基于光纤传感器的位移测试系统的设计学位论文.doc

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1、济南大学毕业设计毕业设计题 目 基于光纤传感器的 位移测量系统的设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 机自0702班 学 生 王培荣 学 号 20070403189 指导教师 马玉真 二一一年 五 月二十日- 1 -济南大学毕业设计1 前言1.1研究现状位移是工业产品的重要特征参数，以往典型的测位移方法是依靠机械接触，但在现代工业生产中，越来越高的加工精度和技术指标要求有新型、快速、柔性好、能直接在生产过程中进行非破坏性产品质量检测的测量方法。因此新型的测量方式越来越得到人们的需求。随着机械工业的需要，大位移的测量也在逐渐向微小位移的方向发展。位移的测量的方式已经逐步由

2、以前简陋的纯手工测量转变为较精准的系统测量，而测量方法也由单纯的机械测量衍化为由光、电等技术参与的复杂测量。随着现代科学技术的发展, 信息的获得显得越来越重要。光纤传感器是继光学、电子学为一体的新型传感器, 与以往的传感器不同, 它将被测信号的状态以光信号的形式取出。传感器正是感知、检测、监控和转换信息的重要技术手段。光信号不仅能被人所直接感知, 利用半导体二极管如光电二极管等小型简单元件还可以进行光电、电光转换, 极易与一些电子装配相匹配, 这是光纤传感器的优点之一；另外光纤不仅是一种敏感元件, 而且是一种优良的低损耗传输线； 因此, 光纤传感器还可用于传统的传感器所不适用的远距离测量。近年

3、来光纤传感器得到了越来越广泛的应用。1.1.1 国内研究现状清华大学李达成等专家成功研制在线测量超光滑表面粗糙度的激光外差干涉仪，该仪器用稳频半导体激光器为光源，其光路设计提高了抗外界环境干扰的能力，其横向和纵向分辨率分别为0.73m和0.39nm。李岩等提出了一种基于频率分裂激光器的光强差法的纳米技术测量原理。天津大学刘安伟等专家在量子隧道效应的基础上，创建了适用于平坦表面的用于扫描隧道显微镜微测量轮廓的数学模型，仿真结果较好地反映了扫描隧道显微镜对样品表面轮廓的测量过程。国内的江西科学院、清华大学、南昌大学等单位采用扫描探针显微镜系列，如原子力显微镜、扫描隧道显微镜等，对高精度纳米和亚纳米

4、量级的光学超光滑表面的粗糙度和微轮廓进行测量研究。中国计量学院朱若谷提出了一种能补偿环境影响、插入光纤传光介质的补偿式光纤双法布里珀罗微位移测量系统，适合于纳米级微位移测量，可用于检定其它高精度位移传感器、几何量计量等。中国科学院北京电子显微镜实验室成功研发了一台利用光学偏转法检测的原子力显微镜，通过对光盘、云母、光栅等样品的观测证明该仪器达到原子分辨率的水平，仪器的最大扫描范围可达到7m7m。中国计量学院朱若谷、浙江大学陈本永等专家提出了一种通过测量双法布里一珀罗干涉仪透射光强基波幅值差或基波等幅值过零时间间隔的方法进行纳米测量的理论基础，给出了检测扫描探针振幅变化的新方法。浙江大学卓永模等

5、成功研制双焦干涉球面微观轮廓仪，解决了对球形表面微观轮廓进行亚纳米级的非接触精密测量问题，该仪器具有0.1nm的纵向分辨率及小于2m的横向分辨率。中国计量科学研究院研制了用于研究多种微位移测量方法标准的高精度微位移差拍激光干涉仪。中国计量科学研究院、清华大学等研制了用于大范围纳米测量的差拍法珀干涉仪，其分辨率为0.3nm，测量范围11m，总不确定度优于35nm。1.1.2 国外研究现状国外于1982年发明并使其发明者Binnig和Rohrer（美国）荣获1986年物理学诺贝尔奖的扫描隧道显微镜（STM）。1986年，Binnig等人利用扫描隧道显微镜测量近1018N的表面力，将扫描隧道显微镜与

