一种微位移测量系统设计数据采集与处理(附件)
随着现代制造业的规模逐渐扩大，自动化程度愈来愈高。要保证产品质量，对产品的检测和质量管理都提出了更高的要求。我们为此要设计一种精度的检测位移的仪器。本课题设计一种以线性可变差动变压器（LVDT）为核心的微小位移测量系统。以AD7190为核心做了数据采集系统。介绍了LVDT的工作原理、结构设计及接线方法。分析了位移测量系统中数据采集模块的各部分元器件及电路，使得数据采集达到位移测量系统中的要求。关键词 微位移测量，LVDT，AD7190，数据采集
目 录
1 引言 1
1．1 研究背景 1
1．2 国内外研究现状及发展趋势 1
2 位移测量传感器介绍 3
2．1 差动变压器原理及特点 3
2．2 差动变压器结构 6
2．3 差动变压器尺寸及接线 8
3 数据采集模块硬件设计 9
3．1 器件芯片介绍 9
3．2 主要组成电路分析 15
4 数据采集模块软件设计 19
4．1 STM32F103单片机主程序 19
4．2 AD7190采样程序流程图 20
4．3 LCD1602显示子程序流程图 21
结 论 22
致 谢 23
参 考 文 献 24
附 录 25
引言
1．1 研究背景
目前现代制造业的规模正随时代的进步在逐渐扩大，与之相应的就是自动化程度越来越高。为了提高产品的质量，工厂对产品的尺寸加工等方面提出了更高的要求与更严格的标准。在以为此背景且市场需求下，应用于磨削加工的微位移测量系统的精度就一再提升。目前在市场和研究中运用的种类繁多的传感器中，用于直线位移测量的传感器就多达十几种。常见的直线位移传感器有电感式传感器、电容式传感器、电阻式传感器、振弦式传感器、编码式传感器，还有利用光原理制造的传感器如光栅式传感器、光电式传感器、光纤式霍尔效应式传感器、激光式传感器，以及复合式传感器等等。这些传感器在某些方面都有着一些缺点，在一定程度上会给加工技术与实验研究带来一些困扰。例如，电感式传感器本身的频率响应并不算高且不适于快 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
速的动态测量。然而，此传感器对激励电源的频率和幅度的稳定要求与其他线性传感器相比较来说，其要求在同类中又相对较高，另外该传感器的分辨率与它测量的范围有一定关系，测量范围越小则分辨率越高，而测量的范围越长的分辨率反而会下降，这些缺点会给位移测量系统的设计带来不小的难度。其他传感器还有一些存在设备成本较高，线性范围小，精度低，设备复杂且对环境中温度等各方面要求高的缺点。与这些传感器相比，差动变压器式传感器的测试精度高、使用更加方便、线性范围大并且有较为稳定的性能等优点就显得尤为出众。因此，在实际的位移测量和实验研究中差动变压器式传感器更加适合。
本文所介绍的设计部分将线性可调差动变压器作为传感器，以STM32F103C8T6单片机为控制核心并结合相应的电路与数据采集模块来实现位移的测量及显示。此文将对线性可调差动变压器的原理、结构、系统接线等方面以及系统中的数据采集模块的软硬件分别进行分析。
1．2 国内外研究现状及发展趋势
目前在微位移测量系统中，线性差动可调变压器（LVDT）已作为主要的研究对象，它以测试精度高、线性范围大及性能稳定等优点在众多直线位移传感器中脱颖而出。与其他直线位移传感器相比较，线性差动可调变压器式传感器的优点则较为明显：测量精度较高，与其相关的测量系统精度可达纳米级[14]；线性范围较大，可达到正负100mm；稳定性能好，使用方便。表1为几种主要的直线位移传感器性能表，它们各自的优缺点都已一一列出。
表1 直线位移传感器性能表
原理
量程mm
精确度%
线性度%
优点
缺点
电阻式
电位器
1～300
0.1～1
0.1～1
简单，稳定
分辨率不高，易磨损
电阻应变计
1～50
0.1～0.5
0.1～0.5
精确度高线性好
量程受限制
电感式
差动电感
1～200
0.1～1
0.1～1
量程大线性好，分辨率高
有残余电压，精确度受限制
差动变压器
1～1000
0.1～0.5
0.1～0.5
线性好，分辨率高
有残余电压，精确度受限制
电感调频
1～100
0.2～1.5
0.2～1.5
抗干扰，能接长导线
线圈结构复杂
电涡流
1～100
1～3
1～3
结构简单，非接触式测量
被测对象的材料不同，林敏度改变
电容式
变面积
1～100
0.5～1.5
0.5～1
线性范围大，精确度高
体积较大
变间隙
1μm～10
0.1
1～1
可用于非接触式测量，分辨率高
非线性较大
振弦
2～6
