唐小林 榮 卓

(中國(guó)地震局地震研究所,武漢 430071)

微小位移測(cè)量裝置設(shè)計(jì)＊

唐小林 榮 卓

(中國(guó)地震局地震研究所,武漢 430071)

微小位移測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)是以 51單片機(jī)為控制核心,采用 DDS芯片產(chǎn)生穩(wěn)定的 100 kHz的正弦波信號(hào),使用差分輸出來驅(qū)動(dòng)差動(dòng)變壓器輸入極,通過檢測(cè)變壓器兩個(gè)次級(jí)線圈的電壓,并對(duì)兩電壓進(jìn)行計(jì)算處理,從而得出位移量。經(jīng)過巧妙的選取直流電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,很好地完成了磁棒的精確閉環(huán)控制,控制精度能夠達(dá)到0.5 mm。

線性差動(dòng)變壓器;閉環(huán)控制;檢波電路;位移量;測(cè)量裝置

1 引言

微小位移測(cè)量系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、化工、石油、制藥、制鹽等行業(yè)。本文討論基于線性可變差動(dòng)變壓器(LVDT)微小位移測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)由一個(gè)鐵芯和兩個(gè)線圈組成,通過一次線圈與二次線圈弱電磁耦合,使得鐵芯的位移變化量與輸出電壓變化量呈精密線性關(guān)系[1]。電壓信號(hào)通過差動(dòng)放大、取均方根值、數(shù)據(jù)采集等過程,即由模擬量轉(zhuǎn)換成便于單片機(jī)系統(tǒng)處理的數(shù)字量,而后通過單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理,可準(zhǔn)確地計(jì)算出鐵芯的位移量。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 激勵(lì)信號(hào)源電路的設(shè)計(jì)

正弦激勵(lì)信號(hào)源是差動(dòng)式位移傳感器的驅(qū)動(dòng)源,激勵(lì)源高度穩(wěn)定才能保證后級(jí)輸出穩(wěn)定可靠,具有高度的頻率和幅度穩(wěn)定性的正弦激勵(lì)信號(hào)是差動(dòng)變壓器位移測(cè)量裝置獲得較高精度的前提,因此正弦信號(hào)發(fā)生電路的選取對(duì)本測(cè)量裝置而言至關(guān)重要。

AD9851[2]是AD公司生產(chǎn)的一款DDS芯片,它的最高時(shí)鐘為 180 MHz并且采用了先進(jìn)的 CMOS技術(shù)。具有相對(duì)帶寬寬,頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短、頻率分辨率高、功耗低等優(yōu)點(diǎn),并且AD9851的外圍器件很少,輸出相位連續(xù),頻率、相位和幅度均可實(shí)現(xiàn)程控。其輸出頻率的穩(wěn)定度基本可以達(dá)到晶振的精度。而且還可以設(shè)置不同頻率的正弦信號(hào),方便調(diào)試分析。故選擇DDS芯片AD9851來產(chǎn)生100K的正弦波。

2.2 測(cè)量檢波電路設(shè)計(jì)

AD637[3]有效值檢測(cè)器將輸出的交流信號(hào)取樣回來轉(zhuǎn)換為有效值。AD637可測(cè)量的信號(hào)達(dá) 7V,精度優(yōu)于 0.5%,且外圍元件少,頻帶寬,對(duì)于一個(gè)有效值為 1V的信號(hào),它的 3dB帶寬為 8 MHz,并且可以對(duì)輸入信號(hào)的電平以 dB形式表示,所以可以滿足要求,因此采用此方案。