6、探针式轮廓仪相结合，发明了原子力显微镜，在空气中测量，达到横向精度3n m和垂直方向01n m的分辨率。California大学SAlexander等人利用光杠杆实现的原子力显微镜首次获得了原子级分辨率的表面图像。日本SYoshida主持的Yoshida纳米机械项目主要进行以下二个方面的研究： 利用激光干涉仪测距，在激光干涉仪中其开发的双波长法限制了空气湍流造成的误差影响；其实验装置具有1n m的测量控制精度； 利用改制的扫描隧道显微镜进行微形貌测量，已成功的应用于石墨表面和生物样本的纳米级测量。 英国：国家物理研究所对各种纳米测量仪器与被测对象之间的几何与物理间的相互作用进行了详尽的研究，绘

7、制了各种纳米测量仪器测量范围的理论框架，其研制的微形貌纳米测量仪器测量范围是0.01nm3nm和0.3nm100nm。Queensgate仪器公司设计了一套纳米定位装置，它通过压电驱动元件和电容位置传感器相结合的控制装置达到纳米级的分辨率和定位精度。日本国家计量研究所研制了一套由稳频塞曼激光光源、四光束偏振迈克尔干涉仪和数据分析电子系统组成的新型干涉仪，该所精密测量已涉及一些基本常数的决定这一类的研究，如硅晶格间距、磁通量等，其扫描微动系统主要采用基于柔性铰链机构的微动工作台。德国：TGddenhenrich等研制了电容式位移控制微悬臂原子力显微镜。Warwick大学的Chetwynd博士利用

8、X光干涉仪对长度标准用的波长进行细分研究，他利用薄硅片分解和重组X光光束来分析干涉图形，从干涉仪中提取的干涉条纹与硅晶格有相等的间距，该间距接近02nm，他依此作为校正精密位移传感器的一种亚纳米尺度。在PTB进行了一系列称为1nm级尺寸精度的计划项目，这些研究包括：提高直线和角度位移的计量；研究高分辨率检测与表面和微结构之间的物理相互作用，从而给出微形貌、形状和尺寸的测量。目前，已完成亚纳米级的一维位移和微形貌的测量。1.1.3 微位移测试的发展纵观微位移测量技术发展的历程，它的研究主要向两个方向发展： 一是发展建立在新概念基础上的测量技术，利用微观物理、量子物理中最新的研究成果，将其应用于测

9、量系统中，它将成为未来微位移测量的发展趋向； 二是在传统的测量方法基础上，应用先进的测试仪器解决应用物理和微细加工中的微位移测量问题，分析各种测试技术。提出改进的措施或新的测试方法。 但微位移测量中存在的一些技术问题阻碍了它的快速发展。相应微位移测量环境的建立一直是将微位移测量的目标实现亟待解决的问题之一，而且在不同的测量方法中需要的微位移测量环境也是不同的,目前应该建立一个合适的微位移环境,寻求新的测量原理和多种技术的综合应用。同时，对微位移材料和微位移器件的研究和发展来说，表征和检测起着至关重要的作用。由于人们对微位移材料和器件的许多基本特征、结构和相互作用了解得还不很充分，使其在设计和制

10、造中存在许多的盲目性，现有的测量表征技术就存在着许多问题。此外，由于微位移材料和器件的特征长度很小，测量时产生很大扰动，以至产生的信息并不能完全代表其本身特性。这些都是限制微位移测量技术通用化和应用化的瓶颈，因此，微位移尺度下的测量无论是在理论上，还是在技术和设备上都需要深入研究和发展。1.2选题意义传感器作为信息系统的源头,在很大成分上是决定系统特性和性能指标的关键部件。在客观对象的监测、测试、检测、测量、导航、定位、控制、分析、制导、跟踪及健康管理等装置中,传感器是不可或缺的且在一定程度上是能够决定系统性能的重要组成部分。因此,不仅是元器件、材料和部件,还是系统研发者现在都对传感器进展保持

