电感式传感器测量电路设计

1Abstract 24引言传感器介绍… 5研究的基本内容拟解决的主问题… 6与工作原理 8各个单元83．18051单片机简介… 8电感式位移传感器的基本原理… 12电感测头的结构… 14正弦波电路的设计… 14零点残余电压的调整… 16交流放大电路… 17相敏检波电路… 18A/D转换及显示电路… 19软件部分本系统设计的程序流程图… 22单片机8051的C语言程序清单… 224、致谢… 245、参考文献… 25,应用于已有比较长精存在漂直与国外传水平持定精密加工技术迅猛发展越越显得不适应加工技术发展需.该文针这些问题,传路进行定正弦波生成波路等进行析相应关键词相敏波零点残余压。ABSTRACTANewhighpiraciesinductancesensorisdeveloped.Thissensorconsistsofahighpiraciesinductanceprobeandsignalprocessing.substitutetheconventionalphasefrequencydetectiontechniqueandanalogoutputinterface.Thenon2linearityisalsodecreased.Inaddition,thecircuitadoptsfrequencyandampli2tubestabilizingtechniquetoo.Theaccuracyandstabilityofthesensorcircuitsalsoincreasedgreatly.KeyWords:inductancesensor,self-fixedamplitudecircuit,digitalphasesensitivitydetection,digitalfilter,statictesting论“物流”“信息流”合反映物流数、状态趋向信息流则人们管理制物流依人们制信息制。人制转换传送及等功转极其重确及时将被并转换易于传送转换或正迅速模拟式字式发展微处这类微处机做计算机特点协调崭新检推新水平。介绍传感被信息其好坏直接影响结果靠准确衡其特许主包括静态态两示它们之间含时间变数在这上确定参数态人态这时示它们之间含时间变微被相应输出响应特称态传感主下几：电容式传室感、差（）；动1pm)量±0.01um出取屏蔽措施源率新型元件把数字-数字装置直角数字其1u具抗干扰耐久好准布尺寸带宽信噪局部健康监理元件之以直或间裂缝腐蚀取代试手段广土木航空航天船舶石油医学领域。把圈自或互从而类具±0.1um甚至更0.1角,信号,每毫,.±25um-50mm,室差,率响,宜态主要问题：大波片机正弦波荡波提供率的经头带两圈衔铁两圈发当衔铁处两圈间置时两圈桥平若上减少则增加交流桥失去平衡从而个幅值成正位移方向相对应的调制信号。此信号经放大，由相敏检波器鉴出极性，得到一个与衔铁位移相对应的直流电压信号，经A/D转换器输入到单片机，经过数据处理进行显示。电感式传感器测位移时，由于线圈中的电流不为零，因而衔铁始终承受电磁吸力，会引起附加误差，而且非线性误差较大；另外，外界的干扰(如电源电压频率的变化，温度的变化)也会使输出产生误差。所以在实际工作中常采用差动形式，这样既可以提高传感器的灵敏度，又可以减小测量误差。两个完全的单个线圈的电感式传感器用一个动衔铁差动式电感传感器。采用差动式可以线性提高灵敏度外，对外界、B-H存U≠0知其值约几毫伏有甚至达几十毫伏并无论怎节置均无法降低分辨和增克服办法主两绕(包括和匝端和路补偿方法，可以减小零。与工作原理,.,,,,.、滤波整等初步调，A/D转换转换为对数字送入微控制。微控制对进行桥敏波带通A/D转换正弦波发生器显示器处桥敏波带通A/D转换正弦波发生器显示器系统各个单元电路设计8051单片机简介，8051得，以在构具有能力系统，以增强人对功能89C51Intel公司生产块芯微计算部分每一包括：8微处CPU256K数存储RAM内程序存储器M；四8并O3每既也；两定/数控制系统UARTI/O微调要振12MHZ。以部分通过内部总。下面简介绍下部分功能。中央处理器CPU是单片微型计算机的指挥、执行中心，由它读人用户程序，并逐条执行指令，它是由8位算术／逻辑运算部件(简称 ALu)、定时／控制部件，若干寄存器 A、B、B5w、5P以及 16位程序计数器(Pc)和数据指针寄存器(DM)等主要部件组成。算术逻辑单元的硬件结构与典型微型机相似。它具有对 8位信息进行+、-、x、/四则运算和逻辑与、或、异或、取反、清“0”等运算，并具有判跳、转移、数据传送等功能，此外还提供存放中间结果及常用数据寄存器。控制器部件是由指令寄存器、程序计数器 Pc、定时与控制电路等组成的。指令寄存器中存放指令代码。枷执行指令时，从程序存储器中取来经译码器译码后，根据不同指令由定时与控制电路发出相应的控制信号，送到存储器、运算器或I／o接口电路，完成指令功能。程序计数器 Pc 程序计数器 Pc用来存放下一条将要执行的指令，16位对以 K的程序存储器接c指令执行结后，Pc计数器，指下一条要执行的指令。CPU功能，的来是以不同的，执行指令。不同的指令有的指令及到枷寄存器间的有的指令及到单片机心电路内部功能部件的关有的则与外部器件外部程序存储器发cRJ的时序电路完cRJ有一定序的信号，控制和一部逻辑电路，完成。一．时序时电路8051片有一由反放器构成的XTALI和XTAL2方C1和C2器，的12—12MHZ使用外部时时，XTAL2用来输而XTALI。时序MGL5l周期由6(s1—s6)每状2周期P1和P2拍这样周期由12个周期组成。若用12MHz器，则每机器周期1us1／s一数下，算术和逻辑发N间，部寄存器到寄存器的传间。对指令，指令码读人指令寄存器时，使从S1P2双周期的s4511Mcs—51指1—24程xx外部存储器访问选通跳过两次取二．引脚极其功能S—102242O。下面按引脚功能分4功能。1Vccc（0：接Vs（0：接V。2XTAL1XTAL21（9脚：接外部石英晶体一端片机内部它是一个反器输端个器用外部对于HMOS片机引脚接CHOMS片机引脚外部振输端。XTAL（18脚：接外部晶体一端片机内部接片内振器的反器输出端用外部HMOS片机引脚外部振输端CHMOS片引脚接3、控制或与其它电源复用引脚控制

