具有高精度的懸浮軸振動測量傳感器的設計

    懸浮軸轉動時稍微受到干擾就會產生微小的不穩(wěn)定的振動，這種振動將影響懸浮軸的正常運動狀態(tài)，因此，對懸浮軸的振動位移進行無干擾測試極其困難，如果再要求測振傳感器靈敏度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強，實施起來則更加困難。目前，在非接觸測振傳感器的研究方面，主要有電渦流測振傳感器和激光傳感器。但是，電渦流測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。考慮到電容傳感器結構簡單、靈敏度高、動態(tài)特性好，完全可以滿足使用環(huán)境，以此為基礎，本文設計了具有高精度的懸浮軸振動測量傳感器，并在測量過程中實現了振動信號處理的數字化。

 1總體設計原理

     懸浮軸振動測量傳感器的設計包括電容傳感器的設計、振蕩電路的選取、光電編碼器的采樣、差頻計數的實現、單片機智能控制幾大部分。其基本原理是：首先，利用導電介質電容傳感器將振動位移的變化轉換為電容量的變化，由于電容傳感器為振蕩電路中的電容元件，因而，電容量的變化會引起振蕩器輸出頻率的變化。同時，選擇另一只電容傳感器作為溫度補償傳感器，通過振蕩器同樣得到一個頻率信號。振動信號的采樣是由光電編碼器的等轉角取樣實現的，在光電編碼器、門電路及單片機硬軟件的配合下，將2個高頻信號輸入差頻計數器就能得到固定時間間隔內的計數值，送C8051F020單片機進行存儲和處理，得到計數差值并轉換成振動位移的大小，實現框圖如圖1所示。

500)this.style.width=500;" border="0" />

2傳感器的研制

2.1測量電路

    懸浮軸的振動位移測量電路由兩部分組成：一方面利用導電介質電容傳感器將懸浮軸振動位移的變化轉換成電容量的變化；另一方面，利用反射式光電編碼器實現懸浮軸轉動的等角度采樣，保證采樣的精度。

2.1.1導電介質電容傳感器的設計

    利用改變電容極板面積S和極板之間距離d的方法，均可以達到改變電容量C的目的。選用變極距式電容傳感器實現對懸浮軸的振動位移測量。為使傳感器能將振動位移的變化轉換成相應的電容量變化，使兩者成單值函數關系，并保證懸浮軸在轉動和受外界干擾時的真實運動狀況不發(fā)生改變，導電介質傳感器以懸浮軸本身作為電容器的動極板，采用溫度對材料膨脹系數影響小的銅作為靜極板。另外，設計時對電容傳感器的靈敏度、線性及寄生電容的影響也給予充分考慮。設計時采用2只電容傳感器：1只用于測量，1只用于溫度補償。而且，每只電容傳感器又都是2只電容器串聯組成的，這樣，既解決了電容傳感器導線的連接問題，又減少了寄生電容的影響。設用于測量的電容傳感器電容量為C，用于溫度補償的電容傳感器電容量為C0，設計的具體參數如下：

    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；每個極板的覆蓋面積A=0.5 cm2；測量振動的范圍為-25～25μm(即極板間距z范圍為0～50μm)；ε0=8.85×10-12 F／m，εr=2.3ε0，其結構簡圖如圖2所示。

500)this.style.width=500;" border="0" />

首先，極板間距和振動位移△x的關系為

x-x0=△x (1)

   由于每只電容傳感器均由2只電容串聯構成，考慮極板表面絕緣膜厚度，得到測量電容傳感器的電容量C和溫度補償電容傳感器的電容量C0分別為

500)this.style.width=500;" /> 
 
2.1.2利用光電編碼器實現等轉角采樣

   光電脈沖編碼器是一種旋轉式脈沖發(fā)生器，它將機械轉角變成電脈沖，可作為位置檢測和速度檢測裝置。設計中利用反射式光電編碼器實現了高精度的等轉角采樣，其輸出為脈沖信號，脈沖個數與旋轉位移有關。懸浮軸的轉速是50 rad／s，光電編碼器采用等轉角(2°)間隔采樣，則每個采樣周期約為t=111μs，即光電編碼器輸出頻率為9kHz的脈沖信號。懸浮軸連續(xù)變化的振動信號轉換過程為連續(xù)信號→離散信號，根據信號采樣理論：若連續(xù)信號f(t)是有限帶寬的，其頻譜的最高頻率為fm，則信號f(t)可以用等間隔的抽樣值來唯一的表示，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，傳感器能夠測得的懸浮軸振動的最高頻率fm<4.5 kHz。

2.2信號處理電路

   振蕩器、差頻計數器、控制電路、單片機共同組成信號處理系統(tǒng)。利用懸浮軸的振動位移與頻率信號存在的函數關系，將傳感器測量結果通過專門設計的振蕩電路轉換為頻率信號，利用差頻計數器進行控制計數，再經單片機處理，最終得到懸浮軸振動位移的大小。

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振蕩器轉換成便于測量的頻率值，而且，要求電容量在幾十pF的情況下，振蕩器能輸出高達30 MHz的振蕩頻率，可以采用非對稱式振蕩電路，它的結構如圖3所示。

