位移測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)摘要：微小位移量的精確測(cè)量是測(cè)控工程技術(shù)中的一個(gè)重要課題。本文介紹了基于線性可變差動(dòng)變壓器的位移測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要硬件設(shè)計(jì)和軟件流程，以及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。硬件設(shè)計(jì)采用的直接頻率合成芯片AD9851、電流負(fù)反饋高速運(yùn)放AD811、高精度串行AD轉(zhuǎn)換芯片ADS7886、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片MC33887等高性能芯片較好地滿足了低功耗、高精度、實(shí)時(shí)測(cè)控的設(shè)計(jì)要求；軟件設(shè)計(jì)遵循模塊化編程思想，便于系統(tǒng)升級(jí)。關(guān)鍵詞：DDS信號(hào)位移測(cè)量差動(dòng)變壓器單片機(jī)運(yùn)算放大器DesignofDisplacementMeasuringSystemAbstract：Accuratemeasurementofsmalldisplacementinmeasurementandcontrol-technologyisanimportantissue.Adifferentialtransformerdisplacementmeasuringsystembasedonlinearvariabledifferentialtransformerisdesigned.Thesystemstructure,mainhardwaredesign,softwareprocessesandcriticalparameterconfigurationarepresented.SomehighperformanceASICchipsusedinthehardwaredesign,suchasdirectfrequencysynthesizerchipAD9851,high-speedcurrentfeedbackamplifierAD811,precisionserialADconverterchipADS7886,DCmotordrivechipMC33887,whichissatisfiedwiththedesigndemandsforthelowpower,highprecisionandrealtimemonitoringcontrol.Softwaredesignfollowsthemodulardesignprinciple,andeasytoupgrade.Keywords：DDS,displacementmeasuring,differentialtransformer,MCU,amplifier1引言隨著生產(chǎn)加工方式的變革、檢測(cè)指標(biāo)要求的提高，需要用非接觸式測(cè)量方法取代傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量。當(dāng)前位移測(cè)量技術(shù)主要有以下幾種：有機(jī)械的浮子方法，利用電阻、電感、電容的非電量電測(cè)量方法；有光學(xué)或激光測(cè)量方法；有利用放射性或射流技術(shù)的測(cè)量方法等。數(shù)字處理器處理能力的增強(qiáng)尤其是各式傳感器的更新?lián)Q代，使各種非接觸式測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)趨于智能化。本文設(shè)計(jì)了一種基于線性可變差動(dòng)變壓器的位移測(cè)量裝置，有著設(shè)計(jì)成本低、位移線性度好、功耗低等有點(diǎn)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。2系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1位移計(jì)算方法如圖1（a）所示，初級(jí)繞組為N1，次級(jí)繞組為N2-1和N2-2，初級(jí)線圈接入適當(dāng)?shù)膗1后，由于互感作用在兩個(gè)次級(jí)線圈上產(chǎn)生的磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為，（1）式（1）中，為初級(jí)線圈激勵(lì)電壓相量，M1和M2為次級(jí)線圈1和2的互感，r1為初級(jí)線圈的有效電阻，L1為初級(jí)線圈的電感。如果把兩個(gè)次級(jí)線圈的同名端相連，則傳感器的輸出電壓為（2）圖1差動(dòng)變壓式傳感器原理（a）差動(dòng)變壓式傳感器原理圖（b）數(shù)據(jù)提取圖在一定范圍內(nèi)，當(dāng)鐵芯移動(dòng)時(shí)，u2就隨鐵芯位移x成V字型特性。在初級(jí)繞組L1上加100K等幅正弦電壓,則在次級(jí)繞組L2和L3均感應(yīng)出電壓,假若忽略有限長線圈內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度的不均勻分布，且只計(jì)算有介質(zhì)部分產(chǎn)生的磁場(chǎng)，不考慮磁棒運(yùn)動(dòng)過程中線圈內(nèi)空氣中磁場(chǎng)引起的變化，則L2、L3上感應(yīng)的電壓（、）分別為，（3）以上k為一恒定系數(shù)，為磁棒的一半長度，為磁棒運(yùn)動(dòng)位移。則（4）所以（5）2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)位移測(cè)量裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，特定頻率的正弦信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器進(jìn)行差分輸出，驅(qū)動(dòng)線性可變差動(dòng)變壓器的原邊。差動(dòng)變壓器兩副邊感應(yīng)出正弦電壓信號(hào)，分別經(jīng)過放大、精密整流、濾波得到穩(wěn)定的直流電壓。對(duì)此兩路直流電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，對(duì)所獲數(shù)據(jù)分析處理，計(jì)算位移量，結(jié)果通過人機(jī)交互界面得到顯示。此外，控制部分對(duì)來自鍵盤的輸入位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)磁棒移動(dòng)，控制磁棒到達(dá)指定的位移處，實(shí)現(xiàn)位移設(shè)定功能。圖2差動(dòng)變壓式位移測(cè)量裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3主要硬件設(shè)計(jì)3.1正弦激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路如圖3所示，AD9851是美國ANALOGDEVICES公司采用先進(jìn)DDS(DirectDigitalSynthesis－DDS)直接數(shù)字頻率合成（FS）技術(shù)生產(chǎn)的高集成度產(chǎn)品。