實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和FPGA的位移裝置高精度測量實(shí)用方案

位移傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)和控制領(lǐng)域，如過程檢測、物理測量和自動控制等。由于其測量精度不高，往往滿足不了社會需求，也限制了傳感器的應(yīng)用。因此，這里設(shè)計(jì)了一套基于單片機(jī)和FPGA的位移測量裝置，也能夠達(dá)到較高的線性度，同時在各種惡劣環(huán)境下替代人工工作，實(shí)現(xiàn)較高精度的測量，并具有一定的實(shí)用價值。

1 整體設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)框圖

系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示，由信號產(chǎn)生部分、差分放大部分、變壓器耦合部分、信號處理部分、數(shù)據(jù)采樣部分和處理及顯示部分組成。利用DDS技術(shù)產(chǎn)生的信號經(jīng)THS4503的差分放大之后送入差動變壓器，差動變壓器輸出的信號經(jīng)放大、整流以及濾波處理之后送入MAXl97采樣，采樣得到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理單元處理后在LCD上顯示測得的位移量。

2 數(shù)據(jù)處理方法分析

差動變壓器是開磁路，原、副邊間的互感隨磁芯移動而做相應(yīng)的變化，使輸出的兩次級線圈的電壓隨之發(fā)生變化，將位移的變化轉(zhuǎn)化為輸出的電壓的變化，整流后采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到d值，圖2所示為差動變壓器數(shù)據(jù)處理采用查表法：首先采用游標(biāo)卡尺測量若干組位移值，測量的組數(shù)根據(jù)測量范圍以及測量結(jié)果來確定，并記錄下相應(yīng)的d值，繪制成一張表格。在實(shí)際測量時，根據(jù)測得的d值通過查表確定位移范圍，并在這一范圍內(nèi)采用分段折線法處理得到精確的位移值。采用查表法可精確定位移范圍，得到的數(shù)據(jù)誤差較小，精度較高。

3 差分放大電路

選用THS4503來做差分放大電路。由于激勵信號的頻率固定為100 kHz，故在差分放大器的反饋電阻上加上電容，達(dá)到濾波與避免自激的效果。從低通濾波器輸出的信號需經(jīng)過差分放大器放大后輸出一對差分信號為變壓器的初級線圈提供電壓。電源采用±5V雙電源供電，THS4 503的2個輸出端經(jīng)2個阻值為12Ω的隔離電阻與變壓器的初級線圈的兩端相連接。具體電路圖如圖3所示。

4 測試內(nèi)容與結(jié)果

在電路調(diào)試的過程中，針對各個模塊分別進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試結(jié)果效果不錯，調(diào)試數(shù)據(jù)表格省略。進(jìn)行整機(jī)調(diào)試時，測量了A、B、C 3點(diǎn)的信號波形。其中C處的信號波形良好，無失真。A、B 2點(diǎn)的輸出的直流信號無紋波抖動，而且數(shù)值準(zhǔn)確。對于位移測量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表l和表2所示。對該位移測量結(jié)果進(jìn)行分析，可以看出位移測量的精度較高，最大誤差是0.5 mm，測量范圍是-20～20 mm，總體來說，整個系統(tǒng)的完成情況較好。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)測量位移范圍擴(kuò)展到-20～20mm，實(shí)際測量到自制差動變壓器的近似線性范圍約為-24～24mm，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的精度測量，同時也能夠達(dá)到不錯的動態(tài)范圍，但線性度不是很好，這主要是受線圈繞制的非理想均勻、對稱以及鐵芯規(guī)格不理想等因素的限制，但通過軟件校正可大大提高位移測量的精度，而且線性度的穩(wěn)定性也會有提高。