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
∙∙jwM 1∙jwM 2∙
E 1=-j wM 1I 1=-U 1， E 2=-j wM 2I 1=-U 1 （1） r 1+jwL 1r 1+jwL 1∙∙
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为初级线圈式（1）中，U 1
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
u 2=u 21-u 2 2 （2）
(a)
(b)
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 +V
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
V A =k*(X 0+∆x ) ， V B =k*(X 0-∆x ) （3）
以上k 为一恒定系数，X 0为磁棒的一半长度，∆x 为磁棒运动位移。则
d =(V A -V B ) /(V A +V B ) =(2*k *∆x ) /(2*k *X 0) =∆x /X 0 （4）
所以 ∆x =d *X 0 （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。
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
3.1 正弦激励信号产生电路
如图3所示，AD9851是美国ANALOG DEVICES公司采用先进 DDS(Direct Digital Synthesis－DDS) 直接数字频率合成（FS ）技术生产的高集成度产品。具有输出频率相对带宽较宽、频率转换时间短、频率分辨率极高、相位变化连续、输出波形灵活性好等优点。J5和WLCK 、FQ _UD为AD9851数据总线和控制线的引出端口，和外部 MCU 连接，IOUT 为产生的100kHz 正弦信号输出端，幅值约为500mV （未经任何放大处理之前）。经OPA228一级放大输出到差动放大电路进行差分放大。
图3 正弦激励信号产生原理图
3.2 变压器副边电压处理电路
变压器副边两路同频正弦波信号需经处理后才能交由AD 转换器进行模拟信号采样。如图4所示，从差动变压器次级输出的交流信号同样经过 AD811 进行一次放大，以达到足够大的幅值送给整流二极管进行整流，再经过两级电容滤波，得到平滑的直流电压。由于经过整流器出来的两路电压信号一路为正，一路为负，而 A/D 转换器只能采样正电压，于是在输出负电压之后采用由通用运放 LF353 构成的一级反相器进行反相，另一路加一级电压跟随器进行阻抗匹配。同时为了消除数字电路对模拟电路的干扰，将数字地和模拟地分开，之间用磁珠相连进行处理，可以达到了较好的抗干扰效果。
图4 变压器副边电压整流滤波、放大、绝对值变换原理图
电压跟随器：即放大倍数为1的同向比例放大器形式。反相器：即放大倍数为-1的反向比例放大器形式。经过各级放大、整流滤波后交由ADS7886采样的直流电压信号的电压幅约值为1.0V （磁棒位移为0时），硬件和软件采用这个参考值进行设计。
3.3直流电机驱动MC33887电路
如图5所示，MC33887是具有负载电流反馈桥型功率芯片，反应灵敏。适合闭合回路的直流电机驱动，在汽车电子中得到广泛应用。
图5 电机驱动原理图
能够为感性负载提供连续的高达5A 的驱动电流，负载可用高达10千赫的PWM 方式驱动，单片机将键盘输入的位移数据和通过AD 采样得到的位移数据进行比对，若两者相等，说明直流电机（5V 电压，玩具车驱动电机）已经驱动磁棒移动到指定的位移处，否则，电机继续驱动磁棒移动直到磁棒移动到指定的位移处。电路中，单片机通过IN1和IN2向MC33887发出正反装指令，电机通过OUT1和OUT2分别输出控制电机正反转的驱动电流，驱动磁棒发生位移。经检测，直流电机的电机迟滞效应对该部分影响较大，若采用步进电机，测量精度将得到更大的提升。
4 软件设计
系统软件程序设计流程如图6所示，采用模块化设计方法，所有子程序用到的端口，全部用宏定义在程序顶部说明以便日后方便全局调用；当不需要改变整个寄存器值时，算法全部采取位操作形式，以避免对其他位的干扰。同时为了消除硬件电路干扰带来的误差，在软件设计上我们做了线性拟合及近似的处理，并进行软件滤波，达到了很好的效果。系统设计中多级电路均采用了运算放大器，因此实际系统的软件设计（参数的测量算法）要与实际的运放放大倍数一致，以减小数据处理引入的影响。在不需要检测位移数据的情况下，系统工作在低功耗模式下，可使用电池对系统供电。
位移发生部分通过游标卡尺可测得设定位移量，要实现的位移值以及实际测量位移量可通过液晶显示出来，实现了很好的人机界面。
（a ）（b ）
图6 软件流程图
(a) 控制流图 (b) 键盘扫描流图 (c) 位移测量流图 （c ）
5 结束语
本文中位移的计算方法采用软件实现并采用直线拟合算法对位移数据进行处理以提高线性度。DDS 芯片产生的精准电压信号稳定度很好，各级运算放大器组成的放大和波形处理单元输出均无失真。此外，系统调试时将差动变压器次级电压整流滤波后的电压放大倍数设置在5-6之间得到的d 值线性度较好，除在部分位移点的位移测量数据误差较大，大部分点的位移测量误差能控制在0.5mm 范围，达到了设计要求。
参考文献:
[1]杨力生, 杨士中. 微位移测量技术的分析[J]. 重庆大学学报. 2007. (4)
[2]测量仪器与技术. 机电工程技术[J]. 2007.(3)
[3]赵天池. 传感器和探测器的物理原理和应用[M]. 北京：科学出版社, 2008
[4]杨相坤, 罗玲, 曾友华, 刘一. 改进型差动变压器线位移传感器的分析研究[J]. 机电一体化,2009, (8)
[5]陈莹莹. 低频数字程控信号源的设计[J].检测技术与自动化装置. 2007, (5)
[6]耿德根.A VR 高速嵌入式单片机原理与应用（修订版）[M]. 北京：北京航空航天大学出版社,2001
