具有高精度的悬浮轴振动测量传感器的设计

发布者:数据舞者最新更新时间:2016-09-27 来源: eepw关键字:高精度  悬浮轴  振动测量传感器 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章
悬浮轴转动时稍微受到干扰就会产生微小的不稳定的振动,这种振动将影响悬浮轴的正常运动状态,因此,对悬浮轴的振动位移进行无干扰测试极其困难,如果再要求测振传感器灵敏度高、稳定性好、抗干扰能力强,实施起来则更加困难。目前,在非接触测振传感器的研究方面,主要有电涡流测振传感器和激光传感器。但是,电涡流测振传感器容易受到附近的电磁干扰和温度的影响,激光传感器成本高,稳定性差。考虑到电容传感器结构简单、灵敏度高、动态特性好,完全可以满足使用环境,以此为基础,本文设计了具有高精度的悬浮轴振动测量传感器,并在测量过程中实现了振动信号处理的数字化。

1总体设计原理

悬浮轴振动测量传感器的设计包括电容传感器的设计、振荡电路的选取、光电编码器的采样、差频计数的实现、单片机智能控制几大部分。其基本原理是:首先,利用导电介质电容传感器将振动位移的变化转换为电容量的变化,由于电容传感器为振荡电路中的电容元件,因而,电容量的变化会引起振荡器输出频率的变化。同时,选择另一只电容传感器作为温度补偿传感器,通过振荡器同样得到一个频率信号。振动信号的采样是由光电编码器的等转角取样实现的,在光电编码器、门电路及单片机硬软件的配合下,将2个高频信号输入差频计数器就能得到固定时间间隔内的计数值,送C8051F020单片机进行存储和处理,得到计数差值并转换成振动位移的大小,实现框图如图1所示。

 

2传感器的研制

2.1测量电路

悬浮轴的振动位移测量电路由两部分组成:一方面利用导电介质电容传感器将悬浮轴振动位移的变化转换成电容量的变化;另一方面,利用反射式光电编码器实现悬浮轴转动的等角度采样,保证采样的精度。

2.1.1导电介质电容传感器的设计

利用改变电容极板面积S和极板之间距离d的方法,均可以达到改变电容量C的目的。选用变极距式电容传感器实现对悬浮轴的振动位移测量。为使传感器能将振动位移的变化转换成相应的电容量变化,使两者成单值函数关系,并保证悬浮轴在转动和受外界干扰时的真实运动状况不发生改变,导电介质传感器以悬浮轴本身作为电容器的动极板,采用温度对材料膨胀系数影响小的铜作为静极板。另外,设计时对电容传感器的灵敏度、线性及寄生电容的影响也给予充分考虑。设计时采用2只电容传感器:1只用于测量,1只用于温度补偿。而且,每只电容传感器又都是2只电容器串联组成的,这样,既解决了电容传感器导线的连接问题,又减少了寄生电容的影响。设用于测量的电容传感器电容量为C,用于温度补偿的电容传感器电容量为C0,设计的具体参数如下:

2只电容器的初始安装极板间距均为x0=25μm;绝缘材料的厚度d1=10μm;每个极板的覆盖面积A=0.5 cm2;测量振动的范围为-25~25μm(即极板间距z范围为0~50μm);ε0=8.85×10-12 F/m,εr=2.3ε0,其结构简图如图2所示。

首先,极板间距和振动位移△x的关系为

x-x0=△x (1)

由于每只电容传感器均由2只电容串联构成,考虑极板表面绝缘膜厚度,得到测量电容传感器的电容量C和温度补偿电容传感器的电容量C0分别为



2.1.2利用光电编码器实现等转角采样

光电脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器,它将机械转角变成电脉冲,可作为位置检测和速度检测装置。设计中利用反射式光电编码器实现了高精度的等转角采样,其输出为脉冲信号,脉冲个数与旋转位移有关。悬浮轴的转速是50 rad/s,光电编码器采用等转角(2°)间隔采样,则每个采样周期约为t=111μs,即光电编码器输出频率为9kHz的脉冲信号。悬浮轴连续变化的振动信号转换过程为连续信号→离散信号,根据信号采样理论:若连续信号f(t)是有限带宽的,其频谱的最高频率为fm,则信号f(t)可以用等间隔的抽样值来唯一的表示,而最低抽样频率fs=2fm,即fs≥2fm。由于光电编码器的抽样频率fs=9kHz,因此,传感器能够测得的悬浮轴振动的最高频率fm4.5 kHz。 
 

