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精密測量儀,精密傳感器(測量頭)的工作原理
  2010-04-20 12:25:04 作者:中國泵閥網 來源: 文字大小:[][][]
  
多功能智能化電感測微儀


1、引 言

  電感測微儀是一種能夠測量微小尺寸變化的精密測量儀器,它由主體和測頭兩部分組成,配上相應的測量裝置(例如測量臺架等),能夠完成各種精密測量。例如,檢查工件的厚度、內徑、外徑、橢圓度、平行度、直線度、徑向跳動等,被廣泛應用于精密機械制造業、晶體管和集成電路制造業以及國防、科研、計量部門的精密長度測量。目前,國內常用的電感測微儀有指針式和數字式兩種,存在的問題較多,如高精度測量范圍小,零位調節不方便、功能單一和通用性差等。文中介紹了一種以8031單片機為核心,采用現有的電感式傳感器測頭的多功能、智能化電感測微儀。它通過編制軟件實現儀表的高精度、智能化、多功能化,經過反復的實驗與使用,已證明其精度高、操作方便、性能穩定。
其主要的技術指標如下:
(1)測量范圍:0~±30μm檔及0~±500μm檔;
(2)示值誤差:0~土30μm檔為0.1μm,0~±500μm檔為1μm;
(3)分辨率:0~±30μm檔為0.01μm,0~±500m檔為0.1μm.
(4)極性:當測量值為負時,自動顯示“-”;為正時,無極性符號。

2、工作原理及硬件電路設計

  2.1工作原理
  該智能電感測微儀的硬件電路主要包括電感式傳感器、正弦波振蕩器、放大器、相敏檢波器及單片機系統。正弦波振蕩器為電感式傳感器和相敏檢波器提供了頻率和幅值穩定的激勵電壓,正弦波振蕩器輸出的信號加到測量頭中由線圈和電位器組成的電感橋路上。工件的微小位移經電感式傳感器的測頭帶動兩線圈內銜鐵移動,使兩線圈內的電感量發生相對的變化。當銜鐵處于兩線圈的中間位置時,兩線圈的電感量相等,電橋平衡。當測頭帶動銜鐵上下移動時,若上線圈的電感量增加,下線圈的電感量則減少;若上線圈的電感量減少,下線圈的電感量則增加。交流阻抗相應地變化,電橋失去平衡從而輸出了一個幅值與位移成正比,頻率與振蕩器頻率相同,相位與位移方向相對應的調制信號。此信號經放大,由相敏檢波器鑒出極性,得到一個與銜鐵位移相對應的直流電壓信號,經A/D轉換器輸入到單片機,經過數據處理進行顯示、傳輸、超差報警、統計分析等。

  2.2硬件系統組成
  硬件系統由前相通道、單片機系統、人機通道電路組成,前相通道電路的作用是把電感式傳感器轉換成的電信號進行放大、分檔、相敏檢波等處理后供A/D采樣用。它包括正弦波振蕩電路,交直流放大電路,相敏檢波電路,A/D轉換電路。單片機系統及人機通道電路主要實現把前相通道電路傳送的模擬信號經A/D轉換后,送入單片機系統進行數據處理,實時地顯示測量結果,按不同的功能鍵可以實現不同的功能。單片機系統硬件電路如圖2所示。



  2.3硬件特點
  (1)在運算放大器的選擇上,本儀器均采用低漂移、低噪聲的運算放大器OP07.由OP07組成了集成化的交、直流放大器電路,雙T網絡正弦波發生器,集成的相敏檢波電路和濾波器等,省去了傳統電感測微儀使用的二極管、三極管和變壓器等,使得由二極管和三極管造成的非線性特性以及飽和壓降和反向電流得以改善;省去變壓器,調試制作比較方便,重量也較輕,可靠性增強。
  (2)本儀器選用了逐次比較式12位A/D轉換器AD574,它的非線性誤差小于±1/2LBS或±1LBS,一次轉換時間約為25μs ,因其片內配有三態輸出緩沖器,可直接與各種典型的8位和16位微處理器相連,滿足了測量精度和實時顯示的要求,應用非常方便。
  (3)本儀器采用了專業的顯示器及鍵盤接口芯片8279,單個芯片就能完成鍵盤輸入和LED顯示控制兩種功能,顯示方式為動態顯示,6位LED顯示器可以實現顯示測量結果。整機設有5個功能鍵,能夠實現如下功能:顯示被測工件的峰值,并把峰值存入數據存儲器,留待處理;可以進行統計分析,顯示一百個工件分組后各組的平均值和極值,直方圖的頻數,總平均值和極值;可以進行絕對測量和相對測量的轉換;可以設定被測工件的上、下偏差,當被測工件的峰值超出設定值時,就要報警顯示;可以實現±500μm和±30μm檔的轉換。

3、軟件設計

  軟件部分采用了MCS-51匯編語言編寫,運用了模塊化的結構形式。系統軟件分為主程序模塊和中斷處理模塊。主程序由系統初始化子程序、A/D轉換、數字濾波、非線性修正、數據處理及更新顯示等子程序組成,其框圖如圖3所示。