具有輸出頻率相對(duì)帶寬較寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、頻率分辨率極高、相位變化連續(xù)、輸出波形靈活性好等優(yōu)點(diǎn)。J5和WLCK、FQ_UD為AD9851數(shù)據(jù)總線和控制線的引出端口，和外部MCU連接，IOUT為產(chǎn)生的100kHz正弦信號(hào)輸出端，幅值約為500mV（未經(jīng)任何放大處理之前）。經(jīng)OPA228一級(jí)放大輸出到差動(dòng)放大電路進(jìn)行差分放大。圖3正弦激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生原理圖3.2變壓器副邊電壓處理電路變壓器副邊兩路同頻正弦波信號(hào)需經(jīng)處理后才能交由AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬信號(hào)采樣。如圖4所示，從差動(dòng)變壓器次級(jí)輸出的交流信號(hào)同樣經(jīng)過AD811進(jìn)行一次放大，以達(dá)到足夠大的幅值送給整流二極管進(jìn)行整流，再經(jīng)過兩級(jí)電容濾波，得到平滑的直流電壓。由于經(jīng)過整流器出來的兩路電壓信號(hào)一路為正，一路為負(fù)，而A/D轉(zhuǎn)換器只能采樣正電壓，于是在輸出負(fù)電壓之后采用由通用運(yùn)放LF353構(gòu)成的一級(jí)反相器進(jìn)行反相，另一路加一級(jí)電壓跟隨器進(jìn)行阻抗匹配。同時(shí)為了消除數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾，將數(shù)字地和模擬地分開，之間用磁珠相連進(jìn)行處理，可以達(dá)到了較好的抗干擾效果。圖4變壓器副邊電壓整流濾波、放大、絕對(duì)值變換原理圖電壓跟隨器：即放大倍數(shù)為1的同向比例放大器形式。反相器：即放大倍數(shù)為-1的反向比例放大器形式。經(jīng)過各級(jí)放大、整流濾波后交由ADS7886采樣的直流電壓信號(hào)的電壓幅約值為1.0V（磁棒位移為0時(shí)），硬件和軟件采用這個(gè)參考值進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.3直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)MC33887電路如圖5所示，MC33887是具有負(fù)載電流反饋橋型功率芯片，反應(yīng)靈敏。適合閉合回路的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在汽車電子中得到廣泛應(yīng)用。圖5電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖能夠?yàn)楦行载?fù)載提供連續(xù)的高達(dá)5A的驅(qū)動(dòng)電流，負(fù)載可用高達(dá)10千赫的PWM方式驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)將鍵盤輸入的位移數(shù)據(jù)和通過AD采樣得到的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，若兩者相等，說明直流電機(jī)（5V電壓，玩具車驅(qū)動(dòng)電機(jī)）已經(jīng)驅(qū)動(dòng)磁棒移動(dòng)到指定的位移處，否則，電機(jī)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)磁棒移動(dòng)直到磁棒移動(dòng)到指定的位移處。電路中，單片機(jī)通過IN1和IN2向MC33887發(fā)出正反裝指令，電機(jī)通過OUT1和OUT2分別輸出控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng)磁棒發(fā)生位移。經(jīng)檢測(cè)，直流電機(jī)的電機(jī)遲滯效應(yīng)對(duì)該部分影響較大，若采用步進(jìn)電機(jī)，測(cè)量精度將得到更大的提升。軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，所有子程序用到的端口，全部用宏定義在程序頂部說明以便日后方便全局調(diào)用；當(dāng)不需要改變整個(gè)寄存器值時(shí)，算法全部采取位操作形式，以避免對(duì)其他位的干擾。同時(shí)為了消除硬件電路干擾帶來的誤差，在軟件設(shè)計(jì)上我們做了線性擬合及近似的處理，并進(jìn)行軟件濾波，達(dá)到了很好的效果。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中多級(jí)電路均采用了運(yùn)算放大器，因此實(shí)際系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)（參數(shù)的測(cè)量算法）要與實(shí)際的運(yùn)放放大倍數(shù)一致，以減小數(shù)據(jù)處理引入的影響。在不需要檢測(cè)位移數(shù)據(jù)的情況下，系統(tǒng)工作在低功耗模式下，可使用電池對(duì)系統(tǒng)供電。位移發(fā)生部分通過游標(biāo)卡尺可測(cè)得設(shè)定位移量，要實(shí)現(xiàn)的位移值以及實(shí)際測(cè)量位移量可通過液晶顯示出來，實(shí)現(xiàn)了很好的人機(jī)界面。圖6軟件流程圖(a)控制流圖(b)鍵盤掃描流圖(c)位移測(cè)量流圖5結(jié)束語本文中位移的計(jì)算方法采用軟件實(shí)現(xiàn)并采用直線擬合算法對(duì)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以提高線性度。DDS芯片產(chǎn)生的精準(zhǔn)電壓信號(hào)穩(wěn)定度很好，各級(jí)運(yùn)算放大器組成的放大和波形處理單元輸出均無失真。此外，系統(tǒng)調(diào)試時(shí)將差動(dòng)變壓器次級(jí)電壓整流濾波后的電壓放大倍數(shù)設(shè)置在5-6之間得到的d值線性度較好，除在部分位移點(diǎn)的位移測(cè)量數(shù)據(jù)誤差較大，大部分點(diǎn)的位移測(cè)量誤差能控制在0.5mm范圍，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。參考文獻(xiàn):[1]楊力生,楊士中.微位移測(cè)量技術(shù)的分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào).2007.(4)[2]測(cè)量?jī)x器與技術(shù).機(jī)電工程技術(shù)[J].2