位移测量装置的设计

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

111111E j 1jwM wM I U r jwL ??

?=-=-+， 222111E j 1jwM wM I U r jwL ???

=-=-+ （1） 式（1）中，1

U 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

22122u u u =- （2）

u 1u 2-1

u 2-2u 20(a)(b)

+V u 2-1u 2-2

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 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

0V =k*()A X x +?， 0V =k*()B X x -? （3）

以上k 为一恒定系数，0X 为磁棒的一半长度，x ?为磁棒运动位移。则

00()/()(2**)/(2**)/A B A B d V V V V k x k X x X =-+=?=? （4）

所以 0*x d X ?= （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。 正弦

信号

产生

电路 差分放大 线性可变差动变压器

整流滤波

整流滤波 A/D 转换A/D 转

换单片机数据处理键盘

输入

液晶

显示

直流减速电机

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。

键盘初始化读取按键键值有按键按下

确认键按下

返回设定值

（再次确认）

结束否是否是

是读取位移量

允许范围内位移量驱动电机调整

磁棒位移测定磁棒位移测量位移测定值=设定值结束否

是

是否系统初始化当前位移显示设定磁棒位移有按键按下

驱动电机调整磁棒位置磁棒移动到设定位移是

否是

否（a ）（b ）

（c ）

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 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

传感器测量系统设计

课程设计说明书 学生姓名:学号： 学院: 班级: 题目: 传感器测量系统设计 高 指导教师：高敏职称: 副教授 年 12 月 26 日

摘要 在工程实践中,经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。要测速，首先要解决是采样问题。在使用模技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。为了能精确地测量转速外,还要保证测量的实时性,要求能测得瞬时转速方法。因此转速的测试具有重要的意义。 关键词：电动机，单片机，传感器，晶振电路，流程图

目录 1 概述 (3) 1.1本课题设计的目的和意义 (3) 1.2数字式转速测量系统的发展背景 (3) 2 单片机 (4) 2.1 单片机AT89C51介绍 (4) 3 系统方案提出和论证（传感器的选择） (7) 3.1 方案一霍尔传感器测量方案 (7) 3.2 方案二光电传感器 (8) 4 转速测量系统的原理 (9) 4.1 转速测量方法 (9) 4.2 转速测量原理 (9) 5 系统硬件设计 (11) 5.1 转速信号采集 (11) 5.2 转速信号处理电路设计 (13) 5.3 最小系统的设计 (14) 5.3.1 复位电路（图4.8） (14) 5.3.2 晶振电路 (16) 5.3.3 最小系统的仿真 (17) 总结 (18) 参考文献 (19)

1 概述 1.1 本设计课题的目的和意义 在工程实践中,经常会遇到各种需要测量转速的场合, 例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中,常需要分时或连续测量和显示其转速及瞬时转速。要测速，首先要解决是采样问题。在使用模技术制作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测速发电机的电压高低反映了转速的高低。为了能精确地测量转速外,还要保证测量的实时性,要求能测得瞬时转速方法。因此转速的测试具有重要的意义。 这次设计内容包含知识全面，对传感器测量发电机转速的不同的方法及原理设计有较多介绍，在测量系统中能学到关于测量转速的传感器采样问题，单片机部分的内容，显示部分等各个模块的通信和联调。全面了解单片机和信号放大的具体内容。进一步锻炼我们在信号采集，处理，显示发面的实际工作能力。 1.2 数字式转速测量系统的发展背景 目前国内外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法(如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得)、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪)以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式(利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等)、电容式(对高频振荡进行幅值调制或频率调制)等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号．其中应用最广的是光电式，光电式测系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点．加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD 器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。

