【基于电涡流传感器的厚度测量设计4600字（论文）】

基于电涡流传感器的厚度测量设计目录TOC\o"1-2"\h\u301861引言 1262372总体方案设计 1199873系统硬件设计 3104473.1涡流传感器电路设计 3276013.2数据处理和显示模块的电路设计 7210194软件设计 9221404.1测厚程序总流程 951254.2各模块初始化子程序 10271595设计总结 1112238参考文献 12摘要：本文设计的厚度测量系统采用无损、非接触的电涡流检测技术，设计相应电感检测线圈及相应的谐振电容，并以LDC1000型电感数字转换器芯片以及C8051F120单片机为控制核心，实现对系统的控制。其次在完成硬件设计的基础上，使用C语言进行嵌入式编程，在实现检测的同时以串口方式将测量值传输至PC机显示。最后根据测量原理对该系统进行了误差分析。关键词：厚度测量；电涡流传感器；单片机1引言在我们的日常生活中常见的厚度测量工具有直尺、卷尺和三角尺等，这些测量工具的测量精度都是厘米级别的，在一些高精度制造领域，测量精度需要毫米级的，在生产产品时，需要测量产品的精度来保证产品的质量。例如：在五金行业里，生产工件需要保证所生产的工件达到预期的精度，如果所生产的工件不能达到预期的精度要求，那么这件产品相当于一件废品，为了测量出产品的尺寸来判断工件是否符合要求，这时候就需要用到精确测量工具，而传统的卡尺有读数麻烦、读数容易出错和工作效率低等缺点。本文研究设计了一款基于电涡流传感器的厚度测量装置，该装置测量数据是直接通过显示模块来显示厚度测量所得的数据，不需人工计算数据，避免读数出错，可以节省人力及大大提高工作效率。2总体方案设计如图2.1所示，厚度测量系统的总体设计应包括信号模块、厚度模块、单片机数据处理模块、显示模块和报警电路。首先通过厚度测量模块通过线圈将转动量等效转换为电流量，再通过信号调理模块将电流信号等效转换为电压信号，并将其滤波、放大发送给C8051F120进行数据处理，最后将厚度等数据显示在显示屏上或发送到上位机中。图2.1厚度测量系统总体方案设计图厚度测量模块由探头、延伸电缆和被测体构成。探头和后续的信号变换器通过延长电缆连接和延长，探头主要由线圈和不锈钢外壳组成，是涡流传感器的传感单元。当高频电流引入线圈时，线圈会产生交变磁场，此时，被测导体靠近该磁场，导体内部就会产生涡流。涡流产生的磁场与线圈产生的磁场方向相反，所以会削弱线圈的磁场强度，而降低线圈的电感量。当被测物体的厚度发生变化时，此时传感器探头与线圈的距离发生变化，相应的，线圈电感量也随之发生变化，因此线圈的电感量变化可以等效为被测物体的厚度变化。信号调理与传输模块包括信号提取、信号分离和信号变换电路三部分。当被测体的转动时，线圈会产生一个微弱的电流信号，然而由于采集来的信号强度太弱，不能直接输出到单片机中，还需要进行信号调理，将其转换为一个标准电压信号，信号调理主要包括采集、放大和滤波这三个环节，通过三运放的仪表放大器进行初级放大，再通过低通滤波器进行次级放大。数据处理和显示模块包括C8051F120单片机主控芯片和LDC1602液晶显示。处理过的电压信号将输入到C8051F120中进行融合处理，存储到AT24C04中，最后将测得的厚度显示在LCD模块上。简单讲，本系统的工作过程可以概括为：被测体厚度反生变化时，探头和被测体之间的距离发生规律性的变化，进而使线圈阻抗也随之周期性变化，在经过放大电路、滤波电路、信号转换电路处理后，最终形成周期信号输入到单片机进行数据处理。3系统硬件设计3.1涡流传感器电路设计传感器内部测量电路由稳频稳幅振荡器、滤波器、脉冲转换三部分构成，如图3.1所示。靠近振荡器交变磁场附近被测物体表面会形成涡流场，振荡器的振幅与被测体距离成反比。经过检测、滤波、脉冲转换等电路，电流信号产生与厚度成正比的频率信号。