ALE/PPSEN

4。（A

PD（9：TTVPD

PP用电源以引脚片机上电复或电端片机振器引脚上出续两个机器周电就可实复片机复到初始状态。V发生故障降低到低电平规定值或电引脚可接上VCC PD（+5V）内部RAM供电以证 RAM中丢失。（BALE/P（30脚：访问外部存储器AL（允许址锁存）以机器周两次输出用于存出P0

口低（CPSEN(29存储器低电平有效从外部存储器取或常个机器周PESN以通过指PESNDEA/Vpp31EAEA4KBMS—528KB若超该范围自动转去执行的EA无论无均只对于含EPROM的在EPROM编该引21VVpp。/输I/引P0P1P2P3(A).P9～22P～P 统称

口接与扩0 0.0 0.7 0I/O它可作8/输接口接OP0

口地址/分复用口它分8总线。对于含EPROMEPROMP0

口输入指字节而当检验则输指字节。(B).P

1～8P～P

口可作1 10 17 1S—2P1.0

12P1.0

/2T2；P1.1

/2。MP0

8。(C).P

1～28P.～P 统称

2 20 2.7 2扩展O256P2口用于88MP2口接收输入的8位地址。(D).P

0～17P～P 统称

口它双功能口可以作为3 3.0 3.7 3I/O也可以12P3

口的每一条引12P3

口的第2功能见下表P3.0引引脚P3.0第2功能D（串输入端 0）P3.1D（串输出端）0（部断 0请输入端平效）INT1（1输入端效）T0（/0脉冲端）T1（/1脉冲端）R（部存储写选通信号输出端平效）P3.7D（部存储读选通信号输出端平效）MCS—51的引作用可归纳为以下两点：1).功能多引数少因而许多引22).3PP2 0

16P0

口分时复用作为数据总线。传器的基本原理线圈的自感可按下式计算L=N2/Rm其中N—,Rm可以其中LN线的配比方便但则结构简配容易 :此但此还任意安排生产互换这给调试、微仪型的这些优点，所以我们采用螺管型差动式电感测头。图为螺管型电感式传感器的结构图。螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。设线圈长度为、线圈的平均半径为、线圈的匝数为、衔铁进入线圈的长度、l2rxra衔铁的半径为r、铁心的有效磁导率为µ，则线圈的电感量l2rxra42N2 L lrl2

(m

1l ra a

21-2-交流电桥是电感式传感器的主要测量电路，它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出。前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥也多采用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可以是纯电阻，也可以是变压器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。图二是交流电桥的几种常用形式图3所示。Z1Z2UZ1Z2U．．．U0MLL11 R1Z ． ZZ U 1L 0 ．R U2 ．U/2 Z U2 0电阻平衡臂电桥

变压器式电桥

紧耦合电感臂电桥3桥的几种形式电阻平衡臂电桥图二a所示。Z1Z2为传感器阻。高;L1=L2=L;则有Z1=Z2=Z=+jwL,有R1=R2=R。电桥工作臂是差动形式，则工作，Z1=Z+ZZ2=ZZ，ZL，电桥的输出电压为...RU Z1..R

U

U

2RR(Z1

Z) UZ.2 U..0 Z Z.1 2

RR1

(Z Z1 2

)2R 2 ZωL＞＞R’时，上式可近似为

. L.0 2 L.由上式可以看出：交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量是成正比的。变压器式电桥如图二b所示，它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组，负载阻抗无穷大时输出电压为：.0

Z .2 2.

. 2ZZ Z 221 2

. Z Z 2 12 ZZ1 2衔铁下移时，Z1=Z-△Z，Z2=Z+△Z，则.

. Z.同理，衔铁上移时，则有.