各种流量计的原理

一、按测量原理分类 (1)力学原理：属于此类原理的仪表有利用伯努利定理的差压式、转子式；利用动量定理的冲量式、可动管式；利用牛顿第二定律的直接质量式；利用流体动量原理的靶式；利用角动量定理的涡轮式；利用流体振荡原理的旋涡式、涡街式；利用总静压力差的皮托管式以及容积式和堰、槽式等等。 (2)电学原理：用于此类原理的仪表有电磁式、差动电容式、电感式、应变电阻式等。 (3)声学原理：利用声学原理进行流量测量的有超声波式．声学式(冲击波式)等。 (4)热学原理：利用热学原理测量流量的有热量式、直接量热式、间接量热式等。 (5)光学原理：激光式、光电式等是属于此类原理的仪表。 (6)原于物理原理：核磁共振式、核幅射式等是属于此类原理的仪表。 (7)其它原理：有标记原理(示踪原理、核磁共振原理)、相关原理等。 二、按流量计结构原理分类 按当前流量计产品的实际情况，根据流量计的结构原理，大致上可归纳为以下几种类型： 1. 容积式流量计 容积式流量计相当于一个标准容积的容器，它接连不断地对流动介质进行度量。流量越大，度量的次数越多，输出的频率越高。容积式流量计的原理比较简单，适于测量高粘度、低雷诺数的流体。根据回转体形状不同，目前生产的产品分：适于测量液体流量的椭圆齿轮流量计、腰轮流量计(罗茨流量计)、旋转活塞和刮板式流量计；适于测量气体流量的伺服式容积流量计、皮膜式和转简流量计等． 2．叶轮式流量计 叶轮式流量计的工作原理是将叶轮置于被测流体中，受流体流动的冲击而旋转，以叶轮旋转的快慢来反映流量的大小。典型的叶轮式流量计是水表和涡轮流量计，其结构可以是机械传动输出式或电脉冲输出式。一般机械式传动输出的水表准确度较低，误差约±2％，但结构简单，造价低，国内已批量生产，并标准化、通用化和系列化。电脉冲信号输出的涡轮流量计的准确度较高，一般误差为±0．2％一0．5％。 3．差压式流量计(变压降式流量计) 差压式流量计由一次装置和二次装置组成．一次装置称流量测量元件，它安装在被测流体的管道中，产生与流量(流速)成比例的压力差，供二次装置进行流量显示。二次装置称显示仪表。它接收测量元件产生的差压信号，并将其转换为相应的流量进行显示．差压流量计的一次装置常为节流装置或动压测定装置(皮托管、均速管等)。二次装置为各种机械式、电子式、组合式差压计配以流量显示仪表．差压计的差压敏感元件多为弹性元件。由于差压和流量呈平方根关系，故流量显示仪表都配有开平方装置，以使流量刻度线性化。多数仪表还设有流量积算装置，以显示累积流量，以便经济核算。这种利用差压测量流量的方法历史悠久，比较成熟，世界各国一般都用在比较重要的场合，约占各种流量测量方式的70％。发电厂主蒸汽、给水、凝结水等的流量测量

位移测量系统的设计

摘要 在现代工业生产过程中，常常需要测量很多不同的位移量。与此同时对位移量进行较为精确地检测，是提高控制精度的基础。因此之前所普遍采用的传统位移测量装置已经不能适应时代发展的潮流。在此情况下通过科研人员的不断努力终于研制出了数字式光电编码器,它的输入量是角位移量其输出量是相应的电脉冲,并且它有体积小，精度高的优点。故而，这次毕业设计选用的是光电编码器。 本次毕业设计是以AT89C51单片机为核心，用光电编码器来实现对位移量的精确测量，再将测量结果显示在LCD液晶显示器上。其中本次设计中所选用的是输出电压为5V的光电编码器。 本文由浅入深先介绍了一些关于位移测量的基本原理，进而阐述了各个模块的设计思路，工作过程以及显示效果。本文借鉴了一些当前较为流行的设计思想，例如硬件软件化，很好的满足了设计要求。 关键词：位移，测量，光电编码器，单片机，LCD显示器

Abstract In the control field, a variety of displacement measurements often need to be carried out. In actual industry position control domain, to increase the control precision, carries on the examination to the controlled member is accurately very important.The traditional machinery survey displacement installs has not been able to satisfy the modern production by far the need, but the digital sensor electro-optic encoder, can transform the angular displacement into with it correspondence electricity pulse output, mainly uses in the mechanical position and the velocity of whirl examination, has the precision to be high, volume small and so on characteristics, therefore this design decided that uses the electro-optical encoder to carry on the displacement to examine. This design to use the electro-optical encoder to realize the displacement survey and the simulation, realizes the survey from the exterior different displacement value and the demonstration. Makes concrete using at89C51 monolithic integrated circuit is the core, the electro-optical encoder carries on the displacement to survey, simultaneously by LCD liquid crystal display module demonstration. This design uses the electro-optical encoder output voltage is 5V, the output signal after four doubling circuit processing sends in the monolithic integrated circuit to carry on counting processing, finally sends in the LCD module demonstration. In this paper, detailed working process of displacement measurement system is started with principle of displacement measurement, and hardware circuit design and display. This paper has absorbed the idea of hardware and software to achieve with the subject required functionality. Key words:The displacement surveys, electro-optical encoder, microcontroller, LCD display module