11、相当高关注度。传感器是工程和科学共同孕育出的产品,既依赖于科学发展的新现象和新规律,又依赖于新型工程的技术和工艺。与其它传感器相比，光纤传感器具有广阔的应用前景和独特的优点，随着目前国内经济的高速发展，光纤传感器的市场前景夜已经变得非常诱人。从目前的发展现状及文献报道情况来看光纤传感器, 它已经具有了相当广阔的应用空间, 其研究方向的心目标是:（1）开展对采用多路复用技术的光纤传感器系统的研究, 特别是将其于微机相结合组成光纤遥测系统以进行多参数测量与控制。（2）解决光纤传感器的实用化问题, 主要是长时间的漂移问题。（3）基础技术及元器件进一步研究的发展。与有源及无源期间的稳定性和可靠性密切相

12、关的是光纤传感器的性能, 然而随着基础科学技术的不断进步、元器件性能的不断完善, 光纤传感器必然将得到更广泛的应用。光纤位移传感器样机示意图如图1所示。图1 光纤位移传感器样机1.3 设计要求该设计题目属于机电一体化系统设计的内容，应用到课程包括：测试技术、机电一体化系统设计、机械设计、机械原理、机械零件、机电传动、机械制图、理论力学、材料力学、机械制造及基础、互换性与技术测量、数控技术、计算机辅助电路设计、计算机辅助绘图等。根据所学专业知识，完成基于光纤传感器的微位移测量系统的的整体设计，包括微小位移的产生和进给系统、传感器安装和固定系统、手动控制系统等几个部分。该系统的指标如下：1系统最大

13、检测位移为3mm；2位移进给采用螺旋传动；3被测位移装置可以在导轨槽内移动，实现大位移的调整，传感器可以适当上下调整；4位移进给装置应具有读数功能。2 光纤位移测量系统的整体设计2.1 方案的选择传动方式的选择螺旋传动是利用螺杆和螺母的啮合来传递动力和运动的机械传动。主要用于将旋转运动转换成直线运动，将转矩转换成推力。按工作特点，螺旋传动用的螺旋分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋。传力螺旋:以传递动力为主,它用较小的转矩产生较大的轴向推力,一般为间歇工作,工作速度不高，而且通常要求自锁，例如螺旋压力机和螺旋千斤顶上的螺旋。传导螺旋：以传递运动为主，常要求具有高的运动精度，一般在较长时间内连续工作

14、，工作速度也较高，如机床的进给螺旋（丝杠）。调整螺旋：用于调整并固定零件或部件之间的相对位置，一般不经常转动，要求自锁，有时也要求很高精度，如机器和精密仪表微调机构的螺旋。按螺纹间摩擦性质，螺旋传动可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动。滑动螺旋传动又可分为普通滑动螺旋传动和静压螺旋传动。螺旋传动应用示意图如图2.1、图2.2所示：图2.1 螺旋传动应用示意图图2.2 螺旋传动应用示意图光纤传感器的选择光纤的纤径R是一个很重要的参数，从传感器的线性范围和灵敏度来考虑选用芯径较大的光纤有益于测量。另一方面光纤与光源的光能耦合的损失很大，射向被测面所反射回来的光能被光纤接受的光相当微弱，易被背景光淹没，

15、即信噪比很低。这将增加光电转换器件和前置放大以及模拟信号处理部分的难度，因此选用大芯径的光纤是有必要的。但因为应用场合的影响，光纤直径过大可弯半径有限，一些检测空间狭小的地方就不能用。另外光纤芯径大要求被测反射面也大，如果被测反射面小将增加误差不适合检测表面小的被测面。考虑到很多因素本文中所采用的光纤结构的具体的光纤参数如下：NA=0.63 r=23.5m c=1.5m，相邻光纤轴间距l=53m 纤端出射光强模型基于准高斯分布=1 =0.05，其中NA 为数值孔径r 为纤心的半径c 为光纤包层的厚度玻璃光纤的半径为25m。光缆的选择：一般，石英玻璃光纤由于其低损耗、高带宽而用于长距离通信链路，

