位移测量装置的设计

位移测量装置的设计

摘要：微小位移量的精确测量是测控工程技术中的一个重要课题。本文介绍了基于线性可变差动变压器的位移测量系统的系统结构，主要硬件设计和软件流程，以及相关参数的设置。硬件设计采用的直接频率合成芯片AD9851、电流负反馈高速运放AD811、高精度串行AD 转换芯片ADS7886、直流电机驱动专用芯片MC33887等高性能芯片较好地满足了低功耗、高精度、实时测控的设计要求；软件设计遵循模块化编程思想，便于系统升级。

关键词：DDS 信号 位移测量 差动变压器 单片机 运算放大器

Design of Displacement Measuring System

Abstract ：Accurate measurement of small displacement in measurement and control-technology is an important issue. A differential transformer displacement measuring system based on linear variable differential transformer is designed. The system structure, main hardware design, software processes and critical parameter configuration are presented. Some high performance ASIC chips used in the hardware design, such as direct frequency synthesizer chip AD9851, high-speed current feedback amplifier AD811, precision serial AD converter chip ADS7886, DC motor drive chip MC33887, which is satisfied with the design demands for the low power, high precision and realtime monitoring control. Software design follows the modular design principle, and easy to upgrade.

Key words ：DDS, displacement measuring, differential transformer, MCU, amplifier

1 引言

随着生产加工方式的变革、检测指标要求的提高，需要用非接触式测量方法取代传统的接触式测量。当前位移测量技术主要有以下几种：有机械的浮子方法，利用电阻、电感、电容的非电量电测量方法；有光学或激光测量方法；有利用放射性或射流技术的测量方法等。数字处理器处理能力的增强尤其是各式传感器的更新换代，使各种非接触式测量装置的设计趋于智能化。本文设计了一种基于线性可变差动变压器的位移测量装置，有着设计成本低、位移线性度好、功耗低等有点，具有一定的实用价值。

2 系统设计

2.1 位移计算方法

如图1（a ）所示，初级绕组为N 1，次级绕组为N 2-1和N 2-2，初级线圈接入适当的u 1后，由于互感作用在两个次级线圈上产生的磁感应电动势为

111111E j 1jwM wM I U r jwL ∙∙

∙=-=-+， 222111E j 1jwM wM I U r jwL ∙∙∙

=-=-+ （1） 式（1）中，1

U 为初级线圈激励电压相量，M 1和M 2为次级线圈1和2的互感，r 1为初级线圈的有效电阻，L 1为初级线圈的电感。如果把两个次级线圈的同名端相连，则传感器的输出电压为

22122u u u =- （2）

u 1u 2-1

u 2-2u 20(a)(b)

+V u 2-1u 2-2

图1 差动变压式传感器原理

（a ）差动变压式传感器原理图 （b ）数据提取图 在一定范围内，当铁芯移动时，u 2就随铁芯位移x 成V 字型特性。

在初级绕组L 1上加100K 等幅正弦电压, 则在次级绕组L 2和L 3均感应出电压, 假若忽略有限长线圈内磁场强度的不均匀分布，且只计算有介质部分产生的磁场，不考虑磁棒运动过程中线圈内空气中磁场引起的变化，则L 2、L 3上感应的电压（V A 、V B ）分别为

0V =k*()A X x +∆， 0V =k*()B X x -∆ （3）

以上k 为一恒定系数，0X 为磁棒的一半长度，x ∆为磁棒运动位移。则

00()/()(2**)/(2**)/A B A B d V V V V k x k X x X =-+=∆=∆ （4）

所以 0*x d X ∆= （5）

2.2 系统结构

位移测量装置系统结构如图2所示，特定频率的正弦信号经运算放大器进行差分输出，驱动线性可变差动变压器的原边。差动变压器两副边感应出正弦电压信号，分别经过放大、精密整流、滤波得到稳定的直流电压。对此两路直流电压进行AD 转换，对所获数据分析处理，计算位移量，结果通过人机交互界面得到显示。此外，控制部分对来自键盘的输入位移数据进行分析处理，通过直流电机驱动磁棒移动，控制磁棒到达指定的位移处，实现位移设定功能。 正弦

信号

产生

电路 差分放大 线性可变差动变压器

整流滤波

整流滤波 A/D 转换A/D 转

换单片机数据处理键盘

输入

液晶

显示

直流减速电机

图2 差动变压式位移测量装置系统结构图

3 主要硬件设计