精密仪器设计实验指导书

精密仪器设计实验指导书 朱丽编写裘安萍审稿 南京理工大学

实验守则 一、实验基本要求 1．实验前，必须认真预习实验指导书及教材中的有关内容，熟悉仪器、设备的工作原则和初步了解操作要求。没有预习实验指导书的学生不得进入实验室。 2．实验中对各种数据应会处理，并考虑如何书写实验报告；实验中出现的误差或其他情况应进行分析说明。 二、实验须知 1．学生应在规定的时间进入实验室。与实验无关的物品不得带入实验室。进入实验室后，注意保持实验室清洁和安静。 2．实验前，熟悉仪器的操作规程和注意事项。经指导者同意后，方可接上电源。要小心操作，用力适当。 3．如发现仪器有故障时，不得擅自拆修，应立即报告指导老师。 4．学生应积极动手操作，并独立完成实验和实验报告。 5．实验完毕，要切断电源，清理实验场地，将所用的实验设备整理好，放回原处，认真书写实验报告。经教师同意后，方可离开实验室。 6．凡不遵守实验守则经指出而不改正者，教师有权停止其实验。若情节严重，对实验设备造成损坏者，应负赔偿责任，并给予处分。 7．在规定的时间内未能完成实验者，须经实验室领导同意，或延长实验时间或另行安排补做时间。

实验报告的内容和要求 撰写实验报告是训练学生撰写科技论文的能力的环节。实验报告是考核学生学习成绩和评估教学质量的重要依据。 学生对所做的实验应该做到原理清楚，方法和操作步骤正确，实验数据比较可靠，并且会处理实验数据。 实验报告应由每个学生独立完成，用钢笔、炭素笔或圆珠笔工整书写。报告内容要层次清楚，文字简明通顺，图、表清晰，符合汉语规范和法定计量单位。 实验报告一般包含下列7项内容 1．实验名称； 2．实验目的： 3．测量原理； 4．实验步骤； 5．实验记录； 6．实验数据处理及相应结论； 7．回答思考题。

基于PSD的位移测试装置设计

中北大学 课程设计说明书 学生姓名：XXX 学号：XXXXXXXX 学院：信息与通信工程 专业：电子信息科学与技术 题目：基于PSD的位移测试装置设计 指导教师：程耀瑜、李永红职称: 教授 2013年 01 月 18 日

中北大学 课程设计任务书 12/13 学年第一学期 学院：信息与通信工程学院 专业：电子信息科学与技术 学生姓名：陆金贵学号：0905014114 课程设计题目：基于PSD的位移测试装置设计 起迄日期：2012年12月31日~2013年1月18日课程设计地点：主楼1318室，513教研室 指导教师：程耀瑜、李永红 系主任：程耀瑜 下达任务书日期: 2012年12月31日

一、PSD简介 PSD（Position Sensitive Detectors）是一种能测量光点在探测器表面上连续位置的光学探测器。PSD 由P 衬底、PIN 光电二极管及表面电阻组成。与CCD 探测器相比，PSD 有诸多优点，如位置分辨率高，响应速度快和处理电路简单等。另外，位置信号与落在探测器上的光斑形状无关。 各种精度和规格尺寸的PSD 探测器： PSD特点： 位置分辨率高、光谱响应宽、响应速度快、位置和光强同时测量、不受光斑的约束、可靠性高等。 PSD应用范围： 光学位置和角度的探测、光学遥测系统、位移和振动测量、激光对中和准直、距离测试、人类运动姿态分析等。 PSD分两种类型：一维PSD（1D-PSD）和两维PSD（称2D-PSD）探测器。本次设计中我们用到的是一维PSD，下面仅针对一维PSD作详细介绍，另对二位PSD工作原理作简要介绍。 二、一维PSD位置传感器工作原理 1D-PSD 的结构图： 图1 PSD探测器

(推荐)管道流量测量方法

管道流量测量方法 [技术摘要]一种管道流量称及测量方法，属流量测量技术领域。用于解决测量管道内混合流体的质量流量及质量浓度的技术问题。其特别之处是：构成中包括换能器、超声波流量计、压力变送器、称量传感器、智能显示仪和称量管，称量管至少配置一个称量传感器，在称量管的两端各设有一段波纹管与其形成挠性连接，两波纹管的另一端分别连通前后固定管，前后固定管分别连通流体输送管道，前后固定管固定在基础支架上，所述压力变送器和换能器均设置在流体输送管道上，各测量元件连接智能显示仪。本发明所提供的管道流量称及测量方法，解决了管道中高温介质、粘稠液体、煤粉、水煤浆等混合流体质量流量与质量浓度的测量难题，其理论依据可靠、测量值准确、结构合理、易于实现。 气体质量流量上下游温度分布二次差动测量方法、传感器、及流量计 [技术摘要]本发明涉及一种气体质量流量上下游温度分布二次差动测量方法、传感器、及流量计。包括加温元件，对称设置在加温元件两侧的温度检测元件，即上游温度检测元件和下游温度检测元件，其特征在于所述的加温元件与恒功率源激励相连，上

