖1的D點(diǎn)預(yù)留測(cè)量端或顯示d值），根據(jù)d值計(jì)算、顯示實(shí)際位移量。④測(cè)量的位移范圍為-10~+10mm，測(cè)量誤差的絕對(duì)值不大于2mm。⑵發(fā)揮部分①將測(cè)量的位移范圍擴(kuò)展到-20~+20mm，測(cè)量誤差達(dá)到基本要求④。②進(jìn)一步提高位移測(cè)量精度。③設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)控制電路，要求用直流電機(jī)（不允許使用步進(jìn)電機(jī)）驅(qū)動(dòng)磁棒移動(dòng)，控制磁棒達(dá)到設(shè)定位移，位移誤差的絕對(duì)值不大于2mm。④其他。1.2總體設(shè)計(jì)方案1.2.1方案論證和比較⑴正弦信號(hào)產(chǎn)生電路方案一：RC正弦波振蕩電路。RC振蕩電路一般用來(lái)產(chǎn)生低頻率的正弦信號(hào)，它包括放大器和選頻式的RC反饋網(wǎng)絡(luò)兩大部分。采用前移相或后移相電路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的RC振蕩器稱(chēng)為相移振蕩器，采用串并聯(lián)選頻電路作為選頻的RC振蕩器稱(chēng)為文氏電橋振蕩器。其中后者是應(yīng)用非常廣泛的一種RC正弦波振蕩電路。RC振蕩電路雖簡(jiǎn)單、易搭建，但其輸出波形不好，頻率和幅度穩(wěn)定性差，只適合用在要求不高的設(shè)備中。方案二：LC正弦波振蕩電路。LC振蕩電路主要用來(lái)產(chǎn)生高頻正弦波信號(hào)，電路中的選頻網(wǎng)絡(luò)由電感和電容組成。常見(jiàn)的LC正弦波振蕩電路有變壓器反饋式、電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式。它們的選頻網(wǎng)絡(luò)采用LC并聯(lián)諧振回路。由于LC元件的標(biāo)準(zhǔn)性較差，因而諧振回路的Q值較低，空載Q值一般不超過(guò)300，有載Q值就更低，所以L(fǎng)C振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高。方案三：8038集成函數(shù)發(fā)生器。8038能輸出方波、三角波、正弦波和鋸齒波四種不同的波形，將它作為正弦信號(hào)發(fā)生器。它是電壓控制頻率的集成芯片，失真度很低?？奢斎氩煌耐獠侩妷簛?lái)實(shí)現(xiàn)不同的頻率輸出。而且輸出波形穩(wěn)定，電路設(shè)計(jì)也較為方便。綜上所述，我們選擇方案三。⑵差分輸出電路差分放大電路就其功能來(lái)說(shuō)，是放大兩個(gè)輸入信號(hào)之差。差分放大電路有兩種輸入信號(hào)和兩種輸出方式，組合后便有四種典型電路。方案一：雙端輸入，雙端輸出方式。用于輸入、輸出不需要一端接地時(shí)，常用于多級(jí)直接耦合放大電路的輸入級(jí)、中間級(jí)。方案二：雙端輸入，單端輸出方式。常用于多級(jí)直接耦合放大電路的輸入級(jí)和中間級(jí)。方案三：?jiǎn)味溯斎?，雙端輸出方式。常用于多級(jí)直接耦合放大電路的輸入級(jí)。方案四：?jiǎn)味溯斎?，單端輸出方式。用在放大電路輸入電路和輸出電路均需一端接地的電路中。根?jù)電路需要，應(yīng)選擇方案三。⑶差動(dòng)變壓器電路方案一：變隙式。這類(lèi)差動(dòng)變壓器當(dāng)初始?xì)庀洞笥?.5毫米時(shí)，輸出特性將變壞，帶來(lái)較大的測(cè)量誤差。另外，這類(lèi)傳感器不僅測(cè)量范圍小，而且結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，目前在工程實(shí)際中較少應(yīng)用。方案二：變面積式。變面積式差動(dòng)變壓器的磁芯不是固定在一起的，隨工作需要移動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)。性能可靠，靈敏度也高，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。方案三：螺線(xiàn)管式。在非電量測(cè)量中，應(yīng)用最多的是螺線(xiàn)管式差動(dòng)變壓器，它可以測(cè)量1～100mm機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)以上所述，選擇方案三。⑷信號(hào)放大濾波電路方案一：采用無(wú)源濾波器。主要是采用無(wú)源元件R、L和C組成濾波電路進(jìn)行濾波。