基于C8051F020單片機和傳感器技術(shù)實現(xiàn)懸浮軸振動測量傳感器的設(shè)計

懸浮軸轉(zhuǎn)動時稍微受到干擾就會產(chǎn)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?？紤]到電容傳感器結(jié)構(gòu)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(chǔ)，本文設(shè)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(xiàn)了振動信號處理的數(shù)字化。

1 總體設(shè)計原理

懸浮軸振動測量傳感器的設(shè)計包括電容傳感器的設(shè)計、振蕩電路的選取、光電編碼器的采樣、差頻計數(shù)的實現(xiàn)、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(zhì)電容傳感器將振動位移的變化轉(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(zhuǎn)角取樣實現(xiàn)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(shù)器就能得到固定時間間隔內(nèi)的計數(shù)值，送C8051F020單片機進行存儲和處理，得到計數(shù)差值并轉(zhuǎn)換成振動位移的大小，實現(xiàn)框圖如圖1所示。

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(zhì)電容傳感器將懸浮軸振動位移的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化；另一方面，利用反射式光電編碼器實現(xiàn)懸浮軸轉(zhuǎn)動的等角度采樣，保證采樣的精度。

2.1.1 導電介質(zhì)電容傳感器的設(shè)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(xiàn)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(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)動和受外界干擾時的真實運動狀況不發(fā)生改變，導電介質(zhì)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(shù)影響小的銅作為靜極板。另外，設(shè)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(shè)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(lián)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(shè)用于測量的電容傳感器電容量為C，用于溫度補償?shù)碾娙輦鞲衅麟娙萘繛镃0，設(shè)計的具體參數(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(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

首先，極板間距和振動位移△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

2.1.2 利用光電編碼器實現(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，它將機械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，可作為位置檢測和速度檢測裝置。設(shè)計中利用反射式光電編碼器實現(xiàn)了高精度的等轉(zhuǎn)角采樣，其輸出為脈沖信號，脈沖個數(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(zhuǎn)換過程為連續(xù)信號→離散信號，根據(jù)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fm2.2信號處理電路

振蕩器、差頻計數(shù)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(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)器進行控制計數(shù)，再經(jīng)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(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，當極板間距最大時，計數(shù)器的計數(shù)值應(yīng)該達到滿量程的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信號和計數(shù)復位信號，在采樣基準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行計數(shù)，計數(shù)時間恰為△T，計數(shù)復位信號用于每一次測量開始時對計數(shù)模塊進行復位，在計數(shù)復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。

由此，只要獲得合理的計數(shù)時間△T，就可以得到2個頻率信號的計數(shù)差值，設(shè)計時，△T是利用單片機計數(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間間隔約為111μs，一個采樣周期內(nèi)除了計數(shù)外，必須留有計數(shù)值的記錄和運算時間，所以，選取ΔT=100μs

差頻計數(shù)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(shù)器開始等待計數(shù)。差頻計數(shù)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(shù)器接收對應(yīng)的頻率信號并進行計數(shù)，同時，單片機對應(yīng)的內(nèi)部計數(shù)器開始定時，定時時間為△T。定時時間到△T后，單片機關(guān)閉差頻計數(shù)器的對應(yīng)輸入信號的閘門，讀取差頻計數(shù)器的計數(shù)值，并對計數(shù)器進行清零處理，當2個計數(shù)器均完成計數(shù)后，單片機開始對D1，D2進行數(shù)字處理。差頻計數(shù)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(shù)，這樣就消除±1的計數(shù)誤差。振蕩器輸出為高頻信號，因此，一個采樣周期內(nèi)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(nèi)都能完成對2個頻率信號的ΔT間隔計數(shù)，周而復始就實現(xiàn)了整個差頻計數(shù)的功能。差頻計數(shù)器的工作時序如圖4。圖中，1為單片機的啟停控制信號CEP，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(shù)器1計數(shù)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(shù)器2計數(shù)的頻率信號osc22。

2.2.3 數(shù)據(jù)的處理

由于懸浮軸振動位移與單片機輸出計數(shù)值成單值函數(shù)關(guān)系，最后，利用C8051F020單片機編寫軟件程序把計數(shù)差值轉(zhuǎn)換成振動的位移量實現(xiàn)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(jù)減法器的進位位確定，它存儲在一個獨立的單元中，設(shè)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(shù)器的差值之間的關(guān)系如表1。

3 結(jié)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(nèi)的振動位移量，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)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(jié)合軟件的數(shù)據(jù)處理，在很大程度上提高了測量精度，消除了傳感器調(diào)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(jié)果的可靠性，可應(yīng)用在特殊的測控環(huán)境中。

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