游温度检测元件和下游温度检测元件分别与差动运算电路的两个信号输入端相连，所述的差动运算电路的输出端连接有中央处理单元。具有如下优点：通过对上下游温度变化差值进行二次差动运算，保证对低速段线性度影响较小；气体质量流量的流速和输出电压的关系曲线的饱和点往后推，量程扩大，提高了量程范围和线性度；测量精度高，灵敏度高；采用MEMS技术实现了低功耗、高频响，大幅降低芯片的热惯性。

[9-BG95212]联合式湿蒸汽流量、干度测量装置及其测量方法 [技术摘要]本发明公开了一种联合式湿蒸汽流量、干度测量装置及其测量方法，该装置由经过标定的标准孔板、经典文丘利管作为一次测量元件，高精度压力传感器、智能型差压变送器转换并传输标准信号，标准4～20mA信号经I/V转换成1～5V电压信号，进入高速数据采集卡，最后在中央处理器中根据压力信号调用汽、水性质的IAPWS-IF97计算公式模块计算出饱和水、饱和蒸汽的密度及比焓、汽化潜热，从而算出湿蒸汽的干度、质量流量、载热量，同时对质量流量、载热量进行累积运算，重要参数适时存储于数据库，作为历史数据以备后期调用，系统通过D/A通道输出干度、累积流量，供中央处理器使用，本发明与以往的IF-67计算公式相比计算精度提高10倍以上，且重复计算精度高，而运算速度提高4～12倍。

位移检测装置

位置检测装置 位置检测装置是数控系统的重要组成部分，在闭环或半闭环控制的数控机床中，必须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时检测出来，与给定的控制值(指令信号)进行比较，从而控制驱动元件正确运转，使工作台(或刀具)按规定的轨迹和坐标移动。 一、数控机床对检测装置的基本要求： 1）稳定可靠、抗干扰能力强。数控机床的工作环境存在油污、潮湿、灰尘、冲击振动等，检测装置要能够在这样的恶劣环境下工作稳定，并且受环境温度影响小，能够抵抗较强的电磁干扰。 2）满足精度和速度的要求。为保证数控机床的精度和效率，检测装置必须具有足够的精度和检测速度，位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率一个数量级。 3）安装维护方便、成本低廉。受机床结构和应用环境的限制，要求位置检测装置体积小巧，便于安装调试。尽量选用价格低廉，性能价格比高的检测装置。 数控机床加工精度，在很大程度上取决于数控机床位置检测装置的精度，因此，位置检测装置是数控机床的关键部件之一，它对于提高数控机床的加工精度有决定性的作用。 二、位置检测装置的主要性能指标： 1.精度符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度称作精度，数控机床用传感器要满足高精度和 高速实时测量的要求。 2.分辨率位置检测装置能检测的最小位置变化量称作分辨率。分辨率应适应机床精度和伺服系统的要求。 分辨率的高低，对系统的性能和运行平稳性具有很大的影响。检测装置的分辨率一般按机床加工精度的1／3～1／10选取，也就是说，位置检测装置的分辨率要高于机床加工精度。 3.灵敏度输出信号的变化量相对于输入信号变化量的比值为灵敏度。实时测量装置不但要灵敏度高，而 且输出、输入关系中各点的灵敏度应该是一致的。 4.迟滞对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的输出量的不一致，称为迟滞。数控伺服系统 的传感器要求迟滞小。 5.测量范围和量程传感器的测量范围要满足系统的要求，并留有余地。 6.零漂与温漂零漂与温漂是在输入量没有变化时，随时间和温度的变化，位置检测装置的输出量发生了 变化。传感器的漂移量是其重要性能标志，零漂和温漂反映了随时间和温度的改变，传感器测量精度的微小变化。 三、位置检测装置分类： 1.按输出信号的形式分类： 数字式：将被测量以数字形式表示，测量信号一般为电脉冲。 模拟式：将被测量以连续变化的物理量来表示（电压相位/ 电压幅值变化） 2.按测量基点的类型分类： 增量式：只测量位移增量，并用数字脉冲的个数表示单位位移的数量。 绝对式：测量的是被测部件在某一绝对坐标系中的绝对坐标位置。 3.按位置检测元件的运动形式分类： 直线式：测量直线位移。 回转式：测量角位移 四、适合锯床用传感器分析： 1.光栅 光栅是一种高精度的位移传感器，按结构可分为直线光栅和圆光栅，直线光栅用于测量直线位移，圆光栅用来测量角位移。光栅装置在数控设备、坐标镗床、工具显微镜X-Y工作台上广泛使用的位置检测装置，光栅主要用于测量运动位移，确定工作台运动方向及确定工作台运动的速度。 与其他位置检测装置相比，光栅的主要特点如下： 1)检测精度高。直线光栅的精度可达3μm，分辨率可达0．1μm。