图3.1传感器功能框图当测量物体厚度时，线圈将探头与被测体之间的距离变化等效为阻抗变化，线圈电感L和电容C并联，构成谐振电路。被测体在远离线圈的过程中，谐振电路会出现最大阻抗，此时的输出电压达到最大值。被测体靠近线圈的过程，会影响线圈的电感L，形成回路不平衡，电压下降。由此可见，L的大小与被测体和线圈的距离x有关，从而得出输出电压也与距离有关。最后，对输出电压进行放大和滤波，调整到下一个电路可以接受的电平，图3.2为调幅式电路原理图。图3.2调幅式电路原理图3.1.1系统外部供电电路的设计系统采用直流电压进行外部供电，由于系统体积小、功耗低，所以本文选用LM117作为供电电路的电源。LM117是一个可调正输出稳压器，可在一定范围内线性调节输出电压。本系统使用两个LM117进行两次电压转换。电压从24伏降至17伏，然后降至5伏。这样即使外部电源电压变化再大，仍能为系统提供稳定的电压。如图3.3所示，LM117的输出端VOUT接一个1μF的钽电容，能改善负载的高频响应；在输入端VIN接一个0.1μF的钽电容，可以改善纹波电压，抑制输入瞬态过载电流。图3.3LM117管脚功能与典型电路涡流电流传感器的供电电路如图3.4所示。图中添加钽电容E1、E2、E3和E4可以减少引入的低频干扰。添加电容C1、C2、C3、C4、C11、C12、C13和C14可以补偿频率、抑制电路中的高频干扰，防止控制器产生高频自激振荡。如果在输入或输出有短路，D1和D4二极管提供一个放电路径到电容，这可以防止稳压器损坏。图3.4传感器供电电路3.1.2涡流传感器拾取电路的设计信号拾取电路原理如图3.5所示，主要包括拾取、放大和滤波这三个环节。考虑到通过涡流传感器线圈采集到的信号较微弱且易受外界干扰，因此要对微弱的信号进行一系列的处理，从而输出标准的电压信号。图3.5信号拾取电路原理框图对信号进行处理时要注意：1）在采集过程中，尽量保持信号的稳定性，减少其他的干扰；2）放大时应抑制共模信号，放大差模信号；3）在滤波过程中，用低频滤波电路消除高频干扰。（1）初级放大电路.本文采用三运放的仪表放大器对信号进行初级放大，通过叠加放大微弱信号来降低噪声，从而实现对差模信号的放大和共模信号的抑制。本文选用1.2MHZ带宽的LM124运算放大器，因为它具有良好的频率响应。如图3.6所示，本文是由两级运算放大器放大：左侧的U2B和U2C是第一阶段对称的差动放大电路输入阻抗高、漂移电压和共模输出电压是相等的，而且u2a第二阶段差动放大电路。该电路具有差分模电压增益高、共模抑制功率强、输出漂移电压低的优点。图3.6初级放大电路（2）信号的滤波整形干扰信号主要由无线电波、高频器件、电源和电子元器件引起的干扰组成，如图3.7所示，次级放大电路，即低通滤波电路，它不仅可以对不必要的高频信号进行滤波，也可以放大所需的信号。图3.7次级滤波整形电路3.1.3厚度测量电路的设计本文选用的LDC1000电感传感芯片外接电感和谐振电容即可工作，能够实现对LC网络电感和阻抗的测量。其典型工作结构图如图3.8所示：图3.8LDC1000系统结构简图如图3.9所示，LDC1000具有可以连续输出扫频信号的内部高频振荡器。当外部LC网络谐振时，LC谐振电路的阻抗达到峰值，输出电压也随之达到峰值。因此，为了保持LC网络的谐振，可以将输出引脚处的电压保持在一定的峰值。图中右下角是外部电感和谐振电容的等效电路，L201表示电感的电感值，C201是外接的谐振电容。图3.9测厚原理图3.2数据处理和显示模块的电路设计3.2.1单片机最小系统单片机最小系统如图3.10所示，包括调试口、滤波电路、时钟电路和复位电路。左侧P101是一个程序下载接口，分别连接在单片机的1~5端口；下面是一个滤波电路，共12个电容，一个高电容和一个低电容为一组可以滤除电源的杂波；U102是11.0592M的有源晶振，为外设的时钟源，接在26和28端口；U103为复位电路，外接在RST，为低电平且给处理器的信号时间需大于两个机器周期，复位过程37、38引脚接后备电源，确保RAM的存储信息不会丢失。