基于容栅的线位移测量系统设计说明.doc
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1、编号毕 业 设 计(论文)题目 基于容栅的线位移测量系统设计 二级学院 电子信息与自动化 专 业 测控技术与仪器 班 级 学生 xxx 学号 指导教师职称 时 间52 / 54目 录摘要Abstract第一章 绪论1.1容栅位移传感器的研究背景1.2 容栅位移传感器测量系统技术支持简介1.2.1 传感器技术1.2.2 检测技术系统概述1.2.3 智能仪器技术概述1.3 本课题设计任务1.3.1 本课题的任务要求1.3.2 设计思路的可行性分析1.3.3 本课题的关键1.3.4 关键问题的解决思路1.4 本章小结第二章 容栅位移传感器测量系统原理方案设计2.1容栅线位移传感器的提出背景2.1.1
2、 容栅结构的提出2.1.2 尖脉冲信号的提出2.2容栅位移传感器测量系统的总体设计方案2.3 容栅位移传感器测量系统各单元原理设计2.3.1输出信号的整形2.3.2信号的细分处理2.3.3容栅位移传感器采集信号的辨向问题设计方案2.3.4栅极板结构尺寸设计2.4 本章小结第三章 容栅位移传感器测量系统硬件电路设计3.1测量系统硬件电路总体设计方案3.2微处理器的选择LPC21383.2.1 LPC2138引脚描述3.2.2 LPC2138晶振电路设计3.2.3 LPC2138复位电路设计3.2.4 LPC2138电源电路设计3.2.5 LPC2138显示电路设计3.3 LPC2138外围信号处
3、理电路模块设计3.3.1放大整形电路模块设计3.3.2微分电路模块设计3.3.3辨向电路模块设计3.4 本章小结第四章 系统软件设计4.1系统开发平台简介4.1.1 Proteus 7.4简介4.1.2 VC+6.0简介4.2基于LPC2138系统程序设计4.2.1 系统程序的总体方案设计4.2.2 外部中断复位程序设计4.2.3 数据的运算程序设计4.2.4 LCD子程序设计4.3 本章小结第五章 实物制作5.1元器件材料准备5.2 制作注意事项5.3 实物图5.4 本章小结第六章 总结致参考文献附录文献综述摘 要本文的侧重点主要探究其容栅的线位移结构的测量原理和信号的处理以与相关电路设计。
4、在现代智能化测量领域,容栅位移传感器起着重要的作用。在测量过程中,容栅的定极板与动极板以梳齿式的方式进行电容耦合。通过极板电容耦合产生的周期性变化的类似正余弦测量信号。在信号的放大过程中,采用较为可靠的仪用放大器AD620对信号进行放大。放大后的信号通过过零比较器LM324整形成为方波。在测量计数过程中,由于涉与重要的信号辨向处理,需要将信号处理成易于辨识移动方向的尖脉冲信号。于是采用微分电路和可逆计数器74LS192实现。最后在完成测量数据的数显中,运用LPC2138将获得的计数信号转化成LCD显示的相关测量结果。该设计融合了传感器检测技术和信号的处理技术以与软件的数显技术。对进一步学习研究
5、容栅位移传感器测量系统具有一定的参考价值。关键词:容栅;正余弦信号;微分电路;辨向处理;尖脉冲;LPC2138AbstractThe emphasis of this dissertation is mainly to explore the capacitive gate displacement of structure and measurement principle of signal processing and circuit design.In the modern intelligent measurement, capacitive displacement sensor
6、plays an important role in. In the process of measurement, capacitive fixed plate and the movable plate to comb type of capacitive coupling. Capacitive coupling through the periodic change of the similar sine and cosine signals. In signal amplification process, using more reliable instrument amplifi
7、er to amplify the signal of AD620. The amplified signal through the zero cross comparator LM324shaping as square wave. In the measuring process of counting, due to the important signal to identify treatment, need to signal processing into easy to identify the direction of movement of the spike pulse