0.2～0.5
抗干扰能接长导线，防潮
量程小
光栅
30～1000
精确度高
结构较复杂
磁栅
1～20m
量程大，精确度高
需防尘，磁屏蔽
光电
1
高精确高可靠，非接触测量
安装不方便
目 录
1 引言 1
1．1 研究背景 1
1．2 国内外研究现状及发展趋势 1
2 位移测量传感器介绍 3
2．1 差动变压器原理及特点 3
2．2 差动变压器结构 6
2．3 差动变压器尺寸及接线 8
3 数据采集模块硬件设计 9
3．1 器件芯片介绍 9
3．2 主要组成电路分析 15
4 数据采集模块软件设计 19
4．1 STM32F103单片机主程序 19
4．2 AD7190采样程序流程图 20
4．3 LCD1602显示子程序流程图 21
结 论 22
致 谢 23
参 考 文 献 24
附 录 25
引言
1．1 研究背景
目前现代制造业的规模正随时代的进步在逐渐扩大，与之相应的就是自动化程度越来越高。为了提高产品的质量，工厂对产品的尺寸加工等方面提出了更高的要求与更严格的标准。在以为此背景且市场需求下，应用于磨削加工的微位移测量系统的精度就一再提升。目前在市场和研究中运用的种类繁多的传感器中，用于直线位移测量的传感器就多达十几种。常见的直线位移传感器有电感式传感器、电容式传感器、电阻式传感器、振弦式传感器、编码式传感器，还有利用光原理制造的传感器如光栅式传感器、光电式传感器、光纤式霍尔效应式传感器、激光式传感器，以及复合式传感器等等。这些传感器在某些方面都有着一些缺点，在一定程度上会给加工技术与实验研究带来一些困扰。例如，电感式传感器本身的频率响应并不算高且不适于快 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
速的动态测量。然而，此传感器对激励电源的频率和幅度的稳定要求与其他线性传感器相比较来说，其要求在同类中又相对较高，另外该传感器的分辨率与它测量的范围有一定关系，测量范围越小则分辨率越高，而测量的范围越长的分辨率反而会下降，这些缺点会给位移测量系统的设计带来不小的难度。其他传感器还有一些存在设备成本较高，线性范围小，精度低，设备复杂且对环境中温度等各方面要求高的缺点。与这些传感器相比，差动变压器式传感器的测试精度高、使用更加方便、线性范围大并且有较为稳定的性能等优点就显得尤为出众。因此，在实际的位移测量和实验研究中差动变压器式传感器更加适合。
本文所介绍的设计部分将线性可调差动变压器作为传感器，以STM32F103C8T6单片机为控制核心并结合相应的电路与数据采集模块来实现位移的测量及显示。此文将对线性可调差动变压器的原理、结构、系统接线等方面以及系统中的数据采集模块的软硬件分别进行分析。
1．2 国内外研究现状及发展趋势
目前在微位移测量系统中，线性差动可调变压器（LVDT）已作为主要的研究对象，它以测试精度高、线性范围大及性能稳定等优点在众多直线位移传感器中脱颖而出。与其他直线位移传感器相比较，线性差动可调变压器式传感器的优点则较为明显：测量精度较高，与其相关的测量系统精度可达纳米级[14]；线性范围较大，可达到正负100mm；稳定性能好，使用方便。表1为几种主要的直线位移传感器性能表，它们各自的优缺点都已一一列出。
表1 直线位移传感器性能表
原理
量程mm
精确度%
线性度%
优点
缺点
电阻式
电位器
1～300
0.1～1
0.1～1
简单，稳定
分辨率不高，易磨损
电阻应变计
1～50
0.1～0.5
0.1～0.5
精确度高线性好
量程受限制
电感式
差动电感
1～200
0.1～1
0.1～1
量程大线性好，分辨率高
有残余电压，精确度受限制
差动变压器
1～1000
0.1～0.5
0.1～0.5
线性好，分辨率高
有残余电压，精确度受限制
电感调频
1～100
0.2～1.5
0.2～1.5
抗干扰，能接长导线
线圈结构复杂
电涡流
1～100
1～3
1～3
结构简单，非接触式测量
被测对象的材料不同，林敏度改变
电容式
变面积
1～100
0.5～1.5
0.5～1
线性范围大，精确度高
体积较大
变间隙
1μm～10
0.1
1～1
可用于非接触式测量，分辨率高
非线性较大
振弦
2～6
0.2～0.5
抗干扰能接长导线，防潮
量程小
光栅
30～1000
精确度高
结构较复杂
磁栅
1～20m
量程大，精确度高
需防尘，磁屏蔽
光电
1
高精确高可靠，非接触测量
安装不方便
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