基于容栅的线位移测量系统设计(编辑修改稿)

基于容栅的线位移测量系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

U=Q/C。 (28) C=Ξ s/4kπ d； (29) S=VL。 (210) U=（ 4kπ d Q/Ξ L） *1/V。 (211) U—— 栅极板电压； Q—— 栅极板电量； C—— 栅极板电容量； S—— 栅极板正对面积； d—— 定栅和动栅的间距； V—— 测量移动速度； L—— 动栅极板长度； 于是容栅位 移传感器输出的电信号就与移动速度成反比例函数。 由于在测量重庆理工大学毕业论文 的过程中，很难把握其拉动动栅尺的速度，导致信号放大后输出的复合波形很难定量测定。 所以通过输出的信号发现，在整个过程中，测量信号的频率始终和发射极的信号保持一致。 于是，只要能够把频率测量出来，也即可以通过频率间接对应测量的微小位移量。 在我们所学的知识中，能够易于测量频率，只需将信号转换成便于计数的信号。 于是可以从尖脉冲信号着手。 为了得到脉冲信号，需要将采集的信号经 TL082整形成方波信号。 其整形后的波形如图 29所示。 图 29 整形后的方 波波形 信号的细分处理 由检测到的信号为如上图 29 所示，为了得到测量所需的数据，就需要对采集的信号采取一定的整形措施。 为此我们可采用脉冲计数的方式进行测量。 于是，我们首先对信号放大微分整形后得到尖脉冲。 对获得的尖脉冲进行细分。 其中各通道的输出信号分别代表栅极板 4的变化情况。 通道 1 与通道 2信号经过与门电路 1 输出；通道 2 与通道 3 信号经过与门电路 2 输出；通道 3 与通道 4信号经过与门电路 3输出 .如图 210 所示。 重庆理工大学毕业论文 图 210细分处理后的尖脉冲信号 容栅位移传感器采集信号的辨 向问题设计方案 图 211辨向电路各点信号波形 由图 211 可知向左移时， U1//信号从一开始就是高电平，而 U/信号开始为为底电平，通过或门电路 Y1，可使 U1//信号通过，从而触发加减控制触发器使之置“ 1”，实现加计数。 向右移时， U//信号开始就为高电平，而 U1/信号开始为低电平，通过重庆理工大学毕业论文 或门电路 Y2，可使 U//信号通过，从而触发加减控制触发器使之置“ 1”，实现减计数。 以通道 1 和通道 2 的信号作为参照标准。 其辨向原理如图 212 所示。 图 212辨向电路原理框图 由获得的尖脉冲信号可进行如下计数来达到测量。 X(x)=（ M+(NA)+(PB)+(QC)） *W/K. (212) 其中： X(x)容栅位移传感器位移量。 M通道 1 脉冲计数值。 N通道 2 脉冲计数值。 P通道 3 脉冲计数值。 Q通道 3 脉冲计数值。 A与门电路 1 输出端脉冲计数值。 B与门电路 1 输出端脉冲计数值。 C与门电路 1 输出端脉冲计数值。 W栅极板间的宽度尺寸。 K单位周期内尖脉冲个数。 栅极板结构尺寸设计 为了达到其精度要求，除了采取细分提高分辨率的同时需要对激励信号给以适当设置。 由 W/K 可知在加工技术难以达到的前提下，可对激励信号频率进行调整，从而达到调节 K值，以实现对 W/K 的精度的调整。 W 值一般设置在 10mm~20mm之间即可。 K 值通过频率调节，使之在 200HZ 以上即可。 因此，我们在设计系统时钟时采用 1KHZ 的晶振频率。 本课题提出的精度要求为 实现高精度分辨率达到。 在测量过程中为了达到精度要求我们需要对极板和极板间的宽度尺寸加以设计。 当静止时，动栅极板相对于定栅极板不动。 此时通过放大器输出的 正弦信号和原发射极提供的正弦信号完全相同（振幅和频率），在此，我们通过比较器 LM339重庆理工大学毕业论文 对信号进行屏蔽。 