8、 signal. Then the differential circuit and reversible counter74LS192. After the measurement data of the digital display, using LPC2138will count signal into LCD display measurement results.The design incorporates sensor detection technology and signal processing technology and software of the digita
9、l display technology. To further the understanding of modern intelligent instrument which has a certain reference value.Keywords: fixed plate;the movable plate; sine and cosine signal; differential circuit; direction discrimination processingpulse; LPC21381绪论在现代信息化技术迅猛发展的今天,智能化系统越来越受到人们的支持和关注。发达的制造工
10、业能够为我们的社会带来巨大的贡献。于是在制造过程中就必不可少的涉与测量领域。高速、精准、智能化的测量是时代的发展要求1,这就催生了容栅位移传感器的诞生。虽然,容栅位移传感器的发展始源与上世纪80年代,但是其发展前景是值得重视和期待的。下面我们就围绕容栅位移传感器进行相关介绍和设计,相信会给读者带来不一样的收获。1.1容栅位移传感器的研究背景现代信息技术已成为众多领域里发展最快的科学,同时也是极具蓬勃发展前景的学科之一。在信息科学里,捕捉信息、筛选信息、传输信息、处理信息已成为其关键环节。然而信息的捕获工具就是传感器。在现代信息化时代,尤其是工业高速发展时期,传感器成为了重要的测控系统的信息入口
11、。随着信息时代的到来,国外传感器技术已成为优先发展的技术领域之一。就目前来看,我国的传感器技术发展相对较为薄弱。因为传感器的可靠性技术对于整个自动检测系统的数据获取的准确性和稳定性是至关重要的,然而,我国在这方面的研究还处于较低水平。从当前使用的围来看,传感器2大致分为这几类:电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、光电式传感器、热电式传感器、核辐射传感器等。现代传感器正向着微型化、智能化、多功能化和可靠性水平方向发展。容栅测量系统的测量原理新颖,测量电路独特,使其构成的测量仪器工作可靠,精度高、工耗低、测量速度快、重量轻、抗干扰性能强、抗振动、耐污染,并且组装的
12、成品率高,是许多位移传感器测量系统无法比拟的。因此,各国对其发展极为重视。容栅线位移传感器运用方向也从最初的大位移长度测量扩大到角度测量等领域。瑞士Trimos公司的电子数显高度仪测量围在500mm时,其精度可达到0.005mm以而测量围在1000mm时,其精度可控制在0.01mm以。国在开发容栅系统方面也取得了很大成效。已能提供电子数显卡尺、电子数显千分尺、电子数显千分表电路等各种测量仪器使用的容栅测量系统。此次课题的设计,就是基于线位移测量系统的容栅传感器的研究设计。1.2容栅位移传感器测量系统技术支持简介1.2.1传感器技术传感器2是指能够间接的感受到需要被测定的物理量并且按照一定的变化
13、规律转换成为可用输出的信号的处理装置就叫传感器。传感器一般由敏感原件和转换装置构成。其中敏感元件使之传感器中能够直接感受被测量的部分,转换元件是指传感器能够将敏感元件的输出信号转换成适于传输和测量的电信号部分。其中,传感器输出信号由很多种形式,如电压、电流、频率、脉冲等,输出信号的形式由传感器的结构原理决定传感器通常由敏感元件和转换装置构成。但是由于传感器的输出信号一般都是弱电信号,因此需要信号调节和转换电路将其放大或变换成为易于传输、处理、记录和数显的方式。传感器是上个世纪80年代提出的学科领域。经过30多年的发展现已朝着微型化、智能化、多功能化和可靠性水平方向发展。所以在实物安装中是以集成