16、例如，以太网和FDDI标准指定采用多模 62.5125m石英玻璃光纤。这些细纤芯的光纤需要高精度连接器以减少耦合损耗，对于工业应用，需要低成本的光缆和连接器。因此，1mm的 POF（Plymer Optical Fibers）和200m的HCS(Hard Clad Silica）光纤是最好选择，它们均属于阶跃折射率的多模光纤。1mm POF的典型损耗值应在650nm，波长时为0.2dBm，而200m HCS光纤在650mm波长典型损耗值为8dBkm，在820nm波长损耗时更少。HCS光纤的核心是石英玻璃，包层是专用的高强度聚合物，不仅增加了光纤的强度，而且还能防潮防污染，外护套则是2.2mm聚

17、氯乙烯。HCS光纤可在一4085的温度范围内工作，架设温度范围为一20一+85，在性能与价格上均可满足系统要求。光纤传感器实物图如图2.3所示，光纤传感器数字信号处理系统的实验电路板图2.4所示：图2.3 光纤传感器实物图图2.4 光纤传感器数字信号处理系统的实验电路板 此方案的优点有：简单、切实地解决近距离设定时光量饱和、远距离设定时受光量不足的问题。同时，还避免了以往模式切换方式下调整功率所带来的响应速度变化。此方案可以更好的对微小位移的变化进行全方位的检测及测量，达到高速、高精度的模拟量输出。同时还可以达到远程输入，远程输出的目的。并且，此方案非常适合实际生产，实际应用价值高，所以选用此

18、方案来进行有效地传动及测量。2.2 系统的整体设计2.2.1 数据采集对于该测试系统而言，要做到高的精度才能保证系统的准确性。为此我们需要采集光纤传感器来检测系统产生的微小位移。再利用数据线将光纤传感器采集到的信息输送到信息处理中心，通过PC机来实现数据的存储和显示，以此来潘丹微小位移的产生和变化。2.2.2 机械结构与固定对基于光纤传感器的位移检测系统，需要通过光纤传感器来检测并采集数据，为了能够获得较为精确地变化量比较小的微小位移，系统采用传统的机械传动装置，即利用手动装置来带动整个系统的运动。工作时，通过手动摇柄的转动，来带动丝杠的螺旋传动来使工作台移动，从而产生微小位移。再通过光纤传感

19、器来进行数据的检测以及处理。2.2.3 数据处理由于通过传感器采集的信号在一般情况下是模拟信号不能被计算机识别，且采集的信号功率较小。所以在一般情况下的数据测量系统首先利用光纤传感器来采集微小位移信号，将采集到的信号经测量电路转化为电压信号并且进行放大，然后将放大的模拟信号传动给A/D转换器，转化为数字信号后输送给单片机，然后利用单片机进行数据处理，并最终在PC机显示器上显示出所测得的微小位移。2.2.4 支架固定机构 为了减小装置系统在检测过程中发生机构移动给测量精度所带来的损失，所以装置系统底座采用比较大的质量来使机构紧固在实验台上，以完成每个测量位置的测量精度的要求。2.2.5 数据显示

20、 为了能够实现与电梯相应的功能，我们要加相应的显示器保证在每个按键处都能看到小车处于的位置。我们在各线上特别加了一个显示器。显示小车现在处的位置，利用LED显示器。接到芯片8155上，利用共极显示保证现实的数据相同，在此他们同时显示，而且是相同数据。为了能实时地再现内孔表面的轨迹特征，并能够人为主观的调节测头的测量范围，要实时地跟踪显示传感器测量结果，通过键盘，显示其接口实现该性能的要求，并通过数据总线传输给打印机外设中，绘制出测量轨迹的图线。3 基于光纤测量系统的机械结构设计此系统的主要组成部件由底座、丝杠、传感器支架、滑动导轨等部分组成。由于系统有XY两个方向的运动，所以需要两个传感器支架