  本儀器采用了防脈沖干擾的平均值濾波的方法,即把采樣信號按照從大到小的順序排列起來,然后將最大值和最小值去掉,再把其余值求和并取平均值。這種濾波方法的表達式為:



  式中:n為采樣次數;xi為采樣值;yk為采樣平均值。
  非線性修正子程序采用了分段線性插值,首先將電感式傳感器固定在高精度的標準臺架上進行標定。在±30μm檔標定的精度是0.01μm;在±500μm檔標定的精度是0.1μm,然后根據實測的曲線將其分段。為了保證精度,采用了等距分段法,對于±500μm檔,每隔10μm分段;對于±30μm檔,每隔1μm分段。雖然分段數目增多,占用內存較多,但可以保證電感測微儀的精度。由于各段均用直線代替曲線,因此很容易求出傳感器輸入的電壓值x所對應的位移值y。
  設x在xi-1和xi之間,則線段的插值公式為

或 y=yi-1+ki-1(x-xi-1)        (3)

  式中:Ki-1=(yi-yi-1)/(xi-xi-1)為i-1段的斜率。
將ki-1及yi-1根據分段情況事先算出,并存入表格中,當單片機通過A/D轉換采集到傳感器輸入電壓值x時,通過查表法判斷采集的值落在哪一段區間,按公式(3)算出相應的位移值y。

4、實驗檢測




  通過非線性修正及標定,畫出了0-±500μm檔及0-±30μm檔的誤差與位移的修正曲線,如圖4、圖5所示。由圖中曲線可以看出:經過非線性修正處理后,智能電感測微儀的測量誤差大大降低。0-500μm檔由修正前的最大誤差29.1μm減少為0.6μm;0-500μm檔由修正前的0.18μm減少為0.05μm,0-20μm檔由修正前的最大誤差1.01±m減少為0.06μm。

5、結論

  此智能電感測微儀在設計上充分利用了單片機的系統功能,增加了統計分析、超差報警、絕對零點與相對零點的轉換等功能,使儀器的性能有了較大的提高;采用單片機8031進行數據處理,用軟件進行非線性修正,使高精度測量范圍成倍擴展,用軟件進行絕對零點與相對零點的轉換,零位調節簡單方便,功能擴展除了增加少量接口芯片外,主要由軟件實現;硬件電路中,前向通道電路采用了集成電路,克服了以往采用變壓器、二極管、三極管組成電路的非線性特性大、零漂嚴重等缺點;采用了切實可行的抗干擾措施,使整機測量精度高、可靠性好、穩定性好、抗干擾能力強。

2001-01-19

1、引 言

  電感測微儀是一種能夠測量微小尺寸變化的精密測量儀器,它由主體和測頭兩部分組成,配上相應的測量裝置(例如測量臺架等),能夠完成各種精密測量。例如,檢查工件的厚度、內徑、外徑、橢圓度、平行度、直線度、徑向跳動等,被廣泛應用于精密機械制造業、晶體管和集成電路制造業以及國防、科研、計量部門的精密長度測量。目前,國內常用的電感測微儀有指針式和數字式兩種,存在的問題較多,如高精度測量范圍小,零位調節不方便、功能單一和通用性差等。文中介紹了一種以8031單片機為核心,采用現有的電感式傳感器測頭的多功能、智能化電感測微儀。它通過編制軟件實現儀表的高精度、智能化、多功能化,經過反復的實驗與使用,已證明其精度高、操作方便、性能穩定。
其主要的技術指標如下:
(1)測量范圍:0~±30μm檔及0~±500μm檔;
(2)示值誤差:0~土30μm檔為0.1μm,0~±500μm檔為1μm;
(3)分辨率:0~±30μm檔為0.01μm,0~±500m檔為0.1μm.
(4)極性:當測量值為負時,自動顯示“-”;為正時,無極性符號。

2、工作原理及硬件電路設計

  2.1工作原理
  該智能電感測微儀的硬件電路主要包括電感式傳感器、正弦波振蕩器、放大器、相敏檢波器及單片機系統。正弦波振蕩器為電感式傳感器和相敏檢波器提供了頻率和幅值穩定的激勵電壓,正弦波振蕩器輸出的信號加到測量頭中由線圈和電位器組成的電感橋路上。工件的微小位移經電感式傳感器的測頭帶動兩線圈內銜鐵移動,使兩線圈內的電感量發生相對的變化。當銜鐵處于兩線圈的中間位置時,兩線圈的電感量相等,電橋平衡。當測頭帶動銜鐵上下移動時,若上線圈的電感量增加,下線圈的電感量則減少;若上線圈的電感量減少,下線圈的電感量則增加。交流阻抗相應地變化,電橋失去平衡從而輸出了一個幅值與位移成正比,頻率與振蕩器頻率相同,相位與位移方向相對應的調制信號。此信號經放大,由相敏檢波器鑒出極性,得到一個與銜鐵位移相對應的直流電壓信號,經A/D轉換器輸入到單片機,經過數據處理進行顯示、傳輸、超差報警、統計分析等。

