水平仪的设计与研究毕业论文

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1、本科毕业设计（论文）水平仪的设计与研究学院（系）：电气工程学院 专 业：测控技术与仪器 学生 姓名： 学 号： 指导 教师： 答辩 日期： 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：电气工程学院 系级教学单位：仪器科学与工程 学号学生姓名专 业班 级题目题目名称水平仪的设计与研究题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容1.掌握水平仪的设计结构及设计方案2.掌握水平仪的测量原

2、理3.测量系统电路设计4.设计温度补偿方案基本要求对水平仪结构进行设计，并对温度漂移进行补偿。参考资料1、单片机类参考资料2、电容传感器方面资料周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容查阅资料，熟悉课题方案分析与确定系统及测量电路设计撰写论文初稿修改论文，准备答辩指导教师：职称： 2011年12月20日系级教学单位审批： 年 月 日摘要基于传感器、数字信号处理、单片机技术的数字水平仪是当前倾角测试仪器数字化发展的方向。利用角度传感器感应水平倾角，通过信号处理和单片机的控制、运算将倾角以数值的形式直接在数码管上显示或上传到计算机进行显示、处理，从而使角度测量变得方便、快捷， 实

3、现了倾角的高精度测量。本文提出了差动式倾角电容传感器在分辨力为0001mm/m 的智能电子水平仪的应用方案，差动输出信号通过交流放大、整流滤波、直流放大后被送到A/D转换器。采用ICL8038集成芯片作为差动电容电桥的激励电源，使用AD7706对所得信号进行A/D转换，并给出了零点和温度补偿方法。通过对温度补偿原理的理论推导，提出了智能电子水平仪中的温度补偿策略。提出了使用软件和硬件结合等多项自动补偿与自动校正技术进行温度补偿，最大限度简化了电路，提高了系统的稳定性和可靠性。关键词智能电子水平仪；差动电容传感器；温度补偿；自动调零AbstractBased on sensor, digital

4、 signal process and SCM technology，a high precision digital gradienter is introducedBy using angle sensor to measure level obliquity，and using M CU to control and calculate level obliquity，the value of level obliquity given by numerical form is showed through digitron，or uploaded to computer to disp

5、lay and processThe measurement by using the digital gradienter is convenient，while rapid operated，and has high precisionThe application proposal of differential capacitive sensor in intellectual electronic level gauge with resolution 0.001mm/m was introducedDifferential output signal was sent to the

6、 A / D converter, through the AC zoom, rectification filter and DC zoom. It used integrated chip ICL8038 to excite the differential capacitor bridgeAD7706 was used to convert the sampling signals to digital signa1Finally the key point for temperature compensation and zero compensation were introduce

7、d. Via the theoretic derivation of temperature compensation，the temperature compensation strategy of intellect electronic level instrument is introducedSeveral automatic compensation and automatic calibration techniques, such as integration of software and hardware，are put forward to simplify the el

8、ectric circuit and improve the stability and reliability of the system Keywords intellectual electronic level gauge; differential capacity principle; temperature compensation; Automatic zero adjust 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 课题的目的和意义11.1.2 国内外在该方向的研究现状及分析11.2 课题任务31.3 本文结构4第2章 电子水平仪的总体设计5

9、2.1 方案的确定52.1.1 温度补偿的方案62.1.2 零点补偿的方案72.2 传感器的选择82.2.1 电容传感器82.2.2 本课题所采用的传感器类型122.3 A/D转换器的选择122.3.1 AD转换器的分类及介绍122.3.2 本课题中对AD转换器的选择142.4 单片机的选择142.5 本章小结15第3章 系统的硬件设计163.1 倾角传感器的设计163.1.1 差动电容传感器测角原理163.1.2 差动电容传感器结构设计163.2 角度转换模块的设计173.2.1 激励源电路设计183.2.2 测量电桥203.2.3 第一级放大电路213.2.4 整流滤波电路233.2.5