2.3 數(shù)據(jù)處理部分

通過ADC芯片對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行采樣送單片機(jī),由單片機(jī)處理數(shù)據(jù)。此方案電路簡(jiǎn)易,編程方便,故采用此方案。為了能使處理后的數(shù)據(jù)作為閉環(huán)控制信號(hào),我們還采用DAC把處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬量輸出,以供電路調(diào)試分析和最終系統(tǒng)測(cè)試。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用DDS芯片AD9851產(chǎn)生 100K的正弦波,此信號(hào)通過由 THS4503[4]構(gòu)成的全差分電路來驅(qū)動(dòng)變壓器的初級(jí)線圈。隨著磁棒在線圈內(nèi)的軸向移動(dòng)可以使兩對(duì)稱次級(jí)線圈產(chǎn)生不平衡輸出,再把兩路輸出分別送入用 AD637和 OPA132構(gòu)成的檢波放大電路,然后用 ADS7886[5]對(duì)放大過的直流信號(hào)進(jìn)行采樣并送單片機(jī),單片機(jī)通過運(yùn)算得出位移量,同時(shí)把數(shù)據(jù)送入液晶進(jìn)行顯示。而且系統(tǒng)還能夠通過對(duì)所測(cè)得的位移量與設(shè)置值進(jìn)行比較,通過對(duì)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制,實(shí)現(xiàn)電機(jī)帶動(dòng)磁棒到達(dá)指定位置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the system

4 局部電路設(shè)計(jì)與電路參數(shù)計(jì)算

4.1 線性差動(dòng)變壓器的制作

磁棒的移動(dòng)范圍是 -20～+20 mm,所以磁棒的長(zhǎng)度不能小于 40 mm,而且磁棒軸向移動(dòng)時(shí)不能影響初級(jí)線圈的電感,所以在磁棒移動(dòng)時(shí)是不能離開初級(jí)線圈的,磁棒的長(zhǎng)度還應(yīng)該加上初級(jí)線圈的長(zhǎng)度,考慮到手工制作的問題,如果初級(jí)線圈太短,不對(duì)稱性問題較明顯,因此最后取磁棒的長(zhǎng)度為 8 cm。其次,應(yīng)確定初級(jí)線圈的電感,差動(dòng)放大器的輸出電阻與初級(jí)線圈形成的電感構(gòu)成一個(gè)衰減器,由于磁棒的移動(dòng)會(huì)影響初級(jí)線圈的電感,為了減小這種衰減帶來的誤差,所以初級(jí)線圈的感抗應(yīng)比差動(dòng)輸出的電阻大得多。由于頻率為 100 K,如果取感抗為 1 000歐姆,那么電感為 1.6 mH,線圈電感值通過電感測(cè)量?jī)x來確定。次級(jí)線圈的長(zhǎng)度,由于磁棒的上下移動(dòng)范圍各有 2 cm,為了不讓磁棒移出線圈,所以兩次級(jí)線圈的長(zhǎng)度均不能小于 6 cm,這里把次級(jí)線圈的總長(zhǎng)度確定為 13 cm。采用直徑0.2 mm的漆包線繞制線圈。

4.2 DDS頻率控制字的計(jì)算

DDS選用AD9851,由 DDS產(chǎn)生的信號(hào)頻率計(jì)算表達(dá)式如式 1所示：

其中 clock為系統(tǒng)頻率,這里取 120 MHz,所以要輸出 100 K的信號(hào),根據(jù)計(jì)算可知,給 DDS的頻率控制字為 369d03H。

4.3 差動(dòng)放大器的設(shè)計(jì)

差動(dòng)放大電路采用 TI公司的全差分結(jié)構(gòu)的超高速寬放差動(dòng)放大器 THS4503設(shè)計(jì)差動(dòng)放大器,該芯片能夠方便調(diào)節(jié)放大倍數(shù),使用簡(jiǎn)單,調(diào)試容易,而且性能優(yōu)良。其外圍電路如圖 2所示。

圖2 差動(dòng)放大器電路Fig.2 Circuit of differential amplifier

那么有：

DDS輸出信號(hào)的峰值只有 500 mV,所以信號(hào)需要放大 10倍,為了使差分輸出平衡,根據(jù)式 (2)、(3)、(4),使 VOCM接地,R1和 R3取 250Ω,R2和 R4取5 K。

4.4 檢波電路的設(shè)計(jì)

AD637是一片測(cè)量信號(hào)有效值的芯片,使用簡(jiǎn)單穩(wěn)定,電路如圖 3所示。根據(jù)芯片資料可知,C2為濾波電容,C2的值越大,那么它抑制諧波的能力就越強(qiáng),但是它所需要的運(yùn)算時(shí)間就會(huì)越大,C2的取值與輸入信號(hào)的頻率有關(guān),輸入信號(hào)頻率為 100 K,C2取 1 uF為比較合適。

