具有高精度的懸浮軸振動測量傳感器的設(shè)計

2.2信號處理電路

振蕩器、差頻計數(shù)器、控制電路、單片機(jī)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(shù)關(guān)系，將傳感器測量結(jié)果通過專門設(shè)計的振蕩電路轉(zhuǎn)換為頻率信號，利用差頻計數(shù)器進(jìn)行控制計數(shù)，再經(jīng)單片機(jī)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(zhuǎn)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(dá)30 MHz的振蕩頻率，可以采用非對稱式振蕩電路，它的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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)過硬件電路的調(diào)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(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，計數(shù)器的計數(shù)值越大。為了保證測量結(jié)果的精確性，當(dāng)極板間距最大時，計數(shù)器的計數(shù)值應(yīng)該達(dá)到滿量程的90％左右。本設(shè)計采用串行輸入／12位并行輸出的差頻計數(shù)器，它的計數(shù)范圍為0～212，計數(shù)時間△T應(yīng)略小于采樣周期取100μs，則Rf的參數(shù)確定過程如下：

2.2.2差頻計數(shù)的實現(xiàn)

差頻計數(shù)器采用頻率計數(shù)的方法，外部晶體振蕩器通過門控電路得到采樣基準(zhǔn)信號和計數(shù)復(fù)位信號，在采樣基準(zhǔn)信號上升沿來后計數(shù)器計數(shù)使能，計數(shù)模塊開始對輸入的頻率信號進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)時間恰為△T，計數(shù)復(fù)位信號用于每一次測量開始時對計數(shù)模塊進(jìn)行復(fù)位，在計數(shù)復(fù)位信號的上升沿將采樣的數(shù)據(jù)結(jié)果鎖存，并清除上次測量的結(jié)果。計數(shù)時一方面考慮到電容傳感器的溫度補償，采用了2個計數(shù)器差頻計數(shù)的方式；另一方面，計數(shù)器本身由于采樣時間和計數(shù)脈沖的不同步性存在±1的計數(shù)誤差，加上差頻計數(shù)器由2個計數(shù)器構(gòu)成，更增大了計數(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分別對應(yīng)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(shù)器的差頻輸出能消除環(huán)境溫度對測量結(jié)果的影響

Δf=f-f0=f(D) (9)

差頻計數(shù)器的工作原理是在計數(shù)時間△T內(nèi)分別對2個頻率信號進(jìn)行計數(shù)，測得的脈沖個數(shù)分別為n，n0，則有

n-n0=(f-f0)△T， (10)

式中n-n0為兩計數(shù)器的差值。