2.2信号处理电路

振荡器、差频计数器、控制电路、单片机共同组成信号处理系统。利用悬浮轴的振动位移与频率信号存在的函数关系,将传感器测量结果通过专门设计的振荡电路转换为频率信号,利用差频计数器进行控制计数,再经单片机处理,最终得到悬浮轴振动位移的大小。

2.2.1振荡电路的选取

电容传感器输出的电容变化量通过振荡器转换成便于测量的频率值,而且,要求电容量在几十pF的情况下,振荡器能输出高达30 MHz的振荡频率,可以采用非对称式振荡电路,它的结构如图3所示。

其中,反相器G1,G2选择了74HC04芯片(六反相器)。RS是保护电阻,经过硬件电路的调试,得到RS=20.3 kΩ。Rf是反馈电阻,也是整个振荡电路的延时环节,它的阻值大小直接影响到振荡频率的大小,因此,要合理确定反馈电阻参数Rf。由于电容传感器极板间距与振荡频率的关系是:极板间距越大,振荡器的振荡频率越高,计数器的计数值越大。为了保证测量结果的精确性,当极板间距最大时,计数器的计数值应该达到满量程的90%左右。本设计采用串行输入/12位并行输出的差频计数器,它的计数范围为0~212,计数时间△T应略小于采样周期取100μs,则Rf的参数确定过程如下:



2.2.2差频计数的实现

差频计数器采用频率计数的方法,外部晶体振荡器通过门控电路得到采样基准信号和计数复位信号,在采样基准信号上升沿来后计数器计数使能,计数模块开始对输入的频率信号进行计数,计数时间恰为△T,计数复位信号用于每一次测量开始时对计数模块进行复位,在计数复位信号的上升沿将采样的数据结果锁存,并清除上次测量的结果。计数时一方面考虑到电容传感器的温度补偿,采用了2个计数器差频计数的方式;另一方面,计数器本身由于采样时间和计数脉冲的不同步性存在±1的计数误差,加上差频计数器由2个计数器构成,更增大了计数误差,因此,关键是消除这部分误差的影响。 假设两电容传感器的容量C,C0经振荡器输出的频率信号分别对应为f,f0,即

f=f(D)+f(t), (7)
f0=f(t), (8)

式中f(D)为振动位移引起的频率变化;f(t)为环境温度引起的频率变化。

这样,通过差频计数器的差频输出能消除环境温度对测量结果的影响

Δf=f-f0=f(D) (9)

差频计数器的工作原理是在计数时间△T内分别对2个频率信号进行计数,测得的脉冲个数分别为n,n0,则有

n-n0=(f-f0)△T, (10)

式中n-n0为两计数器的差值。
 

由此,只要获得合理的计数时间△T,就可以得到2个频率信号的计数差值,设计时,△T是利用单片机计数光电编码器的输出脉冲确定的。由于光电编码器采样的时间间隔约为111μs,一个采样周期内除了计数外,必须留有计数值的记录和运算时间,所以,选取ΔT=100μs111μs,由式(10)可知计数器的读数差值与频率的关系为



差频计数器的启停信号是由单片机控制的。当单片机启动控制信号GEP为高电平后,差频计数器开始等待计数。差频计数器的被测频率信号是由2个与门控制输入的。在每个采样周期到来时即单片机接收光电编码器脉冲e1为上升沿后,单片机分别检测2个振荡器的输出频率信号osc11,osc21,等待osc11,osc21信号的第一个上升沿,分别发出控制信号f1,f2启动与门,使差频计数器接收对应的频率信号并进行计数,同时,单片机对应的内部计数器开始定时,定时时间为△T。定时时间到△T后,单片机关闭差频计数器的对应输入信号的闸门,读取差频计数器的计数值,并对计数器进行清零处理,当2个计数器均完成计数后,单片机开始对D1,D2进行数字处理。差频计数器被测频率信号与定时控制信号之间采用了同步锁定的方法,并分别对2个频率信号计数,这样就消除±1的计数误差。振荡器输出为高频信号,因此,一个采样周期内2个频率信号第一个上升沿到来的时间间隔不会大,即每个采样周期内都能完成对2个频率信号的ΔT间隔计数,周而复始就实现了整个差频计数的功能。差频计数器的工作时序如图4。图中,1为单片机的启停控制信号CEP,2为编码器的输出信号e1,3为测量传感器的频率信号osc11,4为与门1的控制信号f1,5为被计数器1计数的频率信号osc12,6为温度补偿传感器的频率信号osc21,7为与门2的控制信号f2,8为被计数器2计数的频率信号osc22。