  2.2硬件系統組成
  硬件系統由前相通道、單片機系統、人機通道電路組成,前相通道電路的作用是把電感式傳感器轉換成的電信號進行放大、分檔、相敏檢波等處理后供A/D采樣用。它包括正弦波振蕩電路,交直流放大電路,相敏檢波電路,A/D轉換電路。單片機系統及人機通道電路主要實現把前相通道電路傳送的模擬信號經A/D轉換后,送入單片機系統進行數據處理,實時地顯示測量結果,按不同的功能鍵可以實現不同的功能。單片機系統硬件電路如圖2所示。



  2.3硬件特點
  (1)在運算放大器的選擇上,本儀器均采用低漂移、低噪聲的運算放大器OP07.由OP07組成了集成化的交、直流放大器電路,雙T網絡正弦波發生器,集成的相敏檢波電路和濾波器等,省去了傳統電感測微儀使用的二極管、三極管和變壓器等,使得由二極管和三極管造成的非線性特性以及飽和壓降和反向電流得以改善;省去變壓器,調試制作比較方便,重量也較輕,可靠性增強。
  (2)本儀器選用了逐次比較式12位A/D轉換器AD574,它的非線性誤差小于±1/2LBS或±1LBS,一次轉換時間約為25μs ,因其片內配有三態輸出緩沖器,可直接與各種典型的8位和16位微處理器相連,滿足了測量精度和實時顯示的要求,應用非常方便。
  (3)本儀器采用了專業的顯示器及鍵盤接口芯片8279,單個芯片就能完成鍵盤輸入和LED顯示控制兩種功能,顯示方式為動態顯示,6位LED顯示器可以實現顯示測量結果。整機設有5個功能鍵,能夠實現如下功能:顯示被測工件的峰值,并把峰值存入數據存儲器,留待處理;可以進行統計分析,顯示一百個工件分組后各組的平均值和極值,直方圖的頻數,總平均值和極值;可以進行絕對測量和相對測量的轉換;可以設定被測工件的上、下偏差,當被測工件的峰值超出設定值時,就要報警顯示;可以實現±500μm和±30μm檔的轉換。

3、軟件設計

  軟件部分采用了MCS-51匯編語言編寫,運用了模塊化的結構形式。系統軟件分為主程序模塊和中斷處理模塊。主程序由系統初始化子程序、A/D轉換、數字濾波、非線性修正、數據處理及更新顯示等子程序組成,其框圖如圖3所示。



  本儀器采用了防脈沖干擾的平均值濾波的方法,即把采樣信號按照從大到小的順序排列起來,然后將最大值和最小值去掉,再把其余值求和并取平均值。這種濾波方法的表達式為:



  式中:n為采樣次數;xi為采樣值;yk為采樣平均值。
  非線性修正子程序采用了分段線性插值,首先將電感式傳感器固定在高精度的標準臺架上進行標定。在±30μm檔標定的精度是0.01μm;在±500μm檔標定的精度是0.1μm,然后根據實測的曲線將其分段。為了保證精度,采用了等距分段法,對于±500μm檔,每隔10μm分段;對于±30μm檔,每隔1μm分段。雖然分段數目增多,占用內存較多,但可以保證電感測微儀的精度。由于各段均用直線代替曲線,因此很容易求出傳感器輸入的電壓值x所對應的位移值y。
  設x在xi-1和xi之間,則線段的插值公式為

或 y=yi-1+ki-1(x-xi-1)        (3)

  式中:Ki-1=(yi-yi-1)/(xi-xi-1)為i-1段的斜率。
將ki-1及yi-1根據分段情況事先算出,并存入表格中,當單片機通過A/D轉換采集到傳感器輸入電壓值x時,通過查表法判斷采集的值落在哪一段區間,按公式(3)算出相應的位移值y。

4、實驗檢測




  通過非線性修正及標定,畫出了0-±500μm檔及0-±30μm檔的誤差與位移的修正曲線,如圖4、圖5所示。由圖中曲線可以看出:經過非線性修正處理后,智能電感測微儀的測量誤差大大降低。0-500μm檔由修正前的最大誤差29.1μm減少為0.6μm;0-500μm檔由修正前的0.18μm減少為0.05μm,0-20μm檔由修正前的最大誤差1.01±m減少為0.06μm。

5、結論

  此智能電感測微儀在設計上充分利用了單片機的系統功能,增加了統計分析、超差報警、絕對零點與相對零點的轉換等功能,使儀器的性能有了較大的提高;采用單片機8031進行數據處理,用軟件進行非線性修正,使高精度測量范圍成倍擴展,用軟件進行絕對零點與相對零點的轉換,零位調節簡單方便,功能擴展除了增加少量接口芯片外,主要由軟件實現;硬件電路中,前向通道電路采用了集成電路,克服了以往采用變壓器、二極管、三極管組成電路的非線性特性大、零漂嚴重等缺點;采用了切實可行的抗干擾措施,使整機測量精度高、可靠性好、穩定性好、抗干擾能力強。
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