简单多点温度测量系统课程设计

课程设计报告（2010 —2011 年度第2学期） 题目：基于DS18B20的多点温度测量系统 院系： 姓名： 学号： 专业： 指导老师： 2011年5 月22 日

目录 1设计要求…………………………………………………………………………2设计的作用、目的………………………………………………………………3设计的具体实现…………………………………………………………………. 3.1系统概述……………………………………………………………………. 3.2单元电路设计与分析……………………………………………………… 3.3电路的安装与调试…………………………………………………………4心得体会及建议………………………………………………………………… 4.1心得体会…………………………………………………………………… 4.2建议…………………………………………………………………………5附录………………………………………………………………………………6参考文献…………………………………………………………………………

基于DS12B20的多点温度测量系统设计报告 1设计要求 运用DS12B20温度测量芯片实现一个多点温度测量系统，要求如下： （1）．测量点为两点。 （2）．测量的温度为-40~+40°C （3）．温度测量的精度为±0.5°C （4）．测量系统的响应时间要小于1S。 （5）．温度数据的传输方式采用串行数据传送的方式。 2 设计的作用、目的 通过本设计可以进一步了解熟悉单片机的控制原理以及外设与单片机的数据通信方法，尤其是串行通信方法以及单片机与外设间的接口问题。 本设计旨在提高学生的实际应用系统开发能力，增长学生动手实践经验，激起学生学以致用的兴趣。 3设计的具体实现 3.1系统概述 本系统分为温度采集模块、核心处理模块、控制模块和显示模块。温度采集模块由DS18B20温度测量芯片构成，它负责测量温度后将温度量转化为数字信号，传输到数据处理模块；核心处理模块由AT89S52单片机组成，它负责与温度采集模块进行数据通信、对数据进行操作处理已经对各种外设的响应与控制；控制模块由几个按键组成，实现对测量点的选择以及电路复位的操作；显示模块由一块四位的八段译码显示管和驱动芯片组成，它的作用是显示测量的温度值。 系统模块组成图：

皮托管流量测量装置使用说明书

皮托管流量测量装置安装使用说明书 C M （06）渝制00000331 重庆渝润仪表有限公司

2 一、概述 本公司生产的S 形皮托管主要用于气体流量的测量，特别是如焦炉煤气、高炉煤气、水炉煤气、各种烟气等赃污介质流量的连续测量。 二、性能特点 本公司采用独特并且专业的技术，生产的S 形皮托管流量测量系统的测量精度经过有关部门实流检测，误差为±0.46％，达到0.5级精度；同时，独特设计的感压孔，长期使用不会堵塞。主要有以下特点： ▲长期运行精度高、稳定性好。 ▲无可可动部件与易损部件，使用寿命长。 三、主要技术参数 ▲测量精度： 0.5级 ▲管道覆盖面：100~5000mm 。 四、测量原理 1、 测量系统组成 流量测量系统由皮托管、差压变送器、压力变送器、温度传感器、流量积算控制仪等组成，如图一所示：

3 图一 图一是在线带温度压力补偿的流量测量，如果现场的温度压力参数比较稳定，变化不大，也可以定点设定温度压力补偿方式进行流量测量。 2、流量测量计算公式 流量测量计算公式根据国标GB 5468-91确定，具体如下： 2.1密度的计算 测试工况下湿气体密度γs 按式（1）计算； 式 中： N ——标准状态下湿气体密度，kg ／Nm 3 , ts ——测量断面内气体平均温度,℃ Ps ——测量断面内气体静压,Pa ； Ba ——大气压力，Pa 。 2.2 管道内气体流速及流量的计算 气体流速按照式（2）计算： 式中：Vs i ——测定点流速，m ／s ； Kp ——皮托管修正系数； γs ——管道内湿气密度，kg ／m 3； Pdi ——测定点气体动压，Pa 。 2.3 在测定点工况下气体流量按式（3）计算： Q=3600×F×Vs (3)