14、芯片3形式。其组成如图1-1所示.图1-1传感器组成框图1.2.2 检测技术系统概述检测技术6是将自动化、电子、计算机、控制工程、信息处理、机械等多学科多种技术融合为一体的综合运用符合技术。然而测量是确定被测对象属性量值为目的的全部操作。那么作为一种完整的测量系统45,能够在生产生活中得到充分运用,这一理论系统由相关的器件、仪器和测试装置有机的组合而成的具有获取某种信息的功能的整体。如图1-2所示。被测对象传感器信号调理信号处理数据显示与记录图1-2 检测系统构成框图1.2.3 智能仪器技术相关概述(1)智能仪器7:计算机技术与测量仪器相结合,含有微型计算机或微处理器的测量仪器,并对数据进行存
15、储、运算、逻辑判断与自动化操作等功能,有一定智能作用的仪器就是智能仪器。 (2) 智能仪器技术涵盖:电子测量技术、放大滤波技术、传感器技术、信号处理技术、程序设计技术、数字显示技术。(3) 智能仪器的功能包含:传统仪器的功能以与传感器智能化,控制器智能化功能;数据传送与处理功能;多信息融合技术功能;辅助诊断功能。(4) 智能仪器的关键是系统的可靠性和稳定性。(5) 智能仪器的基本结构8框图如图1-3所示。图1-3智能仪器的基本结构框图1.3 本课题设计任务根据电容式传感器的工作原理,设计一能实现高精度(分辨率达到0.1mm)微位移测量的容栅线位移测量系统。1.3.1 本课题的任务要求:(1)基
16、于线位移传感器测量原理,掌握容栅位移传感器的栅极工作原理。(2)掌握并学会应用栅极输出信号的处理方法。(3)提出改进容栅传感器栅极测量的精确度方法,要求分辨率达到0.1mm。(4)设计系统模块硬件电路图,并完成软件的程序编写。(5)完成系统硬件电路调试和测量数据分析系统设计。1.3.2 设计思路的可行性分析:(1)掌握电容传感器工作原理,结合栅极移动信号的产生过程,完成对容栅传感器工作原理的熟悉。(2)掌握对采集信号进行放大、调幅、调频、调相的处理方法。(3)要求提高其精度,应相应增加其正对的栅极板数量,同时采用三极板式可有效提高抗干扰,从而提高测量精度。(4)在信号处理中,需要采用放大电路和
17、调制电路,将其整合成便于测量的信号。测量得到的数据,需要通过程序驱动显示。可参照数显程序编写。(5)结合实验室设备完成数据的测试,同时运用软件对数据进行拟合得出结果。1.3.3本课题的关键问题:(1)容栅传感器栅极的布置。(2)容栅位移传感器动极板栅极信号的处理。(3)栅极移动过程号辨向的处理方法。(4)如何运用电信号转换成测量位移值。1.3.4 关键问题的解决思路:a.栅极的布置:采用三极板式容栅。为了提高精度,定栅一极与动栅多极对应,形成多路信号。从而实现高精度测量。b.信号处理:各路栅极输出的信号,需通过一定的放大电路和调制电路,经整合后以脉冲数字信号输出。c.辨向处理:采集信号代表移动
18、方向的变化情况。因此,需要一路参考信号作为移动方向的标准。对输出的两路信号通过电路进行比较分析,就可实现辨向。d.数显处理:通过LPC2138芯片读取计数值,然后启动程序进行相应计算显示测量结果。 1.4 本章小结容栅位移传感器作为一种新型传感器,无论是在工业生产领域还是航空航天领域都具有其开发使用的潜在价值。在本课题研究上,提出了容栅位移传感器测量系统的许多知识点,相信读者收获斐然。但由于作者的研究水平有限,还有很多的不足之处,希望读者谅解,同时也中肯批评指正。2容栅位移传感器测量系统原理方案设计容栅位移传感器是基于电容传感器的工作原理提出的设计。通过以下分析得出容栅位移传感器测量系统设计主
19、要围绕三大部分:栅极板结构布局设计、信号处理电路设计、系统数显设计。尤其是在信号处理电路设计中涉与到信号的放大、微分整形和位移的辨向非常关键。下面就主要介绍如何提出容栅位移传感器测量方案以与各个部分原理的设计进行详细阐述。2.1 容栅线位移传感器的提出背景由于本课题的任务要根据电容传感器工作原理来设计容栅线位移传感器9。于是我们先从电容式传感器着手分析。2.1.1 容栅结构的提出由物理知识得知,两块平行金属板组成的电容器,其电容值为 C=s/4kd; (2-1)式中S两个极板相对有效面积;d两个极板间的距离;两个极板间介质的介电常数。于是根据其计算公式知道,、s、d参量可以导致电容值发生变化。
20、那么电容式传感器就可归纳为变极距型、变面积型和变介电常数型传感器。但是由于本课题的要满足位移测量,所以综合考虑只能采取变面积型传感器来实现本课题设计。在变面积式电容传感器中,单极式电容表达式简写为 C=s/ d (2-2)假设初始电容值为 C0=s0/d; (2-3)其中 s0=a*L。 (2-4) 当极板之间发生相对移动a时,传感器的电容为 C=(a-a)*L/ d (2-5)于是可求得C= C0- C=a*L/ d (2-6)其灵敏度为C/a=*L/ d (2-7)所以由上述可得电容式位移传感器灵敏度为常数,线性度10良好。由电容的变面积式结构图2-1可知单独的两块金属极板能够发现,我们在
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