10、第二级放大电路273.3 数据处理模块的设计293.3.1 信号采集与A/D转换293.3.2 单片机测量系统设计333.3.3 LED显示363.3.4 温度与零点误差补偿383.4 本章小结41第4章 系统的软件设计424.1 总体流程图424.2 按键服务程序434.3 滤波程序434.4 AD转换程序444.5 数据处理464.6 LED显示程序464.7 自动调零程序464.8 本章小结47结论48参考文献49致谢51附录1 开题报告52附录2 文献综述61附录3 中期报告67附录4 文献翻译75附录5 文献翻译原文83第1章 绪论1.1 课题背景1.1.1 课题的目的和意义水平仪从

11、过去简单的气泡水平仪到现在的电子水平仪已经历经多次更新。电子水平仪是一种非常急需的测量小角度的量具。用它可测量对于水平位置的倾斜度、两部件相互平行度和垂直度，机床、仪器导轨的直线度，工作台平面度，以及平板的平面度等。在机械测量及光机电技术一体化技术应用中占有重要地位。随着精密制造技术的发展，已有的电子水平仪不能满足精度要求，国内数显式电子水平仪灵敏度、反应时间等与国外相比，差距较大。研究分辨率更高、性能更好的智能电子水平仪具有重要意义。随着计算机应用技术的不断发展，微控制器在工业测量和控制领域内的应用越来越广泛；在很多计量检测仪器中应用了单片机，使计量检测仪器具有了一定程度的智能，但在电子水平

12、仪中微控制器的应用尚不多见。1.1.2 国内外在该方向的研究现状及分析目前国内已有的水平仪不能很好的满足生产和应用的需求，国内电子水平仪的生产和研制能力与国外相比相对落后。尤其是存在着智能化程度不高，对数据缺乏处理能力，无法一次性测量出被测面倾斜角和方位角等缺点。近年来，国内在水平仪的研制开发方面取得了不少进展。湛江师范学院测试中心的孙国敏、林劲松研制的智能化水平仪，以单片机作为中枢系统配上传感器、A/D转换器等外围部件，可自动检测物体与标准水平面的倾斜程度。传感器有两个金属圆筒构成，小圆筒固定在大圆筒内并密封。大圆筒和小圆筒之间充满整个容量一半左右的流体介质。电介质呈粘滞性液体，在小圆筒内壁

13、和大圆筒外壁各引出一根导线，当它水平时有一电容值，当平板发生一偏转角度后，该圆柱电容值的变化与偏转角度的正切成线性关系，形如，a、b为常量，只与传感器本身有关。每一个倾斜角度对应一个电容值，于是在测量物体的倾斜度时，可用电容值的变化来反应被测物体的倾斜角度，经A/D转换和8031的处理后，倾斜角度由液晶显示器显示出来。不过该传感器在灵敏度方面有所欠缺，有待于进一步改进1。随着光学应用领域的不断扩展，也相应的产生了一些基于光电原理的光电式水平仪和激光式水平仪。上海交通大学的李佳列、颜国正等研制的数字式电子水平仪，由带CCD的普通探头、CCD信号驱动板、整形电路、单片机及后继电路四部分构成，采用普

14、通水平仪的探头、内灌黑色油状液体放在一个暗盒内，顶部有一气泡，气泡长度为57mm之间，探头一边为毛玻璃和一组小灯泡，模拟出近似的平行光源，另一边为有2160个象元的线阵CCD传感器(该传感器用到其中的2048个象元)。检测水平度时，让灯泡发光，有气泡处CCD接收到光信号，输出信号数字信号1(整形后)，无气泡处光信号被溶液吸收，输出数字信号0。通过算法对串行信号的处理来判断气泡的位置，算出气泡的中心，最后通过气泡中心位置得到倾斜角度。研制出的样机探头长为28.7mm，圆柱面半径为l所时，量程为50，分辨率达到23.1，反应时间小于10ms(CCD采样频率为20MHz)2。由南京理工大学应用物理系的袁红星、贺安之等人研制的用PSD构成的全方位高准确度数字水平仪，是用连续型光电位置探