基于实现电磁感应原理测量位移的数字化

基于实现电磁感应原理测量位移的数字化
王东亚
【摘要】本文详细地讨论了基于电磁感应原理位移测量的数字化系统的具体实现,在该位移测量系统中,利用STM32芯片及外围数字/模拟电路给定尺加以稳定的且
足够大的激励电流,滑尺感应的电流经积分电路积分及A/D转换对滑尺相对定尺的相对位移进行微米级位移的测量.
【期刊名称】《吉林工程技术师范学院学报》
【年(卷),期】2013(029)003
【总页数】2页(P79-80)
【关键词】电磁感应;位移测量;数字化
【作者】王东亚
【作者单位】郑州大学物理工程学院,河南郑州450001
【正文语种】中文
【中图分类】O441.3
1 引言
感应同步器是根据电磁感应原理，把线位移或者角位移转换成电信号的精密测量元件。

感应同步器本质上是一种位移量调制器，根据用途分为直线式和旋转式，分别用于测量线位移和角位移，它们的工作原理相同。

本文论述的是直线式感应同步器。

2 直线感应同步器的应用
直线式感应同步器用来检测直线位移，常应用于大型和精密机床的自动定位，位移数字显示和数控系统中.直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，二者面对面平行放置，间距在0.15 mm～0.35 mm之间.定尺和滑尺都是由节距为b=2 mm 的连续绕组构成，其中滑尺是由正交的两个绕组构成，分别称为绕组和绕组.滑尺绕组的绕组和绕组在空间上一般相差(n=0，1，2，…)。

工作时，在定尺上施加固定频率和幅值的交变信号，在滑尺上感应生成频率、幅值随定尺和滑尺之间相对位移量变化的电动势，即定尺和滑尺相对移动时，感生电动势被相对位移x调制.同理，在滑尺上加激励信号时，定尺上也会产生调制信号.因此，感应同步器就是位移量的调制器.通常感应同步器输出电信号微弱，为了方便后面的数据处理，一方面是加大激励信号的功率，另一方面还需要给输出信号配备变换电路。

直线式感应同步器性能稳定、抗干扰能力强，与其他位移检测方式相比，具有很多优势:一是具有较高的精度与分辨力。

其测量精度首先取决于印制电路绕组的加工精度，温度变化对其测量精度影响不大，感应同步器是由许多节距同时参加工作，多节距的误差平均效应减小了局部误差的影响。

二是抗干扰能力强。

三是使用寿命长，维护简单。

四是可以作长距离位移测量。

五是定尺和滑尺的制作简单方便，而且成本低，便于批量生产。

直线式感应同步器的激励方式有两种:定尺激励与滑尺激励，本设计采用定尺激励的方式。

定尺采用高频激励，优势体现在:一是激励信号功率可以较大，便于后面的处理;二是滑尺在均匀磁场中运动，受干扰信号小，感应信号失真小.因此，在本设计方案中，对传统的滑尺激励进行改进，采用定尺高频激励的方式，实现感应同步器测量位移。

在定尺上加上激励电压u=Asinωt，定尺上的电流为i=Im×sinωt，激励信号的频率选择为100 KHz～200 KHz之间的高频信号.由于定尺上任意相邻的两条平行竖
直导线中电流方向相反，因此相邻两竖直导线之间的磁通方向相同，磁通密度按位置作余弦规律分布，而且磁通的幅值与定尺中电流的大小成正比。

根据电磁感应原理以及调制解调原理可以得出位移测量的计算公式为:
根据设计要求，系统的主要部分是:STM32核心板，用来控制整个系统的工作。

在STM32的控制下产生矩形波信号对定尺激励，因为STM32产生的信号强度不够
因此应用电流放大电路对激励信号放大，产生足够强的激励电流。

激励电流通过测量尺(定尺与滑尺)产生感应信号，该感应信号进入积分电路，由积分电路来完成对感应信号的“收集”。

积分完成后，经过STM32自带的A/D转换器被STM32读取并进入到数据处理环节。

由本系统的测量原理可知，需要循环的对定尺进行变换激励(即正相激励和反相激励)，这样滑尺中才会有感应，当滑尺相对于定尺移动时，其感应量也发生变化。

故在程序结构上就是存在激励和积分的小循环以及整个测量系统的大循环。

在小循环中，产生适当次数的激励信号并在STM32操纵模拟开关的配合下进行两倍于激励信号次数的积分次数。

完成积分后，停止激励，进入AD采样以及数据处理阶段。

由于在AD转换得到的数据与滑尺位移的数据之间存在一定的对应关系，并且考虑到硬件电路本身的干扰因素，需要在软件设计上进行一定程度的矫正，所以在程序中通过建立表格的方式来建立AD数据与位移量的关系，即得到AD数据后通过查表的方式查到实际的位移数据，然后显示。

在进入下一次的测量之前，需要将积分器中的电荷释放出，而这一步可以通过STM32操作模拟开关来完成。

3 结语
感应同步器的原理成熟，硬件电路简单，可以利用即现有电路模块来构建硬件电路，而且性能稳定可靠。

软件部分，可以对STM32F10X进行编程操作，操作灵活。

二者结合，就可以实现快速、精确的位移检测。

在本设计中，对传统方式进行了改
进:首先是改进了传统的滑尺绕组的结构;其次，对激励方式进行了改进，采用定尺高频激励，使信号的处理更方便，提高了测量分辨率，且降低了干扰;最后，用Cortex－M3系列的芯片代替传统的8位单片机，提高了信号的处理能力和处理速度，保证位移检测的实时性。

参考文献:
［1］华成英，童诗白.模拟电子技术基础［M］.北京:高等教育出版社，2006. ［2］田泽.嵌入式系统开发与应用教程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2005.。