图3.10单片机最小系统图3.2.2显示电路本文显示模块选取液晶LCD1602显示模块，可以达到系统要求显示的内容，显示的内容非常的直观，电路里的电阻可以调节液晶的背光程度作为，操作方式分为串行或者并行，可以有效的利用单片机的IO口，硬件设计如图3.11所示。图3.11显示电路图3.2.3存储电路存储电路选用4KB可擦除内存芯片at24c04。它使用二线串行总线与单片机通信的标称电流是1mA，最低电压为2.5V，静态电流10uA(5.5V)，芯片中的数据可以存储在很长一段时间甚至在停电的情况下，采用8脚的DIP封装，使用起来非常方便。图3.12存储电路3.2.4时钟电路时钟电路选择涡流充电时钟芯片DS1302，其设计电路比较简单。根据通信协议，我们可以通过三个引脚获得芯片内部寄存器的值，从而获得分秒数据信息，显示在液晶上。图3.13时钟电路4软件设计4.1测厚程序总流程因为被测信号频率较低，本文选用晶振为11.0592MHZ的单片机，能准确地检测出低频信号。同时，为了保证测量精度采用了测周法。图4.1为测厚系统主要流程图。图4.1测厚系统主程序流程图先初始化单片机的中断和显示并对脉冲信号进行计时，本文采用跳沿触发式计数器T0，第一个脉冲到达，计数器T0开始计数，定时器T1开始计时。为了提高测量精度，在信号板上放置了四块小磁铁，被测体每旋转一圈时将产生四个脉冲。当T0口计满四个脉冲时就会发生中断，大约每50毫秒发生一次中断，从而计算出厚度并发送至显示程序。厚度数据通过数码管实时显示，同时，数据也会完整的保存在AT24C04中。4.2各模块初始化子程序在程序开始之前，需要给寄存器分配初始化值以保证程序的正常运行，考虑到初始化过程中可能会出现意外中断的情况，因此会在初始化后打开总中断。各模块初始化程序框架如下图4.2所示：图4.2系统各部分初始化流程图在程序开始时，定时器和终端寄存器初始化方式如下：（1）对TMOD赋值0X01，来确定定时器0的工作方式为1（2）计算初值，并将初值写入THO=(65536-45872)/256，TL0=（62236-45872）/256（3）选择中断形式，将给ET0设定为1，开启定时中断（4）使TR0置位为1，启动定时器0开始定时表4.1寄存器TMOD工作方式M1M0工作方式00方式0为13位定时器/计数器01方式1，为16位定时器/计数器10方式2，8位初值自动重装的8位定时器/计数器11方式3，仅适用于T0，分为两个8位计数器I2C可以同步传输数据，其总线接口由SCL和SDA构成，在传输信息时要注意，当SCL=0时，SDA信号可以改变，当SCL=1时，SDA数据不能改变。单片机主芯片与串行口通信时，需要初始化单边机与串行口相关的一些主寄存器，包括传输比特率T1和控制寄存器SCON的中断设置。具体操作如下：1）设置一个TMOD寄存器；2）计算出TH1和TL1的数值，并放入定时器3）打开定时器，并对TR1赋值4）设置SCON寄存器中的SM0和SM15）在中断程序开始前，编辑相的关寄存器5设计总结本设计基于电涡流传感器的厚度测量是为了测量物体的厚度，并能快速读取被测物体的厚度。这个设计主要包括了电涡流传感器数据采集、单片机数据处理和显示屏数据显示。通过电涡流传感器厚度测量装置的研究，查阅了很多与该课题有关的资料，学习如何使用各个硬件模块，并理解这些硬件的使用方法，为完成设计，不断对设计进行调试，最终完成了课题的设计。本课题设计的电涡流传感器厚度测量装置功能和效果总结如下：（1）设计好的电涡流传感器厚度测量装置可以准确测量出物体的实际厚度。（2）测量到的数据可以实时显示到oled显示屏上，且数据稳定。（3）设计好的电涡流传感器厚度测量装置分辨率为0.01mm，测量的误差小于0.05mm，达到设计的预期要求。参考文献[1]牟迪,陆天炜.基于电涡流传感器的滑动轴承油膜厚度测量方法[J].机械工程