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1、电感传感器的接口电路设计电感传感器的接口电路设计 摘要摘要：位移测量具有广泛应用，电感式传感器以其结构简单可靠、输出功率大、线 性好、抗干扰和稳定性好、价格低廉等特点获得了大量的应用。针对目前电感式位 移传感器的应用现状，在对电感式直线位移传感器深入分析的基础上，本文设计了 一种电感式位移传感器接口电路。 该电路采用电感传感器把被测位移量转变为微弱电信号，经前置交流放大、相 敏整流，直流放大，A/D 转换等电路处理后，送入单片机进行综合运算处理后输出， 并通过液晶显示结果，可以适应不同量程和分辨率的信号调理要求。文中介绍了整 体电路的设计和单片机系统的硬件及软件流程。设计过程中用 Protel
2、99SE 对电路原 理图进行了绘制，选用了单片机的开发工具 Keil C51vision2 对软件设计中的程序 进行编写、编译、模拟仿真，电路正常，完成了课题要求的电感传感器对位移测量 并显示结果。 关键词关键词：位移测量；电感式传感器；单片机；液晶显示 The Design of the InductiveSensor Interface Circuit Abstract: the measurement of diaspacement is very important in engineering. Inductive transducers are widely used due to
3、 their simple structures,high output capacities,good linearity,good disturbance resistance,good stability and low prices.Based on thoroughly analysis of linear inductive displacement transducers,a inductive displacement transducer interface circuit is designed in this thesis. This metering circuit u
4、ses the inductive transceiver to transform that the displacement offset into the weak electrical signal, after the pre- AC amplification, the phase-sensitive rectifier,the DC Larger and the A / D conversion circuit processing, output after processing in the monolithic integrated circuit and display
5、the results through the LCD. It can adapt to different range and resolution of the signal conditioning requirements. In the process of designing, Protel99SE is used to plot schematic diagram, Keil C51vision2 and the development kit of MCU is used to compile, translate and make simulation about the a
6、ssemble program. The circuit is in gear and it basically can accomplish the task of measureof the displacement offset through the inductive sensor and dispiay the result. Keywords:the measurement of displacement；the inductive sensor；MCU；LCD 目录目录 1 绪论 1 1.1 本文的课题背景及意义 1 1.2 课题的研究现状 1 1.3 课题研究方法 4 1.4
7、 本课题的主要研究内容 4 2 电感传感器 5 2.1 电感传感器的介绍 5 2.2 电感传感器的工作原理5 2.3 电感传感器的输出特性7 2.4 电感传感器测量电路9 2.4.1 电感式传感器的等效电路9 2.4.2 交流电桥式测量电路9 2.4.3 变压器式交流电桥11 2.4.4 谐振式测量电路11 3 电感传感器接口电路的设计 13 3.1 电感传感器接口电路的设计框图 13 3.2 电感传感器接口电路的原理图、工作原理及其功能 14 3.3 振荡器电路设计及其说明 15 3.3.1 电感三点式振荡器原理的介绍 15 3.3.2 振荡器电路在本系统中的设计 16 3.4 相敏检波电路
8、设计及其说明 17 3.4.1 相敏检波电路原理的介绍 17 3.4.2 相敏检波电路在本系统中的设计 19 3.5 交直流放大部分的设计及其说明 20 3.5.1 反相比例放大电路的原理 21 3.5.2 交流放大电路在本系统中的设计 21 3.5.3 直流放大电路在本系统中的设计 22 3.6 A/D 转换单片机控制和液晶显示部分的设计 22 3.6.1 A/D 转换电路 23 3.6.2 单片机部分 28 3.6.3 液晶显示部分 28 3.6.4 通讯模块 32 3.7 量程变换电路的设计原理图及其说明 32 3.8 电源部分的设计 34 4 软件系统的分析与设计 35 4.1 软件编