 


2.2.3数据的处理 
由于悬浮轴振动位移与单片机输出计数值成单值函数关系,最后,利用C8051F020单片机编写软件程序把计数差值转换成振动的位移量实现振动位移的存储和分析。其中,振动位移分别用2个字节进行存储,振动位移的正负根据减法器的进位位确定,它存储在一个独立的单元中,设定00H表示振动为正,01H表示振动位移为负。

综合式(2)、式(3)、式(6)、式(11)可以推导计算出振动位移与计数器的差值之间的关系如表1。



3结束语 
悬浮轴振动测量传感器能够测量振动频率小于4.5 kHz,振动范围在-25~25 μm内的振动位移量,实现了转动时对其振动位移的测量,同时,避免了对本身运动规律的干扰,而且,硬件采用差频测量、光电编码器控制等角度采样,结合软件的数据处理,在很大程度上提高了测量精度,消除了传感器调理电路电源波动、环境温度变化、分布电容的影响,还能屏蔽电磁干扰,保证了测量结果的可靠性,可应用在特殊的测控环境中。

关键字:高精度  悬浮轴  振动测量传感器 引用地址:具有高精度的悬浮轴振动测量传感器的设计

上一篇:基于PCI的遥测解调及遥控注入测试卡的设计与实现
下一篇:用于光探测和测量的光环形振荡器传感器

推荐阅读最新更新时间:2024-03-30 23:24

TE 高精度温湿度传感器贸泽开售
专注于引入新品的全球电子元器件授权分销商贸泽电子 (Mouser Electronics) 即日起开始供应TE Connectivity (TE) 的新款HTU31相对湿度传感器。这款紧凑型高精度传感器是目前市面上最小巧、最精准的湿度传感器之一,能在工业、汽车、医疗等严苛环境下提供稳定可靠的性能。 贸泽目前备货的TE HTU31为数字版,模拟版将于近期推出。此相对湿度传感器采用表面贴装,同时还可提供温度输出。该传感器即使在极端温湿度环境下,也可提供快速响应、高精准测量和低迟滞特性。传感器可在-40°C至+125°C温度范围内工作,典型温度精度为±0.2°C。此外,它还可测量0至100%的相对湿度,分辨率达0.01,精度为±2%
[传感器]
TE <font color='red'>高精度</font>温湿度<font color='red'>传感器</font>贸泽开售
一种高精度BiCMOS电流模带隙基准源
  在模拟及数/模混合集成电路设计中,电压基准是非常重要的电路模块之一,而通过巧妙设计的带隙电压基准更是以其与电源电压、工艺、温度变化几乎无关的特点,广泛应用在LDO及DC-DC集成稳压器、射频电路、高精度A/D和D/A转换器等多种集成电路中。随着大规模集成电路的日益复杂和精密,亦对带隙基准电压的温度稳定性提出了更高的要求。传统的带系基准电压源只能产生固定的近似1.2 V的电压,不能满足在低压场合的应用。电流模带隙电路采用正温度系数的电流支路(PTAT)和负温度系数的电流支路(CTAT)并联产生与温度无关的基准电流。然后让此电流在电阻上产生基准电压。电流模带隙结构可以得到任意大小的基准电压。本文提出一种新的电流模带隙结构并采用一阶
[电源管理]
基于混合最优算法的高精度数控直流电源设计
设计并制作数控直流电流源。输入交流200~240V,50Hz;输出直流电压≤10V。 要求:输出电流范围:200mA~2000mA;可设置并显示输出电流给定值,要求输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的1%+10mA;具有步进调整功能,步进≤10mA;纹波电流≤2mA;改变负载 电阻 ,输出电压在10V以内变化时,要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的1%+10mA。 2 系统设计方案 鉴于目前数控直流源一般采取运放构成的电流-电压转换 电路 与 单片机 结合,设计方案大多为开环系统,主 控制 器仅用于数字给定及显示,没有对输出电流进行检测和 控制 。本文在传统 电路 设计的基础上,利用控制系统中反馈与控制原理,引入电流负反
[模拟电子]
结合数字电源和模拟控制环路实现高精度电源管理