電容濾波電路簡(jiǎn)單，負(fù)載直流電壓較高，紋波也小，但它輸出特性差，故適用于負(fù)載電壓較高，負(fù)載變動(dòng)不大的場(chǎng)合。電感濾波電路的特點(diǎn)是，整流管的導(dǎo)電角較大，峰值電流很小，輸出特性比較平坦，但由于鐵心的存在，笨重、體積大，易引起電磁干擾。一般只適用于低電壓、大電流場(chǎng)合。此外，選用無(wú)源濾波還需外接放大電路，帶負(fù)載能力差。方案二：采用一階有源濾波器。集成運(yùn)放和R、C組成的有源濾波電路，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。此外，由于集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出阻抗又低，構(gòu)成有源濾波器電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用，且?guī)ж?fù)載能力得到了提高。綜合以上方案，選擇方案二⑸數(shù)據(jù)處理部分方案一：硬件處理。由集成運(yùn)放外加反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成運(yùn)算電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的加、減、乘、除運(yùn)算處理。由于實(shí)際參數(shù)為非理想的，給運(yùn)算電路的輸出帶來(lái)誤差較大，另外，硬件電路調(diào)試不穩(wěn)定，電路的靈活性差，運(yùn)算精度也不高。方案二：軟件處理。用單片機(jī)來(lái)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集，在內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、處理，由鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)控制。這種方法具有操作方便，輸出穩(wěn)定，精度高等優(yōu)點(diǎn)。綜上所述，選擇方案二。⑹顯示界面部分方案一：采用LED數(shù)碼管顯示。LED顯示屏是由發(fā)光二極管排列組成的一顯示器件，只能顯示有限的符號(hào)和數(shù)字。用多個(gè)數(shù)碼管顯示時(shí)，連線(xiàn)比較復(fù)雜，功耗也較大。方案二：采用點(diǎn)陣式液晶顯示器（LCD）顯示。功能比較強(qiáng)大，可顯示各種字體的數(shù)字、漢字，圖像，還可以自定義顯示內(nèi)容，且界面美觀，耗電小。分析以上方案，考慮到設(shè)計(jì)中多組數(shù)據(jù)顯示的需要，選擇方案二較為合理。1.2..2系統(tǒng)組成本系統(tǒng)由正弦信號(hào)發(fā)生模塊，差分輸出模塊，差動(dòng)變壓器模塊，放大、整流、濾波模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊六部分組成。系統(tǒng)整體的原理圖如下：正弦波信號(hào)產(chǎn)生差分輸出差動(dòng)變壓器數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)顯示正弦波信號(hào)產(chǎn)生差分輸出差動(dòng)變壓器數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)顯示放大、整流、濾波2.單元電路設(shè)計(jì)⑴正弦信號(hào)產(chǎn)生電路圖2正弦波信號(hào)發(fā)生電路管腳8為調(diào)頻電壓控制輸入端，管腳7輸出調(diào)頻偏置電壓，其值（管腳6與7之間的電壓）是(V++V-/5)，它可作為管腳8的輸入電壓。此外，該器件的方波輸出端為集電極開(kāi)路形式，一般需在正電源與9腳之間外接一電阻，其值常選用10kW左右，如圖所示。當(dāng)1k電位器動(dòng)端在中間位置，并且圖中管腳8與7短接時(shí)，管腳9、3和2的輸出分別為方波、三角波和正弦波。電路的振蕩頻率f約為0.3/[C(100+1／2)]。圖中RA、RB取4.7k，在2腳得到所需正弦波，調(diào)節(jié)1k和100k電位器可使正弦波的失真達(dá)到較理想的程度。