9、程语言的种类及区别 35 4.2 编译环境的介绍 35 4.2.1 Keil C51 简介 35 4.2.2 Vision2 集成开发环境 36 4.2.3 Keil C51 的使用 37 4.2 软件设计流程图 38 4.3 软件编程 39 4.3.1 初始化 39 4.3.2 液晶显示器编程 39 4.3.3 主程序编程 42 5 结论 45 参考文献 46 致谢 47 附录 A48 1 绪论绪论 1.1 本文的课题背景及意义本文的课题背景及意义 21 世纪是人类全面进入信息电子化的时代，随着人类探知领域和空间的拓展， 使得人们需要获得的电子信息种类日益增加，需要信息传递的速度加快，信息处
10、理 能力增强，因此要求与此相对应的信息采集技术传感器技术必须跟上信息化发 展的需要。传感器是人类探知自然界信息的触觉，为人们认识和控制相应的对象提 供条件和依据。作为现代信息技术的三大核心技术之一的传感技术是 21 世纪世界各 国在高新技术发展方面争夺的一个重要领域。 传感器是自动测试、控制系统和信息系统的关键基础之器件，其技术水平直接 影响到自动化系统和信息系统的水平，自动化技术水平越高，对传感器技术依赖程 度越大。在信息社会中，人们为了推动社会生产力的发展，需要用传感器来检测许 多非电量信息，如位移、力、压力、流量、速度、温度、湿度以及生物量等等。不 难看出，传感器技术是涉及国民经济及国防
11、科研各领域的重要技术。一些早已形成 传感器产业的发达国家在上世纪末乃至本世纪仍把传感器技术作为重点技术加以发 展。我国在上世纪八十年代后期开始对传感器技术的发展给予充分的重视，国务院 发布的信息技术政策中把传感器列为重点发展的新技术之一，在国家的“七五”、 “八 五”、 “九五”、 “十五”国家重点科技攻关计划中连续八次将传感器技术列为专项组织攻 关，在高精度测量中，电感传感器应用广泛。电感传感器是很重要的一类传感器， 它作为一种位置反馈元件，目前已经广泛应用于几乎所有自动化控制的行业与领域 之中，对检测和自动控制系统的可靠运行具有关键性的作用。精密的电感传感器被 用于圆柱度仪、轮廓仪、形状测
12、量仪等精密、超精密测量设备中。 总体来说，目前国外的传感器生产技术先进，精度水平和可靠性较高，而国内 传感器技术水平与国外有相当大的差距。目前国产高精度传感器的非线性指标已经 达到 0.1%，已能满足大部分需要，但对一些要求更高的场合，则无产品可供选择， 且测量仪的功能单一、常年未变。而且无论是光栅、容栅、还是电感调频、电感差 动变压器式的位移传感器测量系统大多摆脱不了 1 次仪表(传感器)+2 次仪表+3 次仪 表的模式，使仪器体积大，结构复杂，易受环境干扰，精度很难进一步提高，可靠 性难以保证。就电感传感器及其测量系统而言，国内生产的电感测微系统还普遍存 在如下问题：高精度档位量程范围小，
13、分辨率不高，漂移比较大，稳定性差且系统 智能化程度低，不易于扩展等。所以必须研制和改进电感传感器测量系统，提高系 统的性能。 1.2 课题的研究现状课题的研究现状 传感器的研究始于上世纪 30 年代，它以材料的物理、化学和生物、理化效应为 基础，由物理、化学、材料科学、器件物理和工艺以及电子工程等多种学科交织发 展形成，是研究非电量信息与电量间转换的一门跨学科的边缘技术科学。为了提高 传感器及其测量系统的性能，新的技术和方法不断地被应用于传感器测量系统中， 传感器技术不断发展。 位移传感器是将机械位移转换为与位移量有某种函数关系电信号输出的装置。 根据传感元件的结构、所使用的材料、测量原理以及
14、转换方式，目前常用的位移传 感器主要有：电感式位移传感器、电容式位移传感器、感应同步器、磁栅、光栅、 激光传感器等。上述位移传感器各有优缺点，适应于不同的测量场合和技术要求。 电感式传感器因其具有结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、没有触点摩擦问 题、抗干扰能力强、对工作环境要求不高、测量精度及分辨力较高、示值误差较小 以及稳定性好等诸多优点在精密计量和测试领域得到了日益广泛的应用。 高精度电感式位移传感器暨电子测量仪是用于零件尺寸和形位测量与检验的设 备，由于精度高、性能稳定、使用方便，在国内、外得到广泛应用。电感测微仪的 精度现在可以做到很高：国外以瑞士 TESA、意大利 MARPOSS
15、、日本东京精密为 代表，测量仪的分辨力可达 0.1nm，线性测量范围达1mm，但是价格昂贵；国内也 有好几个厂家、院校及科研单位从事电感测微系统的研制和开发，其中最有代表的 是中原量仪。由中原量仪生产的 DGS-6C 和 DGS-6D 型数显电感测微仪与该厂生产 的 DGC-8ZG/A 型或 DGC-6PG/A 型电感式传感器组合使用，用于机械加工中的精密 测量，其性能指标如下表 1-1： 表表 1-1DGS 系列电感测头性能指标系列电感测头性能指标 档位测量范围 m分辨率 m示值误差 m 第一档100.010.05 第二档1000.10.5 第三档1000110 可见其性能指标与国外生产的电
16、感测微仪比较，还存在很大的差距。目前国产 高精度传感器的非线性指标已经达到 0.1%，已能满足大部分需要，但对一些要求更 高的场合，则无产品可供选择。而国内在此方面的研究还比较落后，相同精度下的 线性范围一般仅达 0.5mm，而且测量仪的功能单一、技术水平发展慢。 在超精密加工技术迅猛发展的今天，电感测微系统的精度有待于进一步提高。 目前国内生产的电感测微系统还普遍如下问题：高精度档位量程范围小，分辨率不 高，漂移比较大，稳定性差等。我们必须采取适当的措施去解决电感测微系统存在 的问题，使之能在加工领域中得到更好的应用。 高精度电感测量系统包括电感传感器测头、二次测量电路及相应的软件。因此， 要提高电感测量系统的精度可以从提高测头精度及其测量电路精度两方面考虑。 从目前来看，电感测头的技术水平在国内外已经相当成熟：在国内最有代表性 的中原量仪生产的 DGC 系列差动电感测头线性度优于0.05%，示值变动性可以小 至 0.3m；国外也有许多公司和研究所研制和生产电感测头，如 HF JENSEN,ENCODER，Durham Inst