. UZ0Z0

0 2 Z适电路处理才能判别衔铁位移的大小及方向。1088342衔铁过零上移时,上线圈电感量,下线圈电感量。两线圈输出由线1测量电路。测量时,测头10测,测物有小位移时,测头过测杆8动衔铁34变化,过线5的,测头与测有。6测杆动,封套9止灰尘进传感器内部。4发Th路设计我们设计及测试系统时，很多时侯需要正弦波我们需要个频率和幅都稳则会造成测量不稳定及大的差。正弦波作为变压器电桥的桥，其精度对电桥的输出信号影响极其幅和频率的定性都有很高的要环境比较恶劣电的随机干扰不可避免因此在电路设计中应该具有自动补偿环节。石英晶振石英晶振可变增益放大器 K精密整流5 发Th电路由差动电感传感器的幅频特性可知，传感器的频率选在平坦区域偏高点(提高灵敏度)，频率波动将有可能改变传感器的工作点，引起幅值的变化。而图2.16传感器的幅颇特性另一方面，电路总体设计要求实现峰一峰采样，即采样频率和模拟信号频率应保持严格的两倍关系，这两个信号频率都由标准振荡电路给出。显然，任一个信号频率的波动都会导致采不到峰值，带来的测量误差是很大的。所以对信号源频率的要求特点是单一稳定。对于频率单一稳定的信号发生，最理想的是石英晶体振荡器，石英的物理特性十分稳定，而且品质因数高，选频特性好，波形失，在-20º~60º的频率的稳定度可以到10-7。所以电路采由石英晶振和MC14060分频器信号源。石英 晶 体 振荡器生2.4576MHZ的稳定方波信号，振荡分频器27，和28分频生19.208KHZ和9.604KHZ作I/O作波峰、波的信号。的变化量出，补偿到输补偿的作是负反馈，使输信号被减少，当输出减少时，补偿的作使输信号增大，从而保持输出不变。在流比较（6所示）和交流比较（7所示）种典型电路。

比较

相乘功放 6比较相加功放7差，缺点是:。零点残余电压的调整桥理论上来说当Z1=Z2时桥平压为时线相是因此，是于平时有压称为点残余压。点残余动势得传性点附近不灵敏对传线性有影响给测量带来此小是量动压性能好坏的重要指标。 所以在对变压器电桥的设计和制作时有必要采用一定的措施。0R0C ．R ．

．． U． U 0 R U U ０0 ０ ． 0U U ０b) c)图8减小零点电路差动变压器的输出特性曲线如图八所示.图中分别为两个二次绕组的输出感应电动势，E2为差动输出电动势x表示衔铁偏离中心位置的距离。其中E2的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。为零点残余电动势，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所赞成的。为了减小零点残余电动势可采取以下方法：

·E· 2 ·E E22 21·E2EE00 x图9 差动变压器输出特1、 尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数和磁路的对称。磁性材料要经过处理，消除内部的残余应力，使其性能均匀定。2、用的电路，如采用电路。可别衔铁动方可输出特性，减小零点残余电动势。3、 采用线路减小零点残余电动势。在差动变压器二次、数的电电，这时，可使零点残余电动势减小。交流放大电路A/D和数中，下，传感器输出的过一个器对其一定数的满A/D器对输的要，这下，的表器的这一用的表器，其的差动器和几器，即可成性能的表用器。电路的差要由于成的输偏置电电和电压以及等参数不为零，电的变负电的和电器，理线和器，对零等。10这只让个效地抑采作参考行比较也抑制远参考11个采个作个作电。11交桥Z1Z2衔铁间位置Z1=Z2=CDZ1=Z+△Z则下减少Z2=Z-△Z。如果输入交流压正半周A正B负V1、V4导通V2、V3A-E-C-BC由Z1而比CA-F-D-BD由Z2D的高D高C直流压正向偏转。如果输入交流压负半周A负B231、4BC2时降低（时输入压若负半周B正A负C相对于B负Z2C更负BD于DC压表正向偏转。总是反向偏转输出负。可见采用带相敏整流的交流输出信号既能反映小又能反映的方向。A/D及显示电路在测量出信号之后送入单片机时要经过A/D转换A/D转换器是测控系统中将模拟信号转换成信号的要器A/D转换的要：A/D转换；A/D/A/D转换V/F换在转换中要是、格A/D转换器的要标辨率辨率它目前常8、10、14从发启动命令到束获为需间间隔我们常集成D芯9它具8程序任意道进A/D本设因此A、B、C接接地图12ADC0809引脚图ADC08012ININ08A/DABC01与D07。EABC地。TD始A/D。CD。28（708。E将A/D后幕的8。KDzs。VREFVREF是内A。VCC+5GND地。ADC0809ADC08093.3ADC0809与80313zEz其2ADC0809的CLOCK。13ADC08098051接口电路9线T和DC0和1采。当系统主频为6MHz时，ALE1MHz，则需经过二分频变为500KHz才能向ADC0809提供CLOCK信号。上电后单片机将ADC0809采集的电压经14所示。图14显示电路件部分的设计本系统设计的程序流程图图15程序流