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
∙∙jwM 1∙jwM 2∙
E 1=-j wM 1I 1=-U 1， E 2=-j wM 2I 1=-U 1 （1） r 1+jwL 1r 1+jwL 1∙∙
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为初级线圈式（1）中，U 1
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
u 2=u 21-u 2 2 （2）
(a)
(b)
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 +V
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
V A =k*(X 0+∆x ) ， V B =k*(X 0-∆x ) （3）
以上k 为一恒定系数，X 0为磁棒的一半长度，∆x 为磁棒运动位移。则
d =(V A -V B ) /(V A +V B ) =(2*k *∆x ) /(2*k *X 0) =∆x /X 0 （4）
所以 ∆x =d *X 0 （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。
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
3.1 正弦激励信号产生电路
如图3所示，AD9851是美国ANALOG DEVICES公司采用先进 DDS(Direct Digital Synthesis－DDS) 直接数字频率合成（FS ）技术生产的高集成度产品。具有输出频率相对带宽较宽、频率转换时间短、频率分辨率极高、相位变化连续、输出波形灵活性好等优点。J5和WLCK 、FQ _UD为AD9851数据总线和控制线的引出端口，和外部 MCU 连接，IOUT 为产生的100kHz 正弦信号输出端，幅值约为500mV （未经任何放大处理之前）。经OPA228一级放大输出到差动放大电路进行差分放大。
图3 正弦激励信号产生原理图
3.2 变压器副边电压处理电路
变压器副边两路同频正弦波信号需经处理后才能交由AD 转换器进行模拟信号采样。如图4所示，从差动变压器次级输出的交流信号同样经过 AD811 进行一次放大，以达到足够大的幅值送给整流二极管进行整流，再经过两级电容滤波，得到平滑的直流电压。由于经过整流器出来的两路电压信号一路为正，一路为负，而 A/D 转换器只能采样正电压，于是在输出负电压之后采用由通用运放 LF353 构成的一级反相器进行反相，另一路加一级电压跟随器进行阻抗匹配。同时为了消除数字电路对模拟电路的干扰，将数字地和模拟地分开，之间用磁珠相连进行处理，可以达到了较好的抗干扰效果。
图4 变压器副边电压整流滤波、放大、绝对值变换原理图
电压跟随器：即放大倍数为1的同向比例放大器形式。反相器：即放大倍数为-1的反向比例放大器形式。经过各级放大、整流滤波后交由ADS7886采样的直流电压信号的电压幅约值为1.0V （磁棒位移为0时），硬件和软件采用这个参考值进行设计。
3.3直流电机驱动MC33887电路
如图5所示，MC33887是具有负载电流反馈桥型功率芯片，反应灵敏。适合闭合回路的直流电机驱动，在汽车电子中得到广泛应用。
图5 电机驱动原理图
能够为感性负载提供连续的高达5A 的驱动电流，负载可用高达10千赫的PWM 方式驱动，单片机将键盘输入的位移数据和通过AD 采样得到的位移数据进行比对，若两者相等，说明直流电机（5V 电压，玩具车驱动电机）已经驱动磁棒移动到指定的位移处，否则，电机继续驱动磁棒移动直到磁棒移动到指定的位移处。电路中，单片机通过IN1和IN2向MC33887发出正反装指令，电机通过OUT1和OUT2分别输出控制电机正反转的驱动电流，驱动磁棒发生位移。经检测，直流电机的电机迟滞效应对该部分影响较大，若采用步进电机，测量精度将得到更大的提升。
4 软件设计
系统软件程序设计流程如图6所示，采用模块化设计方法，所有子程序用到的端口，全部用宏定义在程序顶部说明以便日后方便全局调用；当不需要改变整个寄存器值时，算法全部采取位操作形式，以避免对其他位的干扰。同时为了消除硬件电路干扰带来的误差，在软件设计上我们做了线性拟合及近似的处理，并进行软件滤波，达到了很好的效果。系统设计中多级电路均采用了运算放大器，因此实际系统的软件设计（参数的测量算法）要与实际的运放放大倍数一致，以减小数据处理引入的影响。在不需要检测位移数据的情况下，系统工作在低功耗模式下，可使用电池对系统供电。
位移发生部分通过游标卡尺可测得设定位移量，要实现的位移值以及实际测量位移量可通过液晶显示出来，实现了很好的人机界面。
（a ）（b ）
图6 软件流程图
(a) 控制流图 (b) 键盘扫描流图 (c) 位移测量流图 （c ）
5 结束语
本文中位移的计算方法采用软件实现并采用直线拟合算法对位移数据进行处理以提高线性度。DDS 芯片产生的精准电压信号稳定度很好，各级运算放大器组成的放大和波形处理单元输出均无失真。此外，系统调试时将差动变压器次级电压整流滤波后的电压放大倍数设置在5-6之间得到的d 值线性度较好，除在部分位移点的位移测量数据误差较大，大部分点的位移测量误差能控制在0.5mm 范围，达到了设计要求。
参考文献:
[1]杨力生, 杨士中. 微位移测量技术的分析[J]. 重庆大学学报. 2007. (4)
[2]测量仪器与技术. 机电工程技术[J]. 2007.(3)
[3]赵天池. 传感器和探测器的物理原理和应用[M]. 北京：科学出版社, 2008
[4]杨相坤, 罗玲, 曾友华, 刘一. 改进型差动变压器线位移传感器的分析研究[J]. 机电一体化,2009, (8)
[5]陈莹莹. 低频数字程控信号源的设计[J].检测技术与自动化装置. 2007, (5)
[6]耿德根.A VR 高速嵌入式单片机原理与应用（修订版）[M]. 北京：北京航空航天大学出版社,2001