21、来满足两个方向的进给。底座可通过参考同类产品来选择满足尺寸要求的即可。传感器支架按满足系统的设计要求来进行相应的设计，滑动导轨则可以按照相应规格来进行选择对系统合适的，而对丝杠的选择需要进行一定的计算。3.1 仪器底座的设计底座是用来装夹测量装置和固定工作台的平台，在底座上应用准确度较高的平导轨来支撑工作台进行移动，导轨的加工精度要求比较高。其次，底座还要起到固定整个系统的作用，以免工作台在工作时发生移动现象，造成没有必要的误差。底座的材料选择HT200，采用铸造的方法来得到。3.2传感器的安装装置为了符合系统的要求，在进行微小位移进行测量时，传感器安装在如下图所示的装置上：图3.1 传感器安

22、装支座此支座可通过竖轴和横轴分别进行上下、左右以及前后的方向调节，以保证传感器能准确的定位在测量部位。支座整体安装在底座上，由此来对机械装置产生的微小位移进行测量。这样可以尽量的减小由装置本身所带来的误差。3.3 丝杠的选择与校核 丝杠的主要作用是支撑工作台支架的重量并使工作台产生XY方向的进给，所以丝杠的设计主要是他的强度，丝杠的耐磨性。丝杠中径d的计算，单位mm：梯形螺纹和矩形螺纹的计算公式： F是轴向载荷，单位N，假设F=1000N；P是材料的需用应力，单位MPa，螺杆材料和螺母材料选用45，转速为低速，则查机械设计P=10MPa；整体式螺母，取=2；带入计算得：d=5.6mm；基于本课

23、题测量的精度问题，丝杠不能发生弯曲变形。所以丝杠的直径不能取得太小，故可取丝杠的公称直径d=40mm；查表可知：导程和螺距都为L0=P=3mm，所以齿高为2mm。由于所选丝杠的直径远大于所需要的，所以所选的丝杠定能满足使用要求。如图3-1所示为丝杠的示意图： 图3.2 丝杠3.4 轴的校核 （1） 强度校核 由于检测系统的轴仅仅是作传动轴，主要用于承受扭矩，因此可以按扭转强度条件计算，且由于该系统的转速不是很高。所以不存在瞬时过载很大火应力循环不对称性等情况，所以不用校核静强度。校核步骤如下轴的扭转强度条件为 (3.5)式中：-扭转切应力，Mpa； T-轴所受的扭矩，Nmm； Wt-轴的抗扭界

24、面系数，mm3； n-轴的转速，r/min； P-轴传递的功率，KW； d-计算截面处轴的直径，mm； -许用扭转切应力由3-5可得轴的直径 (3.6)式中，,查表15-3，对于系统的轴材料为45#时，A0=126-103蜗轮的功率 P2=P1*0.8=0.422576 (3.7)轴的转速 (3.8)代入式3.6得 (mm)传动轴的轴径分为5部分，其直径分别为：30mm，37mm，45mm，39mm，30mm；均满足要求，则此轴的强度合格，能满足工作要求。 （2）扭转刚度校核 轴的扭转变形用每米长的扭转角表示 。圆轴扭转角(度/米)的计算公式为： 阶梯轴 (3.9)式中：T-轴所受的扭矩，Nm

25、m； G-轴的材料的剪切弹性模量，MPa，对于刚才，G=8.1*104 MPa； Ip-轴截面的极惯性矩，mm4，对于圆轴，IP=； L-阶梯轴受扭矩作用的长度，mm； Ti，li，IP-分别代表阶梯轴第i段上所受的扭矩、长度和极惯性矩，单位为Nmm轴的扭转刚度条件为 (3.10)检测系统为一般传动轴，可取由传动装置：L=175，d=30，Ii=175 (3.11)代入数据得，满足设计要求，由于取轴上最小直径作为轴的扭矩条件，则直径大的直径一定符合要求在相同材料的情况下，因此轴上其它轴端的尺寸也符合工作性能要求传动轴合格。4 电路与芯片的设计现今我国使用的主流单片机是MCS-51系列单片机，M

26、CS-51系列单片机包括8031、8051、8751三种单片机，8751单片机具有EPROM，很适合开发样机，但价格昂贵，小批量生产则需要再进一步完善后使用；8051单片机的EPROM程序是Intel公司制作芯片时为用户制备的，因此在国内很难运用到8051型芯片；而8031单片机内没有ROM，需扩展ROM。基于本课题的设计要求，所以这里选用使用很广的MCS-51系列单片机中的8051单片机。本系统的电路设计方面主要需用8051单片机一块，74LS373一块，6264一块，ICL7109一块，8155一块。下面主要对重要芯片的引脚及功能进行介绍。4.1 8051单片机简述 8051芯片引脚及功能

27、 8051芯片有40根引脚，其引脚如图4-1所示，其中：1、电源线：2根Vcc：编程和正常操作时的电压电源，接5V。Vss：地电平。2、晶振： 2根XTAL1：振荡器的反相放大器输入，使用外部振荡器时必须接地。XTAL2：振荡器的反相放大器输出和内部时钟发生器的输入，当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号。3、 I/O口共有P0、P1、P2、P3四个8位口，32根I/O线，其功能如下：4、 P0口（39脚至32脚）：是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。 P1口（1脚至8脚）：是准双向8位I/O口,专供用户使用。

28、 P2口（21脚至28脚）：是准双向8位I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。 P3口（10脚至17脚）：是准双向8位I/O口，在MCS-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。 作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。 作为第二功能使用时，各引脚的定义如表所示。 值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。 P3各口线的第二功

29、能定义 ： P3.0 10 RXD（串行输入口） P3.1 11 TXD（串行输出口） P3.2 12 INT0（外部中断0） P3.3 13 INT1（外部中断1） P3.4 14 T0（定时器0外部输入） P3.5 15 T1（定时器1外部输入） P3.6 16 WR（外部数据存储器写脉冲） P3.7 17 RD（外部数据存储器读脉冲）4、控制线RST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。ALE/PROG（30脚）：当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位

30、字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。PSEN（29脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。EA/VPP（引脚）：对于常用的8051来说，无内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。图4.1 8051引脚图4.2 外部存储器设计基于本课题的使用要求，本课题选用8051单片机，1片ICL7109，由于用到外部存储器，故必须是有地址锁存器和译码器，在此选择74LS373地址锁存器和74LS

31、138译码器。如图4.1所示：图4.2 74LS373引脚图74LS373是八D锁存器(3S,锁存允许输入有回环特性) ，常应用在地址锁及输出口的扩展中。简要说明: SN74LS373, SN74LS374常用的8d锁存器,常用作地址锁存和i/o输出.可以用74hc373代换.74LS373是低功耗肖特基TTL8D锁存器，74H373是高速CMOS器件，功能与74LS373相同，两者可以互换。74LS373内有8个相同的D型(三态同相)锁存器，由两个控制端(11脚G或EN；1脚OUT、CONT、OE)控制。当OE接地时，若G为高电平，74LS373接收由PPU输出的地址信号；如果G为低电平，则

32、将地址信号锁存。工作原理：74LS373的输出端O0O7可直接与总线相连。当三态允许控制端OE为低电平时，O0O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，O0O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平。 图4.3 74LS138引脚图（1）74LS138 为3 线8 线译码器，共有 54/74S138和 54/74LS138 两种线路结构型式，其74LS138工作原理如下：当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/(G2A)和/(G2B)）为低电平时，

33、可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。 （2）74LS138的作用:利用 G1、/(G2A)和/(G2B)可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。 若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。4.3 A/D转换器设计本课题用到电容传感器，且电容传感器测得是模拟信号，所以必须经过A/D转换成数字信号，单片机才能处理。在此选择ICL7109型A/D转换器。ICL7109是一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分式12位A/D转换器。由于目前逐次比较式的高速12位A/D转换器一般价格都很高，在要求速度不太

34、高的场合，如用于称重，测压力等各种高精度测量系统时，可以采用廉价的双积分式高精度A/D转换器ICL7109。ICL7109最大的特点是其数据输出为12位二进制数，并配有较强的接口功能，能方便的与各种微处理器相连。 ICL7109的功能引脚： ICL7109为40引脚双列直插式封装，其引脚如图4-3所示。各引脚功能如下：GND：数字地，0V STATUS：状态输出，ICL7109转换结束时，该引脚发出转换结束信号 POL： 极性输出，高电平表示ICL7109的输出信号为正 OR： 过程量状态输出，高电平表示过程量B1B12：三态转换结果输出，B12为最高位，B1为最低位TEST： 此引脚仅适用于

35、测试芯片，接高电平时为正常操作，接低电平时则强迫所有位B1B12输出为高电平LBEN： 低电平使能端。当MODE和CE/LOAD均为低电平时，此信号将作为低位字节（B1B8）输出选通信号；当MODE位高电平时，此信号将作为低位字节输出。 HBEN： 高字节使能端。当MODE和CE/LOAD均为高电平时，此信号将作为高位节（B8B12）以及POL，OR输出的辅助选通信号；当MODE位高电平时，此信号将作为高位字节输出而用于信号交换方式。 CE/LOAD：片选端。当MODE为低电平时，它是数据输出的主选通信号，当本脚为低电平时，数据正常输出；当本脚为高电平时，则所有数据输出端（B1B12，POL，

36、OR）均处于高阻状态。MODE：方式选择。当输出低电平信号时，转换器为直接输出方式。此时，可在片选和数据使能的控制下直接读取数据。当输出高电平脉冲时，转换器处于UART方式，并在输出两个字节的数据后，返回到直接输出方式。当输入 高电平时，转换器将在信号交换方式的每一转换周期的结尾输出数据。OSC IN：振荡器输入OSCOUT：振荡器输出OSCSEL：振荡器选择。输出高电平时，采用RC振荡器；输入低电平时采用晶体振荡器。BUFOSCOUT：缓冲振荡器输出。RUN/HOLD：运行/保持输出。输入高电平，每经8192个时钟脉冲均完成一次转换。当输入低电平时，转换器将立即结束消除积分阶段并跳至自动调零

37、阶段，从而缩短了消除积分阶段的时间，提高了转换速度。 V-： 负电源，接5V。 REFUOT：基准电压输出，一般为+2，8V BUF： 缓冲器输出 AZ： 自动调零电容Caz连接端。 INT： 积分电容Cint连接端。 COMMON：公共模拟端 INLO： 差分输入低端。 INHI： 差分输入高端。 REFIN+： 正差分基准输入端。 REFCAP+：正差分电容连接端。 REFCAP-：负差分电容连接端。 REFIN-： 负差分基准输入端。V+： 正电源，接+5V。5 结 论本系统主要分为机械控制部分和电路控制部分，本文通过对系统各个重要部分的充分设计已经明确的满足了要求的设计精度及设计功能。

38、研究表明，利用光纤传感器测量系统产生的微小位移是可行的，为了实现其他距离的测量要求，仅需要调节光纤传感器的位置即可。该测量系统实现了微距测量的智能化、实时性以及非接触测量的精确性。为了进一步提高整个测量系统的精度，所以在传感器的机械加工尺寸精度、安装定位等方面还需进行有效地改进和提高，另外电路部分的小型化和模块化也需进一步完善。通过一学期的毕业设计，使我也掌握了基本的三维、二维绘图软件，如AUTOCAD,CAXA等，并且在专业知识方面的运用更加系统化、条理化。但在设计过程中我也遇到了许多实际性的困惑，如当遇到新问题不知该从何处下手、解决问题时过于偏向理想主义、不能站在一个机械学生的角度考虑问题等。然而通过在毕业设计这段时间内不停地锻炼，使我在这些不足的方面得到了较大的提升，比如当面临新问题时，敢于积极地通过查阅相关资料来尝试理论性分析，不再用主观进行臆断，不再盲目的下定义，不再急于求成，使自己能够更冷静、清晰、客观、实际的来处理、解决问题。通过这次毕业设计阶段性的积累和总结，我领悟出一套适合于自己的方式，使自己收获颇丰。由于自己所掌握的专业知识范围有限，我所设计的系统仍然存在许多不足之处。其中自动化程度不高，需要人为控制，机械装置过于简陋，效率也不是很高，衷心希望老师们能够对系统进行指正，我一定能够继续努力。17- -