基于Stm32控制器的LVDT位移测量系统设计(终稿) - 用于合并

课程设计报告 题目：基于STM32的LVDT位移测量系统设计 姓名：余樾 班级：09011301 学号：2013302132 西北工业大学自动化学院

基于STM32的LVDT位移测量系统设计任务书 1．设计目的与要求 设计一个基于STM32控制器的LVDT数字测量系统设计，要求认真并准确地理解有关要求，按组完成系统设计，具体设计要求如下： （1）对流体传动管道中的压力进行，测温范围及精度：38mm，0.5%。 （2）LVDT信号的调制与解调，测量数据存储功能，掉电不丢失； （3）4位八段码实时数据显示； （4）通过RS232通信接口与上位机进行数据通信； （5）功能按键、指示灯和蜂鸣器报警。 2．设计内容 （1）查阅资料，熟悉设计内容； （2）根据设计要求选择传感器，确定系统方案和主控芯片； （3）根据系统方案分别设计单元电路；确定元器件及元件参数； （4）画出电路原理图，正确使用逻辑关系。 3．编写设计报告 写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，并写出心得体会。

目录 1. 引言 (1) 2. 设计方案 (2) 2.1. 任务分析 (2) 2.2. 设计思路 (2) 3. 详细设计 (3) 3.1. 主控制器模块 (3) 3.1.1. 微处理器电路 (3) 3.1.2. 电源模块 (5) 3.1.3. JTAG/SWD电路 (5) 3.2. LVDT传感器的测量原理与电路设计 (6) 3.2.1. LVDT传感器的测量原理 (6) 3.2.2. LVDT传感器电路的设计 (6) 3.3. 显示模块 (9) 3.4. 串口通信模块 (10) 3.5. 存储模块 (10) 4. 总结与体会（不宜过长） (11) 附录1 MAX7219 (14) 附录2 I2C总线 (16)

位移测量装置报告

位移测量装置 指导教师：田裕康 队员及年级：丁志涛 肖斌 许栋 （2005级） 学校及院系：武汉科技学院 电子信息工程学院 摘要摘要 本系统是利用差动变压器完成微小位移的测量，它以单片机C8051f020作为电机控制和数据处理的中心。系统包括正弦信号激励源、差动变压器、信号测量与数据采集、位移控制等四个部分。位移量通过LCD 显示，并实现了语言报数功能。软件设计采用了PID 调节、平均值滤波修正等算法。测试结果表明系统工作稳定，测控精度高，完全满足题目的要求。 Abstract This system uses differential transformer to complete the small displacement measurement, which use the C8051f020 MCU to control the motor，also use it as the data processing center. The system includes incentives sine signal source, differential transformer, signal measurement and data acquisition, displacement control. The displacement is displayed by LCD as well as automatically reported by voice. Software design utilizes PID algorithm adjustment, and use the filter average to amend. Test results show that the system is stable and high-precision, which completely satisfy the requirements of the title. 一、系统方案系统方案设计与论证设计与论证 要实现满足题目要求的位移测量需要解决以下几个方面的问题：一是正弦信号激励源；二是差动变压器的设计；三是数据采集电路和电机的控制。其中的关键是在差动变压器的设计上，其对称性、线性度将直接关系到位移测量的误差。 1.1.差动差动差动变压器原理变压器原理变压器原理 图1.1 螺线管式差动变压器示意图

光电测量系统设计报告

光电测量系统设计报告 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】

光电测量系统设计报告 一、干涉的基本原理 干涉现象是波动独有的特征，如果光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象．1801年，英国物理学家托马斯·杨(1773—1829)在实验室里成功地观察到了光的干涉．两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。 由一般光源获得一组相干光波的办法是，借助于一定的光学装置（干涉装置）将一个光源发出的光波（源波）分为若干个波。由于这些波来自同一源波，所以，当源波的初位相改变时，各成员波的初位相都随之作相同的改变，从而它们之间的位相差保持不变。同时，各成员波的偏振方向亦与源波一致，因而在考察点它们的偏振方向也大体相同。一般的干涉装置又可使各成员波的振幅不太悬殊。于是，当光源发出单一频率的光时，上述四个条件皆能满足，从而出现干涉现象。当光源发出许多频率成分时，每一单频成分（对应于一定的颜色）会产生相应的一组条纹，这些条纹交叠起来就呈现彩色条纹。 1、劈尖的等厚干涉测细丝直径 设入射光波为λ，则第m级暗纹处空气劈尖的厚度 由上式可知，m=0时，d=0，即在两玻璃片交线处，为零级暗条纹。如果在细丝处呈现m=N级条纹，则待测细丝直径 2、利用干涉条纹检验光学表面面形 检查光学平面的方法通常是将光学样板（平面平晶）放在被测平面之上，在样板的标准平面与待测平面之间形成一个空气薄膜。当单色光垂直照射时，通过观测空气膜上的等厚干涉条纹即可判断被测光学表面的面形。 （1）待测表面是平面 （2）待测表面呈微凸球面或微凹球面 当手指向下按时，空气膜变薄，各级干涉条纹要发生移动，以满足式（2）， 3 式中λ为入射光的波长，δ是空气层厚度，空气折射率n ≈ 1。 当程差Δ为半波长的奇数倍时为暗环，若第m个暗环处的空气层厚度为m，则有：R，即，可得： 式中是第m个暗环的半径。由式（2）和式（3）可得： 可见，我们若测得第m个暗环的半径便可由已知λ求R，或者由已知R求λ了。但是，由于玻璃接触处受压，引起局部的弹性形变，使透镜凸面与平面玻璃不可能很理想的只以一个点相接触，所以圆心位置很难确定，环的半径也就不易测准。同时因玻璃表面的不洁净所引入的附加程差，使实验中看到的干涉级数并不代表真正的干涉级数m。为此，我们将式（4）作一变换，将式中半径换成直径，则有： 对第m+n个暗环有 将（5）和（6）两式相减，再展开整理后有 可见，如果我们测得第m个暗环及第（m+n）个暗环的直径、，就可由式（7）计算透镜的曲率半径R。 经过上述的公式变换，避开了难测的量和m，从而提高了测量的精度，这是物理实验中常采用的方法。

流量检测-装置系统设计课程设计

专业综合课程设计 课题：流量计检测装置设计 学院：城南学院 班级：机电0701班 指导老师：陈书涵 学号：2007 学生:邹娟 一检测系统背景介绍 流量计广泛应用于工业生产和人民生活当中，但大都存在体积大、精度低、价格贵等缺点．本文设计的电子巴(靶式)智能流量计，于六十年代开始应用于工业流量测量，主要用于解决高粘度、低雷诺数流体的流量测量，先后经历了气动表和电动表两大发展阶段，SBL系列智能靶式流量计是在原有应变片式靶式流量计测量原理的基础上，采用了最新型电容力传感器作为测量和敏感传递元件，同时利用了现代数字智能处理技术而研制的一种新式流量计量仪 表。其主要由测量管、受力元件(靶片)、感应元件(电容式力传感器，压力传感器，温度传感器)、传递部件、微控制器及其显示和输出部分组成．由于采用了压力工作温度补偿，大大提高了测量精度。

二检测系统设计方案 本作品是一款基于C8051F系列单片机为核心的流量计，给出了硬件组成和软件设计．设计以C8051F单片机为控制模块，选用电子靶式流量传感器，信号调理电路、通信电路、LCD显示等电路．在软件上进行了压力和温度补偿．设计的流量计精度高，抗干扰能力强，使用方便． 三检测系统硬件结构 系统的硬件电路以C8051F206单片机为控制核心，主要有信号的输入通道、微控制器及外围电路、红外通信接口和RS一485通信接口和人机交互界面等部分组成，如图1所示． 图1 以C8051F206单片机为核心的硬件框图 ① C8051F206的A／D转换模块 C8051F206的A／D转换模块是利用C8051F206的片内12位分 辨率的ADC转换模块和可编程增益放大器．当工作在100ksps 的最大采样速率时，提供真正的12位精度和±2 L SB的模数

位移测量装置的设计

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 111111E j 1jwM wM I U r jwL ?? ?=-=-+， 222111E j 1jwM wM I U r jwL ??? =-=-+ （1） 式（1）中，1 U 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 22122u u u =- （2）

流量检测装置说明书

流量检测装置设计说明书 一、装置需求： 1. 100点流量差压信号的采集。用键盘输入流量系数，输入时可显 示； 2.范围0-1000l/min,采集周期0.5s,信号4-20mA，分辨力0.1%； 3.要求运用数字滤波（方法自选）； 4.计算瞬时流量（l/min）、累计流量（m3/h）,并显示； 5.操作人员可随时修改流量系数和切换显示内容（瞬时/累计流量）。 二、设计说明书要求： 1.系统构成框图及构成说明，包括主要部件的选型及依据； 2.DSP与A/D转换芯片连接的电原理图； 3.程序框图，包括主要流程； 4.采集、数字滤波、流量计算程序清单。 三、差压式流量计基本理论 1.节流装置工作原理 差压式流量计是根据伯努力方程和流体连续性原理用差压法测量流量的，其节流装置工作原理如图1所示，在横截面H处：流体的平均流速是v 1 ，密度是 ρ 1，横截面积是A 1 ；在横截面L处：流体的平均流速是v 2 ，密度是ρ 2 ，横截面 积是A 2 。