⑵差分輸出電路按題目要求，采用單端輸入雙端輸出差分放大電路進(jìn)行信號(hào)放大，電路中芯片選用TI公司的高速全差動(dòng)放大器THS4503，如下圖所示：（下圖中R2=R4=212k、R1=300、R3=270、RT=56、Rs=30，單位為歐姆）各參數(shù)計(jì)算公式如下：圖3差分放大電路⑶差動(dòng)變壓器部分圖4差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)及其等效電路位移傳感器由同心分布在線(xiàn)圈骨架上一初級(jí)線(xiàn)圈P，二個(gè)級(jí)線(xiàn)圈S1和S2組成，線(xiàn)圈組件內(nèi)有一個(gè)可自由移動(dòng)的桿裝磁芯（鐵芯），當(dāng)鐵芯在線(xiàn)圈內(nèi)移動(dòng)時(shí)，改變了空間的磁場(chǎng)分布，從而改變了初次級(jí)線(xiàn)圈之間的互感量M，當(dāng)初級(jí)線(xiàn)圈供給一定頻率的交變電壓時(shí)，次級(jí)線(xiàn)圈就產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，隨著鐵芯的位置不同，次級(jí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也不同，這樣，就將鐵芯的位移量變成了電壓信號(hào)輸出。為了提高傳感器靈敏度改善線(xiàn)性度，實(shí)際工作時(shí)是將兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈反串接，故兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈電壓極性相反，于是，傳感器的輸出是兩個(gè)次級(jí)線(xiàn)圈電壓之差，其電壓差值與位移量成線(xiàn)性關(guān)系。設(shè)計(jì)中選用螺線(xiàn)管式結(jié)構(gòu)繞線(xiàn)，考慮到磁場(chǎng)分布、寄生電容的影響以及測(cè)量范圍，繞線(xiàn)采用三節(jié)式繞法，兩次級(jí)線(xiàn)圈繞在兩邊，初級(jí)線(xiàn)圈處于中間。⑷信號(hào)整流濾波模塊有源濾波器是在運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)上增加一些R、C等無(wú)源元件而構(gòu)成的。與利用電感器、電容器實(shí)現(xiàn)濾波功能的無(wú)源濾波器相比，有源濾波器可以省去體積龐大的電感元件，便于小型化和集成化，適于實(shí)現(xiàn)較低頻率的濾波。有源濾波器所使用的基本元件主要是電阻器、電容器、晶體管和運(yùn)算放大器。設(shè)計(jì)中選用TI公司的OPA300高速低噪聲單電源CMOS運(yùn)算放大器構(gòu)成有源濾波電路，電路中整流二極管選用小信號(hào)肖特基二極管1N4148，如下所示：圖5OPA300有源濾波電路3.軟件設(shè)計(jì)鍵盤(pán)掃描自動(dòng)模式位置測(cè)量、顯示端口初始化小于設(shè)定誤差大于設(shè)定誤差停止電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)電機(jī)反轉(zhuǎn)電機(jī)位置測(cè)量顯示是否鍵盤(pán)掃描自動(dòng)模式位置測(cè)量、顯示端口初始化小于設(shè)定誤差大于設(shè)定誤差停止電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)電機(jī)反轉(zhuǎn)電機(jī)位置測(cè)量顯示是否是是否否圖6軟件流程圖4.系統(tǒng)測(cè)試4.1測(cè)試使用的儀器：20MHZ雙蹤示波器：TDS10021臺(tái)數(shù)字萬(wàn)用表：DT9205A1只20cm直尺1把4.2測(cè)試數(shù)據(jù)及其圖表移動(dòng)磁棒取點(diǎn)測(cè)量，結(jié)果如下所示：（位移單位為mm，電壓?jiǎn)挝粸閙V）圖7電壓、位移測(cè)量圖由測(cè)量結(jié)果可看出，電壓和位移變化呈線(xiàn)性，達(dá)到了題目設(shè)計(jì)測(cè)試目的。但在位移較大的部分線(xiàn)形度稍微差一些，分析其原因，主要是繞線(xiàn)結(jié)構(gòu)和外接磁場(chǎng)干擾引起。5.結(jié)論本系統(tǒng)完成了題目基本要求部分和發(fā)揮部分的全部?jī)?nèi)容，并且在完成的項(xiàng)目中部分指標(biāo)優(yōu)于題目要求，個(gè)別指標(biāo)因時(shí)間限制尚存在不足之處。若差動(dòng)變壓器的繞線(xiàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，對(duì)外界磁干擾進(jìn)行屏蔽，將使本系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高。參考文獻(xiàn)［1］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）.北京：高等教育出版社，2006年，第4版.［2］沈建華，楊艷琴.MSP430