實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和FPGA的位移裝置高精度測(cè)量實(shí)用方案

位移傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)和控制領(lǐng)域，如過(guò)程檢測(cè)、物理測(cè)量和自動(dòng)控制等。由于其測(cè)量精度不高，往往滿足不了社會(huì)需求，也限制了傳感器的應(yīng)用。因此，這里設(shè)計(jì)了一套基于單片機(jī)和FPGA的位移測(cè)量裝置，也能夠達(dá)到較高的線性度，同時(shí)在各種惡劣環(huán)境下替代人工工作，實(shí)現(xiàn)較高精度的測(cè)量，并具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 整體設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)框圖

系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示，由信號(hào)產(chǎn)生部分、差分放大部分、變壓器耦合部分、信號(hào)處理部分、數(shù)據(jù)采樣部分和處理及顯示部分組成。利用DDS技術(shù)產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)THS4503的差分放大之后送入差動(dòng)變壓器，差動(dòng)變壓器輸出的信號(hào)經(jīng)放大、整流以及濾波處理之后送入MAXl97采樣，采樣得到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理單元處理后在LCD上顯示測(cè)得的位移量。

2 數(shù)據(jù)處理方法分析

差動(dòng)變壓器是開(kāi)磁路，原、副邊間的互感隨磁芯移動(dòng)而做相應(yīng)的變化，使輸出的兩次級(jí)線圈的電壓隨之發(fā)生變化，將位移的變化轉(zhuǎn)化為輸出的電壓的變化，整流后采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到d值，圖2所示為差動(dòng)變壓器數(shù)據(jù)處理采用查表法：首先采用游標(biāo)卡尺測(cè)量若干組位移值，測(cè)量的組數(shù)根據(jù)測(cè)量范圍以及測(cè)量結(jié)果來(lái)確定，并記錄下相應(yīng)的d值，繪制成一張表格。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，根據(jù)測(cè)得的d值通過(guò)查表確定位移范圍，并在這一范圍內(nèi)采用分段折線法處理得到精確的位移值。采用查表法可精確定位移范圍，得到的數(shù)據(jù)誤差較小，精度較高。

3 差分放大電路

選用THS4503來(lái)做差分放大電路。由于激勵(lì)信號(hào)的頻率固定為100 kHz，故在差分放大器的反饋電阻上加上電容，達(dá)到濾波與避免自激的效果。從低通濾波器輸出的信號(hào)需經(jīng)過(guò)差分放大器放大后輸出一對(duì)差分信號(hào)為變壓器的初級(jí)線圈提供電壓。電源采用±5V雙電源供電，THS4 503的2個(gè)輸出端經(jīng)2個(gè)阻值為12Ω的隔離電阻與變壓器的初級(jí)線圈的兩端相連接。具體電路圖如圖3所示。

4 測(cè)試內(nèi)容與結(jié)果

在電路調(diào)試的過(guò)程中，針對(duì)各個(gè)模塊分別進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試結(jié)果效果不錯(cuò)，調(diào)試數(shù)據(jù)表格省略。進(jìn)行整機(jī)調(diào)試時(shí)，測(cè)量了A、B、C 3點(diǎn)的信號(hào)波形。其中C處的信號(hào)波形良好，無(wú)失真。A、B 2點(diǎn)的輸出的直流信號(hào)無(wú)紋波抖動(dòng)，而且數(shù)值準(zhǔn)確。對(duì)于位移測(cè)量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表l和表2所示。對(duì)該位移測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，可以看出位移測(cè)量的精度較高，最大誤差是0.5 mm，測(cè)量范圍是-20～20 mm，總體來(lái)說(shuō)，整個(gè)系統(tǒng)的完成情況較好。

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)測(cè)量位移范圍擴(kuò)展到-20～20mm，實(shí)際測(cè)量到自制差動(dòng)變壓器的近似線性范圍約為-24～24mm，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的精度測(cè)量，同時(shí)也能夠達(dá)到不錯(cuò)的動(dòng)態(tài)范圍，但線性度不是很好，這主要是受線圈繞制的非理想均勻、對(duì)稱以及鐵芯規(guī)格不理想等因素的限制，但通過(guò)軟件校正可大大提高位移測(cè)量的精度，而且線性度的穩(wěn)定性也會(huì)有提高。