《武汉工程大学学报》 2009年09期
59-61
出版日期：2009-09-28
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
精密位移测控系统的设计
0引言位移是重要的非电量物理参数，测量位移的一般方法是采用电容差压式传感器［1］或电感传感器－感应线圈.本文采用电感传感器，使位移变化影响感应线圈的互感变化，初级线圈施加恒定的交流电压，次级线圈则感应出电动势.该装置成本低，结构简单，具有良好的抗干扰性，在一定的范围内，误差小于1%，在微小位移测量控制领域有着很大的优势，能广泛应用于机械装置的精加工.1系统组成与单元电路设计根据实际位移测控需要，系统由激励电路、感应线圈和测控电路组成，其结构如图1所示.当磁棒运动时，在次级线圈中的感应电压出现差动变化：当线圈离开中点向上运动时，由于磁棒的吸收作用，上半部分线圈感应电压降低，而下半部分由于磁棒离开而感应电压增强.通过测量图1中A、B点的电压，可直接通过下式计算出相对于中心点的位移.图1位移测控系统结构框图
Fig.1Block Diagram of distance measurement and control system architectured=K×UA-UBUA+UB（1）
式（1）中，系数K为常数，与系统参数有关.1.1传感器设计鉴于螺旋管结构的电感传感器具有灵敏度高的优点，本系统采用螺旋管传感器.兼顾测量范围和测量精度，螺旋管传感器长度为40 mm，直径为12.2 mm，漆包线直径为0.23 mm，螺旋管初级线圈为200匝，次级线圈均为100匝，各长20 mm，选用中波收音机用的磁棒，直径为7.4 mm，长度为20 mm，这里与常规的感应式位移测量不同［23］，采用差动输出.1.2正弦波振荡电路设计系统采用100 kHz的正弦波信号，采用如图2所示的RC文氏桥振荡电路［4］.图2中的集成运算放大器选用低噪声的OP07，具体参数为：电阻R1=R2=1.6 kΩ，电容C1=C2=1 000 pF，工作频率f=1/2πRC=99.5 kHz，负反馈支路的电阻R3=20 kΩ，电位器R4=100 kΩ，二极管D1、D2起幅度稳定作用.图2100 kHz文氏桥振荡器
Fig.2100 kHz Wienbridge oscillator1.3差分放大电路为了驱动螺线管线圈，需要提高信号的驱动能力.常见的电路有乙类推挽电路，但由于交越失真会影响位移测量精度，本文采用专用差动放大器THS4503实现差分放大，一方面提高信号驱动能力，同时抑制电路干扰、噪声，提高位移测量精度，具体的电路原理图如图3所示.图3差分放大电路
Fig.3Differential amplifierTHS4503为宽带差分放大器，驱动电流可达到150 mA，在±5 V电源工作时，输出电压峰峰值可达到4 V，图3中反馈电阻的选取要考虑信号负载、噪声和频率响应，较大的电阻会带来较大的噪声，并在低增益放大中出现交流上冲响应，而较小的阻值可提高放大器的负载能力，但同时会增大失真，这里为2倍电压放大，输出电压峰峰值为4 V，具体参数为：R1=215 Ω、R2=392 Ω、R4=392 Ω、R3=187 Ω、RT=60.4 Ω.1.4精密有源整流电路为降低系统对单片机的要求，系统采用精密线性全波整流电路将次级线圈的交流信号转化为直流电压，具体电路如图4所示［3］.电路选用低噪声运算放大器OP27，检波二极管为IN60，电阻R1=R2=5 kΩ，R5=R6=10 kΩ，R3=R4=R7=5 kΩ，C1=C2=300 nF，电阻R8=3 kΩ，电位器R9=10 kΩ，后级放大电路用于调整输出信号的大小，使两通道的输出一致.图4线性全波整流滤波电路
Fig.4Linear fullwave rectifier & filter Circult第9期熊俊俏，等：精密位移测控系统的设计
武汉工程大学学报第31卷
2系统软件设计本系统采用C8051F020单片机作为数据处理和控制核心，并利用其自带的模数转换器进行数据采集.软件的核心就是根据两路A/D采集的值来计算出位移的变化.系统的软件流程如图5所示.图5系统软件流程图
Fig.5The software architecture of system3测试数据与处理首先对电路逐级检查，确保差分放大电路的输出和次级输出波形没有失真，测量两路整流滤波后的电压，根据式（1）计算位移，图6为电压与位移的实测曲线.图6电压与位移的关系曲线
Fig.6Relation between Voltages and Distance经过数据分析，该系统的位移传感器的线性度优于0.2%，准确度优于0.5%，式（1）中的系数K为200/13，本系统的线性区域为±11 mm，若采用数据校正［57］，可进一步扩大测量范围.4结语利用差动变压器将位移转化成与它正比的电信号，解决了位移量的电量转化问题和位移的方向问题，使位移量在一定的范围能被精确测量，并使测量精度达到0.1 mm，通过精确控制磁棒的位移量，误差小于0.1 mm，达到了设计要求.如果考虑差动输出信号的幅度和螺线管的阻抗匹配，则线性测量区间还可以再扩大一些.致谢：本文是在创新基地设计完成的，在此特别感谢杨志芳、陈家林等老师给予的帮助.