圖3 檢波電路Fig.3 Detecting circuit

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.4 Motor driving circuit

4.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

由于要實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的精確控制具有一定難度,即使采用閉環(huán)控制算法,也很難兼顧控制電機(jī)的速度和精度,因此本設(shè)計(jì)采用單放機(jī)內(nèi)部的直流電機(jī)給磁棒的傳動(dòng)提供動(dòng)力,完全利用單放機(jī)內(nèi)部的齒輪結(jié)構(gòu),不僅調(diào)試和安裝容易,而且由于其驅(qū)動(dòng)電流一般只有 40 mA。其電路如圖 4所示,單片機(jī)的兩個(gè) I/O口,給不同電平同時(shí)作用到 OP07的兩個(gè)輸入端,達(dá)到控制OP07的輸出電平的極性,通過互補(bǔ)三極管能夠?qū)Ⅱ?qū)動(dòng)電流提高到 200 mA,足夠驅(qū)動(dòng)小型直流電機(jī)。并且通過前端的分壓和反饋電阻R4可以很容易調(diào)節(jié)輸出電壓的大小,從而控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn),同時(shí)還可以通過改變脈沖數(shù)目和寬度來達(dá)到精確微小位移控制。

4.6 軟件的設(shè)計(jì)

本位移測(cè)量裝置的軟件設(shè)計(jì)主要包括 AD9851配置、液晶顯示和菜單切換、數(shù)據(jù)采集與處理、電機(jī)控制等程序。系統(tǒng)軟件流程如圖 5所示。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Flow chart of the software

5 測(cè)試結(jié)果與分析

使用數(shù)顯游標(biāo)卡尺比對(duì),磁棒在線圈中移動(dòng)時(shí),用示波器觀察記錄A、B兩點(diǎn)電壓波形的峰值如圖 6所示,同時(shí)記錄A,B電壓的有效值與位移測(cè)量系統(tǒng)顯示的 d值。

圖6 測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test results

從數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出該位移測(cè)量系統(tǒng)在中心位置的 47 mm范圍內(nèi)都具有良好的線性特性,測(cè)量精度足夠滿足 0.5 mm的要求。同時(shí)通過多次測(cè)量,該測(cè)量系統(tǒng)具有較好的重復(fù)性。

1 胡學(xué)武,盛小明.LVDT無相移解調(diào)器及監(jiān)控器的電路設(shè)計(jì)[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(bào),2008,28(2)：73-74.

2 CMOS 180 MHz DDS/DAC Synthesizer AD9851[EB/OL]. http：//www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ AD9851.pdf

3 High Precision,W ideband RMS-to-DC converter AD637 [EB/OL]. http：//www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/AD637.pdf

4 W ideband,low-distortion fully differential amplifiers[EB/ OL].http：//focus.ti.com/lit/ds/symlink/ths4503.pdf

5 12-Bits,1-MSPS,micro-power,miniaturesar analog-to-digital converters[EB/OL].http：//focus.ti.com/lit/ds/symlink/ ads7886.pdf/

DESIGN OF M INI-D ISPLACEM ENT M ETERING EQUIPM ENT

Tang Xiaolin and Rong Zhuo
(Institute of Seism ology,CEA,W uhan 430071)

The equipment reported here takes 51 monolithic integrated circuits as control core,and uses the DDS chip to produce the 100 kHz sine wave signal.It uses the difference output to drive the input levelof differentialmotion transformer,through testing the voltagesof the transfor mers two sencondary coils and carrieson computation processing of the t wo voltages,thus the displacement value is obtained.After the ingenious selection of direct currentmachine and motor-driven electric circuit,magnetic rod’s precise closed-loop control is completed very well.The control precision can reach to 0.5 mm.

linear differential motion transfor mer;closed-loop control;detecting circuit;displacement;measuring equipment

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0176-03

2010-06-11

唐小林,男,1953年生,高級(jí)工程師,主要從事儀器研發(fā)工作.E-mail：ttang531203@sina.com

TH76.3

A