尽管电源管理对新式电子系统的可靠运行至关重要,但是在今天以数字方式管理的系统中,稳压器也许是最后一个仍然存在的“盲点”。就稳压器而言,很少有办法直接配置或监视关键电源系统运行参数。因此,希望全面实现数字控制的电源设计师必须使用混杂在一起的排序器、微控制器和电压监察器,以设定基本的稳压器启动和安全功能。目前已有数字可编程 DC/DC转换器可用,特别是那些为VRM内核电源而设计并具备VID输出电压控制功能的转换器,但是这类有特定应用目标的转换器不能直接沟通重要的工作参数,例如实时电流。 LTC3880/ LTC3880-1结合了双输出同步降压型DC/DC控制器和拥有通过基于I2C的PMBus总线使用全面的电源管理功能,这解决了复杂
[电源管理]
结合数字电源和模拟控制环路实现<font color='red'>高精度</font>电源管理
【STM32H7教程】第35章 STM32H7的定时器应用之高精度单次延迟实现(支持TIM2,3,4和5)
35.1 初学者重要提示 学习本章节前,务必优先学习第32章,HAL库的几个常用API均作了讲解和举例。 STM32H7支持TIM1-TIM8,TIM12-TIM17共14个定时器,而中间的TIM9,TIM10,TIM11是不存在的,这点要注意。 在不需要任何补偿的情况下,误差可以做到正负1微秒以内。 TIM2和TIM5是32位定时器,而TIM3和TIM4是16位定时器。 35.2 定时器单次延迟驱动设计 单次定时器要实现1us的精度,可以直接将定时器时钟设置为1MHz,这样定时器每计数1次就是1us。对于16位定时器最大值就是0xFFFF微秒,而32位定时器就是0xFFFFFFFF微秒。 剩下的问题就是单次延迟时间到了可以及
[单片机]
【STM32H7教程】第35章 STM32H7的定时器应用之<font color='red'>高精度</font>单次延迟实现(支持TIM2,3,4和5)
基于CPLD与绝对式编码器的高精度高速伺服单元
目前国内数控机床中的伺服电机一般都是配套增量式编码器,而增量式编码器的精度并不太高且输出的是并行信号,欲提高其精度就必然要增大编码器的设计难度和增多并行信号的输出,这样就不利于伺服单元与编码器的长距离通信,而采用绝对式编码器,除了其精度比增量式编码器高几倍以外,其信号的输入输出都采用高速串行通信,节省了通信线路便于长距离的通信,在编码器的另一端,采用CPLD与绝对式编码器进行高速串行通信,CPLD再把收到的编码器信息转变为并行数据传送给伺服单元中的DSP进行运算控制,本文将给出CPLD与绝对式编码器高速串行通信的软硬件设计方案。    硬件设计   硬件主要由电源、CPLD及其外围电路和绝对式编码器接口电路三个模块组成。  
[嵌入式]
基于CPLD与绝对式编码器的<font color='red'>高精度</font>高速伺服单元
MAX4066 低功耗低电压高精度A_D变换器
变换器,是将信源发出的信息按一定的目的进行变换。矩阵式变换器是一种新型的交-交电源变换器。和传统的变换器相比,它具有如下优点:不需要中间直流储能环节;能够四象限运行;具有优良的输入电流波形和输出电压波形;可自由控制的功率因数。
[模拟电子]
智驾进城,高精度 GNSS 为何还要再升级
编者按:城市 NOA,即城市领航辅助驾驶,指的是用户在导航设定好目的地后,车辆在行驶过程中可以实现跟车、超车、变道、转弯与识别反应红绿灯等功能。 发展城市 NOA 对提升用户辅助驾驶使用率非常重要。数据显示,在用车时长上,城市场景占比 90%。同时,每天仅有 25% 的用户出行会通过高速,而城市道路为 100%。 从提高用户使用频率和用户体验角度看,车企之间的城市 NOA 竞争也将愈演愈烈。 在这场迫在眉睫且考验技术储备的开城之战中,汽车之心将围绕「城市 NOA」这条主线,采访车企、 智能驾驶 产业链 、技术专家、深度用户,通过文字与视频的形式,理性、客观地解构城市 NOA 的关键玩家与关键技术,为城市 NOA 的科普
[汽车电子]
小广播
添点儿料...
无论热点新闻、行业分析、技术干货……
最新测试测量文章
换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved