具有高精度的懸浮軸振動(dòng)測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)

    懸浮軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)稍微受到干擾就會(huì)產(chǎn)生微小的不穩(wěn)定的振動(dòng)，這種振動(dòng)將影響懸浮軸的正常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此，對(duì)懸浮軸的振動(dòng)位移進(jìn)行無(wú)干擾測(cè)試極其困難，如果再要求測(cè)振傳感器靈敏度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)施起來(lái)則更加困難。目前，在非接觸測(cè)振傳感器的研究方面，主要有電渦流測(cè)振傳感器和激光傳感器。但是，電渦流測(cè)振傳感器容易受到附近的電磁干擾和溫度的影響，激光傳感器成本高，穩(wěn)定性差?？紤]到電容傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)特性好，完全可以滿(mǎn)足使用環(huán)境，以此為基礎(chǔ)，本文設(shè)計(jì)了具有高精度的懸浮軸振動(dòng)測(cè)量傳感器，并在測(cè)量過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)信號(hào)處理的數(shù)字化。

 1總體設(shè)計(jì)原理

     懸浮軸振動(dòng)測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)包括電容傳感器的設(shè)計(jì)、振蕩電路的選取、光電編碼器的采樣、差頻計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)、單片機(jī)智能控制幾大部分。其基本原理是：首先，利用導(dǎo)電介質(zhì)電容傳感器將振動(dòng)位移的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，由于電容傳感器為振蕩電路中的電容元件，因而，電容量的變化會(huì)引起振蕩器輸出頻率的變化。同時(shí)，選擇另一只電容傳感器作為溫度補(bǔ)償傳感器，通過(guò)振蕩器同樣得到一個(gè)頻率信號(hào)。振動(dòng)信號(hào)的采樣是由光電編碼器的等轉(zhuǎn)角取樣實(shí)現(xiàn)的，在光電編碼器、門(mén)電路及單片機(jī)硬軟件的配合下，將2個(gè)高頻信號(hào)輸入差頻計(jì)數(shù)器就能得到固定時(shí)間間隔內(nèi)的計(jì)數(shù)值，送C8051F020單片機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，得到計(jì)數(shù)差值并轉(zhuǎn)換成振動(dòng)位移的大小，實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

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2傳感器的研制

2.1測(cè)量電路

    懸浮軸的振動(dòng)位移測(cè)量電路由兩部分組成：一方面利用導(dǎo)電介質(zhì)電容傳感器將懸浮軸振動(dòng)位移的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化；另一方面，利用反射式光電編碼器實(shí)現(xiàn)懸浮軸轉(zhuǎn)動(dòng)的等角度采樣，保證采樣的精度。

2.1.1導(dǎo)電介質(zhì)電容傳感器的設(shè)計(jì)

    利用改變電容極板面積S和極板之間距離d的方法，均可以達(dá)到改變電容量C的目的。選用變極距式電容傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮軸的振動(dòng)位移測(cè)量。為使傳感器能將振動(dòng)位移的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電容量變化，使兩者成單值函數(shù)關(guān)系，并保證懸浮軸在轉(zhuǎn)動(dòng)和受外界干擾時(shí)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀況不發(fā)生改變，導(dǎo)電介質(zhì)傳感器以懸浮軸本身作為電容器的動(dòng)極板，采用溫度對(duì)材料膨脹系數(shù)影響小的銅作為靜極板。另外，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)電容傳感器的靈敏度、線(xiàn)性及寄生電容的影響也給予充分考慮。設(shè)計(jì)時(shí)采用2只電容傳感器：1只用于測(cè)量，1只用于溫度補(bǔ)償。而且，每只電容傳感器又都是2只電容器串聯(lián)組成的，這樣，既解決了電容傳感器導(dǎo)線(xiàn)的連接問(wèn)題，又減少了寄生電容的影響。設(shè)用于測(cè)量的電容傳感器電容量為C，用于溫度補(bǔ)償?shù)碾娙輦鞲衅麟娙萘繛镃0，設(shè)計(jì)的具體參數(shù)如下：

    2只電容器的初始安裝極板間距均為x0=25μm；絕緣材料的厚度d1=10μm；每個(gè)極板的覆蓋面積A=0.5 cm2；測(cè)量振動(dòng)的范圍為-25～25μm(即極板間距z范圍為0～50μm)；ε0=8.85×10-12 F／m，εr=2.3ε0，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

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首先，極板間距和振動(dòng)位移△x的關(guān)系為

x-x0=△x (1)

   由于每只電容傳感器均由2只電容串聯(lián)構(gòu)成，考慮極板表面絕緣膜厚度，得到測(cè)量電容傳感器的電容量C和溫度補(bǔ)償電容傳感器的電容量C0分別為

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2.1.2利用光電編碼器實(shí)現(xiàn)等轉(zhuǎn)角采樣

   光電脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，它將機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，可作為位置檢測(cè)和速度檢測(cè)裝置。設(shè)計(jì)中利用反射式光電編碼器實(shí)現(xiàn)了高精度的等轉(zhuǎn)角采樣，其輸出為脈沖信號(hào)，脈沖個(gè)數(shù)與旋轉(zhuǎn)位移有關(guān)。懸浮軸的轉(zhuǎn)速是50 rad／s，光電編碼器采用等轉(zhuǎn)角(2°)間隔采樣，則每個(gè)采樣周期約為t=111μs，即光電編碼器輸出頻率為9kHz的脈沖信號(hào)。懸浮軸連續(xù)變化的振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程為連續(xù)信號(hào)→離散信號(hào)，根據(jù)信號(hào)采樣理論：若連續(xù)信號(hào)f(t)是有限帶寬的，其頻譜的最高頻率為fm，則信號(hào)f(t)可以用等間隔的抽樣值來(lái)唯一的表示，而最低抽樣頻率fs=2fm，即fs≥2fm。由于光電編碼器的抽樣頻率fs=9kHz，因此，傳感器能夠測(cè)得的懸浮軸振動(dòng)的最高頻率fm<4.5 kHz。

2.2信號(hào)處理電路

   振蕩器、差頻計(jì)數(shù)器、控制電路、單片機(jī)共同組成信號(hào)處理系統(tǒng)。利用懸浮軸的振動(dòng)位移與頻率信號(hào)存在的函數(shù)關(guān)系，將傳感器測(cè)量結(jié)果通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的振蕩電路轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，利用差頻計(jì)數(shù)器進(jìn)行控制計(jì)數(shù)，再經(jīng)單片機(jī)處理，最終得到懸浮軸振動(dòng)位移的大小。

2.2.1振蕩電路的選取

   電容傳感器輸出的電容變化量通過(guò)振蕩器轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的頻率值，而且，要求電容量在幾十pF的情況下，振蕩器能輸出高達(dá)30 MHz的振蕩頻率，可以采用非對(duì)稱(chēng)式振蕩電路，它的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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   其中，反相器G1，G2選擇了74HC04芯片(六反相器)。RS是保護(hù)電阻，經(jīng)過(guò)硬件電路的調(diào)試，得到RS=20.3 kΩ。Rf是反饋電阻，也是整個(gè)振蕩電路的延時(shí)環(huán)節(jié)，它的阻值大小直接影響到振蕩頻率的大小，因此，要合理確定反饋電阻參數(shù)Rf。由于電容傳感器極板間距與振蕩頻率的關(guān)系是：極板間距越大，振蕩器的振蕩頻率越高，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值越大。為了保證測(cè)量結(jié)果的精確性，當(dāng)極板間距最大時(shí)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值應(yīng)該達(dá)到滿(mǎn)量程的90％左右。本設(shè)計(jì)采用串行輸入／12位并行輸出的差頻計(jì)數(shù)器，它的計(jì)數(shù)范圍為0～212，計(jì)數(shù)時(shí)間△T應(yīng)略小于采樣周期取100μs，則Rf的參數(shù)確定過(guò)程如下：

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2.2.2差頻計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)

    差頻計(jì)數(shù)器采用頻率計(jì)數(shù)的方法，外部晶體振蕩器通過(guò)門(mén)控電路得到采樣基準(zhǔn)信號(hào)和計(jì)數(shù)復(fù)位信號(hào)，在采樣基準(zhǔn)信號(hào)上升沿來(lái)后計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)使能，計(jì)數(shù)模塊開(kāi)始對(duì)輸入的頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)時(shí)間恰為△T，計(jì)數(shù)復(fù)位信號(hào)用于每一次測(cè)量開(kāi)始時(shí)對(duì)計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行復(fù)位，在計(jì)數(shù)復(fù)位信號(hào)的上升沿將采樣的數(shù)據(jù)結(jié)果鎖存，并清除上次測(cè)量的結(jié)果。計(jì)數(shù)時(shí)一方面考慮到電容傳感器的溫度補(bǔ)償，采用了2個(gè)計(jì)數(shù)器差頻計(jì)數(shù)的方式；另一方面，計(jì)數(shù)器本身由于采樣時(shí)間和計(jì)數(shù)脈沖的不同步性存在±1的計(jì)數(shù)誤差，加上差頻計(jì)數(shù)器由2個(gè)計(jì)數(shù)器構(gòu)成，更增大了計(jì)數(shù)誤差，因此，關(guān)鍵是消除這部分誤差的影響。 假設(shè)兩電容傳感器的容量C，C0經(jīng)振蕩器輸出的頻率信號(hào)分別對(duì)應(yīng)為f，f0，即

f=f(D)+f(t)， (7)
f0=f(t)， (8)

式中f(D)為振動(dòng)位移引起的頻率變化；f(t)為環(huán)境溫度引起的頻率變化。

這樣，通過(guò)差頻計(jì)數(shù)器的差頻輸出能消除環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

Δf=f-f0=f(D) (9)

差頻計(jì)數(shù)器的工作原理是在計(jì)數(shù)時(shí)間△T內(nèi)分別對(duì)2個(gè)頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，測(cè)得的脈沖個(gè)數(shù)分別為n，n0，則有

n-n0=(f-f0)△T， (10)

式中n-n0為兩計(jì)數(shù)器的差值。

   由此，只要獲得合理的計(jì)數(shù)時(shí)間△T，就可以得到2個(gè)頻率信號(hào)的計(jì)數(shù)差值，設(shè)計(jì)時(shí)，△T是利用單片機(jī)計(jì)數(shù)光電編碼器的輸出脈沖確定的。由于光電編碼器采樣的時(shí)間間隔約為111μs，一個(gè)采樣周期內(nèi)除了計(jì)數(shù)外，必須留有計(jì)數(shù)值的記錄和運(yùn)算時(shí)間，所以，選取ΔT=100μs<111μs，由式(10)可知計(jì)數(shù)器的讀數(shù)差值與頻率的關(guān)系為

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   差頻計(jì)數(shù)器的啟停信號(hào)是由單片機(jī)控制的。當(dāng)單片機(jī)啟動(dòng)控制信號(hào)GEP為高電平后，差頻計(jì)數(shù)器開(kāi)始等待計(jì)數(shù)。差頻計(jì)數(shù)器的被測(cè)頻率信號(hào)是由2個(gè)與門(mén)控制輸入的。在每個(gè)采樣周期到來(lái)時(shí)即單片機(jī)接收光電編碼器脈沖e1為上升沿后，單片機(jī)分別檢測(cè)2個(gè)振蕩器的輸出頻率信號(hào)osc11，osc21，等待osc11，osc21信號(hào)的第一個(gè)上升沿，分別發(fā)出控制信號(hào)f1，f2啟動(dòng)與門(mén)，使差頻計(jì)數(shù)器接收對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)并進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)，單片機(jī)對(duì)應(yīng)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器開(kāi)始定時(shí)，定時(shí)時(shí)間為△T。定時(shí)時(shí)間到△T后，單片機(jī)關(guān)閉差頻計(jì)數(shù)器的對(duì)應(yīng)輸入信號(hào)的閘門(mén)，讀取差頻計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，并對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零處理，當(dāng)2個(gè)計(jì)數(shù)器均完成計(jì)數(shù)后，單片機(jī)開(kāi)始對(duì)D1，D2進(jìn)行數(shù)字處理。差頻計(jì)數(shù)器被測(cè)頻率信號(hào)與定時(shí)控制信號(hào)之間采用了同步鎖定的方法，并分別對(duì)2個(gè)頻率信號(hào)計(jì)數(shù)，這樣就消除±1的計(jì)數(shù)誤差。振蕩器輸出為高頻信號(hào)，因此，一個(gè)采樣周期內(nèi)2個(gè)頻率信號(hào)第一個(gè)上升沿到來(lái)的時(shí)間間隔不會(huì)大，即每個(gè)采樣周期內(nèi)都能完成對(duì)2個(gè)頻率信號(hào)的ΔT間隔計(jì)數(shù)，周而復(fù)始就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)差頻計(jì)數(shù)的功能。差頻計(jì)數(shù)器的工作時(shí)序如圖4。圖中，1為單片機(jī)的啟?？刂菩盘?hào)CEP，2為編碼器的輸出信號(hào)e1，3為測(cè)量傳感器的頻率信號(hào)osc11，4為與門(mén)1的控制信號(hào)f1，5為被計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)的頻率信號(hào)osc12，6為溫度補(bǔ)償傳感器的頻率信號(hào)osc21，7為與門(mén)2的控制信號(hào)f2，8為被計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)的頻率信號(hào)osc22。

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2.2.3數(shù)據(jù)的處理
   由于懸浮軸振動(dòng)位移與單片機(jī)輸出計(jì)數(shù)值成單值函數(shù)關(guān)系，最后，利用C8051F020單片機(jī)編寫(xiě)軟件程序把計(jì)數(shù)差值轉(zhuǎn)換成振動(dòng)的位移量實(shí)現(xiàn)振動(dòng)位移的存儲(chǔ)和分析。其中，振動(dòng)位移分別用2個(gè)字節(jié)進(jìn)行存儲(chǔ)，振動(dòng)位移的正負(fù)根據(jù)減法器的進(jìn)位位確定，它存儲(chǔ)在一個(gè)獨(dú)立的單元中，設(shè)定00H表示振動(dòng)為正，01H表示振動(dòng)位移為負(fù)。

   綜合式(2)、式(3)、式(6)、式(11)可以推導(dǎo)計(jì)算出振動(dòng)位移與計(jì)數(shù)器的差值之間的關(guān)系如表1。

 
3結(jié)束語(yǔ)
   懸浮軸振動(dòng)測(cè)量傳感器能夠測(cè)量振動(dòng)頻率小于4.5 kHz，振動(dòng)范圍在-25～25 μm內(nèi)的振動(dòng)位移量，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)其振動(dòng)位移的測(cè)量，同時(shí)，避免了對(duì)本身運(yùn)動(dòng)規(guī)律的干擾，而且，硬件采用差頻測(cè)量、光電編碼器控制等角度采樣，結(jié)合軟件的數(shù)據(jù)處理，在很大程度上提高了測(cè)量精度，消除了傳感器調(diào)理電路電源波動(dòng)、環(huán)境溫度變化、分布電容的影響，還能屏蔽電磁干擾，保證了測(cè)量結(jié)果的可靠性，可應(yīng)用在特殊的測(cè)控環(huán)境中。