图1 差压流量计工作原理图 根据流体流动连续性原理有如下关系式： v 1·A 1·ρ1=v 2·A 2·ρ2 （1） 如果流体是液体，可认为在收缩前、后其密度不变： ρ1＝ρ2＝ρ （2） 根据瞬时流量的定义，即单位时间内流体流经管道或明渠某横截面的数量，所以液体的体积瞬时流量： 2211A v A v q v ?=?= （3） 根据伯努利方程（能量守恒定律），在水平管道上Z1＝Z2，则有如下关系式： 2 2 2 2 222 111v P v P ρρ+ =+ （4） 应用伯努利方程和流动连续性原理，在两个横截面上压力差则有如下关系式： )(2 212 221v v P P P -= -=?ρ （5） 将（3）代入（5）式，并整理，则得： 2 221 2])( 1[2 v A A P -= ?ρ （6） 由于4 2 1D A ?= π， 4 2 2d A ?= π， 定义直径比D d = β， 其中d 为工作状况下节流件的等效开孔直径，D 为管道直径，则得到： 222 4 )1(2A q P v βρ -=? （7）

光电测量系统设计

光电测量系统设计 ----基于干涉方法测量压电陶瓷微小伸长量 指导老师：朱海东樊敏 姓名：陈权 学号：2013031053 班级：电科132班 时间：2016年11月7 日

摘要 本次实验为光电测量系统设计，从而测量压电陶瓷由于加热而产生的微小形变量，故需要掌握干涉和衍射的基本原理和产生条件，结合相关仪器软件完成对光电探测器的设计。首先是对通过杨氏双缝干涉，夫琅禾费衍射，PSD微小位移测量实验对理论知识的补充和了解，并对测量系统的搭建有一个大概的构思。然后在机房通过仿真软件ZMAX完成扩束准直系统的设计，ZW CAD绘制出探测器的光学结构（探头主体、底座、支杆等）；最后，进行了光纤端面处理和光纤传感综合实验。 关键词：光电测量系统；干涉；衍射；探测器；光纤实验

目录 论文总页数：11页1. 简介 (1) 1.1.实验目的及内容 (1) 2. 干涉及衍射原理 (1) 2.1.干涉 (1) 2.1.1. 干涉原理 (1) 2.1.2. 干涉条件 (2) 2.1.3. 实现光束干涉的基本方法 (2) 2.2.衍射 (2) 2.2.1. 衍射原理 (2) 2.2.2. 衍射分类 (2) 3. 干涉仪 (3) 4. 整体结构 (4) 5. 上机 (5) 5.1.ZMAX仿真设计 (5) 5.1.1. 单透镜 (5) 5.1.2. 双透镜 (5) 5.1.3. 扩束准直系统 (6) 5.2.探测器设计 (7) 6. 总结 (10) 6.1.实验结果及分析 (10) 6.2.问题分析 (11) 6.3.实验改进 (11) 结语 (11) 参考文献 (11)

基于单片机的温度测量系统设计DOC

基于单片机的温度测量系统设计DOC

基于STC单片机的温度测量系统的研究 摘要：本文针对现有温度测量方法线性度、灵敏度、抗振动性能较差的不足，提出了一种基于STC单片机，采用Pt1000温度传感器，经过间接测量铂热电阻阻值来实现温度测量的方案。重点介绍了，铂热电阻测量温度的原理，基于STC实现铂热电阻阻值测量，牛顿迭代法计算温度，给出了部分硬件、软件的设计方法。实验验证，该系统测量精度高，线性好，具有较强的实时性和可靠性，具有一定的工程价值。 关键词：STC单片机、Pt1000温度传感器、温度测量、铂热电阻阻值、牛顿迭代法。 Study of Temperature Measurement System based on STC single chip computer Zhang Yapeng,Wang Xiangting,Xu Enchun,Wei Maolin Abstract:A method to achieve temperature Measurement by the Indirect Measurement the resistance of platinum thermistor is proposed. It is realized by the single chip computer STC with Pt1000 temperature sensor.The shortcomings of available methods whose Linearity, Sensitivity, and vibration resistance are worse are overcame by the proposed method. This paper emphasizes on the following aspects:the principle of temperature measurement by using platinum thermistor , the measurement of platinum thermistor’s resistance