500)this.style.width=500;" border="0" />

   其中，反相器G1，G2選擇了74HC04芯片(六反相器)。RS是保護電阻，經過硬件電路的調試，得到RS=20.3 kΩ。Rf是反饋電阻，也是整個振蕩電路的延時環(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Rf。由于電容傳感器極板間距與振蕩頻率的關系是：極板間距越大，振蕩器的振蕩頻率越高，計數器的計數值越大。為了保證測量結果的精確性，當極板間距最大時，計數器的計數值應該達到滿量程的90％左右。本設計采用串行輸入／12位并行輸出的差頻計數器，它的計數范圍為0～212，計數時間△T應略小于采樣周期取100μs，則Rf的參數確定過程如下：

500)this.style.width=500;" /> 
 
2.2.2差頻計數的實現

    差頻計數器采用頻率計數的方法，外部晶體振蕩器通過門控電路得到采樣基準信號和計數復位信號，在采樣基準信號上升沿來后計數器計數使能，計數模塊開始對輸入的頻率信號進行計數，計數時間恰為△T，計數復位信號用于每一次測量開始時對計數模塊進行復位，在計數復位信號的上升沿將采樣的數據結果鎖存，并清除上次測量的結果。計數時一方面考慮到電容傳感器的溫度補償，采用了2個計數器差頻計數的方式；另一方面，計數器本身由于采樣時間和計數脈沖的不同步性存在±1的計數誤差，加上差頻計數器由2個計數器構成，更增大了計數誤差，因此，關鍵是消除這部分誤差的影響。 假設兩電容傳感器的容量C，C0經振蕩器輸出的頻率信號分別對應為f，f0，即

f=f(D)+f(t)， (7)
f0=f(t)， (8)

式中f(D)為振動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，通過差頻計數器的差頻輸出能消除環(huán)境溫度對測量結果的影響

Δf=f-f0=f(D) (9)

差頻計數器的工作原理是在計數時間△T內分別對2個頻率信號進行計數，測得的脈沖個數分別為n，n0，則有

n-n0=(f-f0)△T， (10)

式中n-n0為兩計數器的差值。

   由此，只要獲得合理的計數時間△T，就可以得到2個頻率信號的計數差值，設計時，△T是利用單片機計數光電編碼器的輸出脈沖確定的。由于光電編碼器采樣的時間間隔約為111μs，一個采樣周期內除了計數外，必須留有計數值的記錄和運算時間，所以，選取ΔT=100μs<111μs，由式(10)可知計數器的讀數差值與頻率的關系為

500)this.style.width=500;" /> 
 
   差頻計數器的啟停信號是由單片機控制的。當單片機啟動控制信號GEP為高電平后，差頻計數器開始等待計數。差頻計數器的被測頻率信號是由2個與門控制輸入的。在每個采樣周期到來時即單片機接收光電編碼器脈沖e1為上升沿后，單片機分別檢測2個振蕩器的輸出頻率信號osc11，osc21，等待osc11，osc21信號的第一個上升沿，分別發(fā)出控制信號f1，f2啟動與門，使差頻計數器接收對應的頻率信號并進行計數，同時，單片機對應的內部計數器開始定時，定時時間為△T。定時時間到△T后，單片機關閉差頻計數器的對應輸入信號的閘門，讀取差頻計數器的計數值，并對計數器進行清零處理，當2個計數器均完成計數后，單片機開始對D1，D2進行數字處理。差頻計數器被測頻率信號與定時控制信號之間采用了同步鎖定的方法，并分別對2個頻率信號計數，這樣就消除±1的計數誤差。振蕩器輸出為高頻信號，因此，一個采樣周期內2個頻率信號第一個上升沿到來的時間間隔不會大，即每個采樣周期內都能完成對2個頻率信號的ΔT間隔計數，周而復始就實現了整個差頻計數的功能。差頻計數器的工作時序如圖4。圖中，1為單片機的啟?？刂菩盘朇EP，2為編碼器的輸出信號e1，3為測量傳感器的頻率信號osc11，4為與門1的控制信號f1，5為被計數器1計數的頻率信號osc12，6為溫度補償傳感器的頻率信號osc21，7為與門2的控制信號f2，8為被計數器2計數的頻率信號osc22。

500)this.style.width=500;" border="0" />

2.2.3數據的處理
   由于懸浮軸振動位移與單片機輸出計數值成單值函數關系，最后，利用C8051F020單片機編寫軟件程序把計數差值轉換成振動的位移量實現振動位移的存儲和分析。其中，振動位移分別用2個字節(jié)進行存儲，振動位移的正負根據減法器的進位位確定，它存儲在一個獨立的單元中，設定00H表示振動為正，01H表示振動位移為負。

   綜合式(2)、式(3)、式(6)、式(11)可以推導計算出振動位移與計數器的差值之間的關系如表1。

 
3結束語
   懸浮軸振動測量傳感器能夠測量振動頻率小于4.5 kHz，振動范圍在-25～25 μm內的振動位移量，實現了轉動時對其振動位移的測量，同時，避免了對本身運動規(guī)律的干擾，而且，硬件采用差頻測量、光電編碼器控制等角度采樣，結合軟件的數據處理，在很大程度上提高了測量精度，消除了傳感器調理電路電源波動、環(huán)境溫度變化、分布電容的影響，還能屏蔽電磁干擾，保證了測量結果的可靠性，可應用在特殊的測控環(huán)境中。