当动栅极板相对于定栅极板移动时，放大器中输出的信号为周期变化的类似正弦信号。 由于比较器 LM324 的作用使变化的信号通过并进入下一级电路处理转换。 但是此信号的频率没有发生根本性的改变，于是可以通过频率间接转化位移量。 假设在一个周期变化的信号中，测得频率变化 K次。 于是 K W（定极板宽度） W的宽度在一般的生产制造过程中可以达到 mm 级。 为了降低在生产过程中的宏观难度，所以我们在信号处理中可达 到相同效果。 于是我们根据上面 推到的公式 X(x)=（ M+(NA)+(PB)+(QC)） *W/K (213) 不难发现，单位脉冲位移当量 △ S=W/K。 只要 △ S 的分辨率达到 级就可实现任务要求。 所以，我们可设置定栅极栅宽 W=50mm，频率 K=1KHZ。 也即△ S=实现了 级以上的高精度测量。 为了便于设计简单易操作，我们在信号处理中引出四路信号，于是动栅极板间距 D=W/ 213 所示。 图 213栅极板宽度尺寸 本章小结 整个测量系统的原理的掌握是完成本设计任务的重点。 因此，本章节主要系统的阐述了各个部分的原理要素，充分的理解设计要领。 只有完成了各部分的工作原理分析和论证，才能够更好的为系统各单元电路的设计做好理论铺垫。 重庆理工大学毕业论文 3 容栅位移传感器测量系统硬件电路设计 任何一种测量系统，无论是如何的简单，都有其基本的结构框架。 容栅位移传感器测量系统设计，可以看成是一种智能化仪器设计的整体体现。 任何一种高度智能化的设备都离不开硬件电路的支撑。 下面我们就主要讲述各单元模块的基本 方案设计。 测量系统硬件电路总体设计方案 由于整个测量过程中都贯穿着弱电信号。 通过传感器采集电路输出的信号非常微弱。 因此常规的思维是将其放大处理。 再次，处理的信号能否得到有效利用需要进一步考究。 通过前面章节的讨论，知道脉冲信号才是我们最终需要的理想信号。 于是，放大的信号需要整形和微分处理。 最终将处理的尖脉冲信号送入微处理器进行相应的运算和驱动显示。 其硬件电路总体设计框图如图 31 所示。 图 31 硬件电路总体设计框图 智能化仪器都是借助微处理器为中心的。 因为微处理器在处理各种动态 响应的时候具有快速、灵活、高效的特点。 所以容栅位移传感器测量系统也离不开中央处理器作为桥梁。 下面就围绕以处理器为中心对各主要单元电路进行相关设计。 微处理器的选择 —— LPC2138 在测量系统的设计里面需要满足测量过程反应的快速性、稳定性，同时从小型化、低功耗、低成本和保证元件的功能使用最大化考虑。 从学生角度考虑 ARM7系列芯片是最佳之选。 我们在这里就以 LPC2138 芯片 [13]为平台进行相关设计。 LPC2138 是基于一个实时仿真和和嵌入式跟踪的 32/16 位 ARM7TDMISTM CPU的微控制 器。 本带有 512KB 的嵌入的高速 Flash 存储器。 片内 128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使 32位代码能够在最大时钟速率下运行。 对代码规格有严格的控制应用。 可使用 16 位 Thumb 模式将代码规模降低超过 30%，而性能的损失却很小。 重庆理工大学毕业论文 由于 LPC2138 较小的封装和极低的功耗，多个 32 位定时器， 4 路 10 位 ADC或 8 路 10 位 ADC， PWM 通道和 46 个 JPIO 以及多达 9 个边沿或电平触发的外部中断。 可理想的应用于小型系统中，宽范围的串行通信接口和片内 32KBSRAM 使LPC2138 非常适用于测量显示系统。 