位移测量装置报告-武汉科技学院a

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1、位移测量装置指导教师：田裕康队员及年级：丁志涛肖斌许栋（2005级）学校及院系：武汉科技学院电子信息工程学院摘要本系统是利用差动变压器完成微小位移的测量，它以单片机C8051f020作为电机控制和数据处理的中心。系统包括正弦信号激励源、差动变压器、信号测量与数据采集、位移控制等四个部分。位移量通过LCD显示，并实现了语言报数功能。软件设计采用了PID调节、平均值滤波修正等算法。测试结果表明系统工作稳定，测控精度高，完全满足题目的要求。AbstractThissystemusesdifferential

2、transformertocompletethesmalldisplacementmeasurement,whichusetheC8051f020MCUtocontrolthemotor，alsouseitasthedataprocessingcenter.Thesystemincludesincentivessinesignalsource,differentialtransformer,signalmeasurementanddataacquisition,displacementcontrol.T

3、hedisplacementisdisplayedbyLCDaswellasautomaticallyreportedbyvoice.SoftwaredesignutilizesPIDalgorithmadjustment,andusethefilteraveragetoamend.Testresultsshowthatthesystemisstableandhigh-precision,whichcompletelysatisfytherequirementsofthetitle.一、系统方案设计与论

4、证要实现满足题目要求的位移测量需要解决以下几个方面的问题：一是正弦信号激励源；二是差动变压器的设计；三是数据采集电路和电机的控制。其中的关键是在差动变压器的设计上，其对称性、线性度将直接关系到位移测量的误差。1.差动变压器原理图1.1螺线管式差动变压器示意图当磁棒上下移动，差动变压器的电感量就会随之变化。对于螺线管，其电感量为：L0=µ0n2sl,，当插入磁棒后，电感量为:L=µ0µrn2s∆l+µ0n2s(l−∆l)=µ0n20r2所以，电感量的变化量∆L=L−L0=

5、µ0(µr2的变化量∆L与铁磁棒的位移∆l成正比。故有：UaU0L+∆L=2L0UbU0L−∆L=3L0,L解得，∆L=0·2Ua−UbUa+Ub=k·d，L2+L3=L0Ua+Ub=U0即位移量∆l与d值成正比。然而实际上由于线圈和铁磁棒不是理想的均匀和对称，二者间的不可能完全是线性关系。为减小误差，需要在软件设计中采取查表运算，然后在小区间内做线性拟合，以达到更高的精确度。2.激励电路激励源包括正弦信号发生器和差动放大器两个部分：差动放大部分：考虑到正弦信号经过变压器耦合之后的信号大

6、小与加在变压器原边的输入信号的电流大小有关，要求运放的输出电流较大，而且信号是通过变压器直接耦合到变压器副边，所以这里应该采用差动放大器且该放大器输出电流较大。THS4503是TI公司的宽带、低失调全差动放大器，输出电流最小为100mA，在放大倍数为5的时候其带宽可以达到60MHz。因此THS4503既可以满足100KHz的不失真放大，又有足够的驱动能力驱动线圈。正弦信号发生器：方案一：使用分立元件，如RC桥式正弦波振荡器，LC正弦波振荡器，晶体振荡器等。RC、LC振荡电路电阻、电容以及电感不易达到精准

7、的匹配，而且受制作工艺的影响，精确度较难保证。方案二：直接数字频率合成（DDS）。利用DDS专用芯片或是利用FPGA合成DDS的方法。利用DDS芯片或是FPGA合成DDS可以达到很高的精度，完全可以达到题目的要求，但硬件结构比较复杂，成本较高。方案三：使用集成函数信号发生器芯片MAX038。MAX038是一款高精度，高频的波形发生器，能产生锯齿波、方波、正弦波，输出频率范围为0.1~20MHZ，输出波形比较稳定，硬件设计简单可靠。综上所述，正弦信号发生器采用方案三，使用MAX038产生100KHz的正弦

8、波。3.测量电路测量电路包括放大整流滤波电路和AD转换电路：a.放大部分：考虑到经过变压器耦合之后得到的信号幅值较小，直接进行精密整流误差会比较大，所以这里应该对信号进行进一步的放大。为抑制噪声干扰，提高共模抑制比，放大部分可采用仪表放大器。INA128是TI公司生产的精密仪sl+µ(µ−1)ns∆l−1)ns∆l=k∆l，即电感量表放大器，带宽较高，失调电压小，共模抑制比高，有利于减小电路的噪声信号，可以进一步提高系统的测量精度。所以采用