分辨率为0.001mm／m的智能电子水平仪的研制

分辨率为0.001mm／m的智能电子水平仪的研制 分辨率为0.001mm,m的智能电子水平仪 的研制 [蕊甘壹笔.i;己 分辨率为0?O01mm/m的智能 电子水平仪的研制 TheDesignofIntellectualElectronicLevelwithResolution0.O01mm/m 青岛科技大学张玉华王安敏王成江 辫 电子水平仪是一种非常急需的测量小角度的量具. 用它可测量对于水平位置的倾斜度,两部件相互平行度 和垂直度,机床,仪器导轨的直线度,工作台平面度,以 及平板的平面度等.在机械测量及光机电技术一体化技 术应用中占有重要地位. 国外许多国家很早就开始了电子水平仪的研制和制 造,但随着精密制造技术的发展,已有的电子水平仪不能 满足精度要求,国内数显式电子水平仪灵敏度,反应时间 等比国外差距较大.研究分辨率更高的性能更好的智能 电子水平仪具有重要意义. 本文采用差动电容传感器作为微驱动传感器,研制 成功智能电子水平仪,其分辨率达到0.O01mm/m.实验 明:成品完全能达到要求. 基本原理 本设计采用差动电容式倾角传感器与温度特性好的 精密纯电阻构成阻容电桥,使用精密波形产生器ICL8038 作为交流电桥的激励源,电桥不平衡电压经运算放大器 TLC27M2放大后由LF398进行采样,同时使用另一片 LF398对激励源输出电压进行采样,以消除激励源电压波 动的影响.两路采样信号经AD7706转换后送入微处理器 89C52进行处理输出.交流电桥及信号采样原理如图1所 示,由于温度对电容传感器电介质及电路元器件的影响 几乎与信号具有相同的量级,设计中必须对温度进行补 偿.本设计中采用线性温度传感器REF02作为测温元件 对仪器进行温度补偿. 本文2002年8月26日收到 ??_34?2003.2.耄号煮品._|暴www.eepw.com.cn 机电系统计算机控制. 及 设 激 路 失 可 ? .0? 00蕾舔?一0? 屯 I 境 其中R一桥臂电阻;d一电容两极板之间的距离;?d 一 电容两极板距离变化量;?,激励源角频率;e一电 介质常数;S一电容极板面积;u,一激励源电压;u,一电 桥不平衡电压输出. 由(3)式可以看出,电桥不平衡电压输出u,与激励源 电压u.之比在?d一定的情况下是一个常数.设计中采用 两片LF398对u.及u,进行同时采样,用u,与u的比值作 为最终的采样值,再以此比值进行标定,这样可以消除干 扰信号产生的激励源波形的失真. 电桥不平衡电压信号放大电路 电桥不平衡电压信号的放大选用运算放大器 TLC27M2,TLC27M2与电桥的连接如图1所示, TLC27M2内含两片精密运算放大器,其中一片用作差分 放大器,另一片组成一阶低通模拟滤波器,在6引脚与地 之间接一个滤波电容C对电桥输出信号进行低通滤波. 滤波电容C可以根据下式: l 一丽而 求得.设计中C取为0.035~F. A/D转换 A/D转换部分采用16位?一A转换器AD7706.使用 过程中AD7706的三个准差分输入通道分别输入三路信 号:两路采样信号和一路温度信号.AD7706与89C52的 连接见图3.AD7706的串行数据接口有5个:片选输人万, 串行施密特逻辑输入时钟SCLK,数据输入DIN,转换数 据输出D0uT,表示数据准备就绪的状态信号输出 瓦.其中当瓦为低电平时,转换数据可读取;否 则不可读取.设计中接地.SCLK接89C52的同步脉冲 输出端TXD,AD7706的数据输入,输出端DIN,DOUT 一 同接在89C52串行数据输入,输出端RXD,对AD7706 数据的读取用89C52串行IZl的工作方式0来完成.可 接89C52的外部中断1,通过中断方式实现对AD7706中 寄存器数据的读取. 程序设计 软件设计需考虑以下方面: AD7706与89C52的数据交换顺序:在写操作模式. 下,89C52的数据输出为LSB在前,而AD7706的写时序,一 要求MSB在前,所以数据在写之前必须进行重新排序;,? 2003.2?妻子崖品t幂www.eepw.corn.cn?35?—???? 性曲线=u)(表示倾角,U表示经A/D转换后的两个 采样电压的比值)按精度要求分成n段,用n段折线代替 曲线,分段基点为i,U,在标定过程中,把各个分段基 点事先存为,供插值计算时使用.软件的程序框图如 图4所示.需要注意的是=u)曲线(可由标定装置试 验得出)划分时并非均匀划分,而是根据精度要求进行划 分,在矫正曲线曲率较大的地方段数划分相对较密.理论 上来说,划分的段数越多,得到的结果就越精确,但计算 所需时间就越长,即仪器稳定时间越长,因此n的数值要 选的恰当. 为提高抗干扰能力,除采取硬件措施进行模拟滤波 外,还应进行数字滤波.AD7706集成芯片中含有可编程 数字滤波器.除对两个采样电压进行数字滤波外,还应对 u2/ul进行再一次数字滤波. 结语 笔者设计的智能电子水平仪已成功的制成成品,经 试验证明,灵敏度达到O.O01mm/m,零位自动精确调整, 数显可选择角度读数或mmJm读数.稳定时间<Is,使用 温度范围为20士IO*C,完全达到了设计要求.? 同样在读操作时,AD7706输出的数据是MSB在前, 一一89C52串行口的时序要求LSB在前.从串行缓冲器(SBUF)参考文献: 读取到的转换数据在使用之前,需要重新排列顺序.1.DanieleMarioli,EmilioSardini,andAndrea 对AD7706内每一个寄存器的配置都必须从写通信 Taroni.Measurementofsmallcapacitancevariations.IEEE 一 寄存器开始,通过写通信寄存器完成通道的选择和设置下transactiOnsoninstrumentatiOnand 一 次操作的寄存器的选择.measurement,199l,40(2),426.428. 用软件对电容传感器的非线性特性进行线性化.从2.M.A.Atmanand,V.JagadeeshKumarandVempati 上面(2)式可以看出,电桥的不平衡电压输出并非完全与 G.K.Murti.AnovelmethodofmeasurementofLandC.IEEE Ad成正比.为使测量代表的输入与输出之间具有线性关transactiOnsoninstrumentatiOnand , 系,就必须采取相应的线性化处理,尤其是在精密测量过measurement,1995,44(4):898.903. 一 程中.硬件补偿,不但成本高,而且电路复杂,且有些补3.MuhammadAkbar,MichaelA.Shanblatt.Afully 偿是极为困难甚至是不可能的.用软件的方法进行线性 integratedtemperaturecompensationtechniquefor … 化矫正,虽然要花费一定的程序运行时间,但考虑到测量piezoresistivepressuresensors.IEEEtransactionson 过程为静态测量过程,因此在本设计中充分利用微处理 instrumentationandmeasurement,1993,42(3):771.775. 器运算功能,用软件方法实现线性化矫正,不必增加特殊4张玉艳,王玉田,王莉田,’用于差动电容传感器 一 的硬件结构,通过程序即可实现传感器的线性化.常用的的高分辨率电路的研究’,传感技术学报,2002.3. 一, 软件补偿方法有矫正函数法,查表法,线性插值法及二次 一 抛物线法.查表法虽然简单,但需占用较多的内存,矫正 函数法计算较为复杂,本设计中采用线性插值法.将非线 ??_3B?2003.2?耄号j蠢品t器www.eepw.com.cn