为它们提供 了巨大的缓冲空间和强大的处理功能。 LPC2138 引脚描述 图 32 LPC2138芯片引脚图 表 33 LPC2138芯片引脚功能介绍 引脚 名称 引脚 号 类 型 描 述 ~ I/O P0 口： P0 口是一个 32 位双向 I/O 口。 每个位都有独立的方向控制。 有 31 个 P0 口可用作通用双向数字 I/O 口， 只用作输出口。 P0 口管脚的操作取决于管脚连接模块所选择的功能。 不可用。 19 O O TxD0－ UART0 的发送器输出 PWM1－脉宽调制器输出 1 21 I O I RxD0－ UART0 的接收器输入 PWM3－脉宽调制器输出 3 EINT0－外部中断 0 输入 22 I/O I SCL0－ I2C0 时钟输入 /输出。 开漏输出 －定时器 0 捕获输入 0 26 I/O O I SDA0－ I2C0 数据输入 /输出。 开漏输出 －定时器 0 匹配输出 0 EINT1－外部中断 1 输入 27 I/O I I SCK0－ SPI0 串行时钟，主机输出或从机输入的时钟 －定时器 0 捕获输入 0 － A/D 转换器 0 输入 6。 该模拟输入总是连接到相应的管脚。 重庆理工大学毕业论文 29 I/O O I MISO0－ SPI0 主机输入 /从机输出，从机到主机的数据传输 －定时器 0 匹配输出 1 － A/D 转换器 0 输入 7。 该模拟输入总是连接到相应的管脚。 30 I/O I I MOSI0－ SPI0 主机输出 /从机输入，主机到从机的数据传输 －定时器 0 捕获输入 2 － A/D 转换器 1 输入 0。 该模拟输入总是连接到相应的管脚。 31 I O I SSEL0－ SPI0 从机选择，选择 SPI 接口用作从机。 PWM2－脉宽调制器输出 2 EINT2－外部中断 2 输入 33 O O I TxD1－ UART1 的发送器输出 PWM4－脉宽调制器输出 4 － A/D 转换器 1 输入 1。 该模拟输入总是连接到相应的管脚。 34 I O I RxD1－ UART1 的接收器输入 PWM6－脉宽调制器输出 6 EINT3－外部中断 3 输入 35 O I I RTS1－ UART1 请求发送输出 －定时器 1 捕获输入 0 － A/D 转换器 1 输入 2。 该模拟输入总是连接到相应的管脚。 37 I I I/O CTS1－ UART1 的清零发送输入 －定时器 1 捕获输入 1 SCL1－ I2C1 时钟输入 /输出。 开漏输出 38 I O I DSR1－ UART1 的数据设备就绪输入 －定时器 1 匹配输出 0 － A/D 转换器 1 输入 3。 该模拟输入总是连接到相应的管脚。 39 O O I DTR1－ UART1 的数据终端就绪 输出 －定时器 1 匹配输出 1 － A/D 转换器 1 输入 4。 该模拟输入总是连接到相应的管脚。 41 I I I/O DCD1－ UART1 数据载波检测输入 EINT1－外部中断 1 输入 SDA1－ I2C1 数据输入 /输出。 开漏输出 45 I I I RI1－ UART1 铃声指示输入 EINT2－外部中断 2 输入 － A/D 转换器 1 输入 5。 该模拟输入总是连接到相应的管脚。 46 I O I EINT0－外部中断 0 输入 －定 时器 0 匹配输出 2 －定时器 0 捕获输入 2 47 I I/O O －定时器 1 捕获输入 2 SCK1－ SSP串行时钟，主机输出或从机输入的时钟 －定时器 1 匹配输出 2 53 I I/O O －定时器 1 捕获输入 3 MISO1－ SSP 主机输入 /从机输出，从机到主机的数据传输 －定时器 1 匹配输出 3 重庆理工大学毕业论文。