【基于電渦流傳感器的厚度測量設(shè)計(jì)4600字（論文）】

基于電渦流傳感器的厚度測量設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\u301861引言 1262372總體方案設(shè)計(jì) 1199873系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3104473.1渦流傳感器電路設(shè)計(jì) 3276013.2數(shù)據(jù)處理和顯示模塊的電路設(shè)計(jì) 7210194軟件設(shè)計(jì) 9221404.1測厚程序總流程 951254.2各模塊初始化子程序 10271595設(shè)計(jì)總結(jié) 1112238參考文獻(xiàn) 12摘要：本文設(shè)計(jì)的厚度測量系統(tǒng)采用無損、非接觸的電渦流檢測技術(shù)，設(shè)計(jì)相應(yīng)電感檢測線圈及相應(yīng)的諧振電容，并以LDC1000型電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片以及C8051F120單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。其次在完成硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，使用C語言進(jìn)行嵌入式編程，在實(shí)現(xiàn)檢測的同時以串口方式將測量值傳輸至PC機(jī)顯示。最后根據(jù)測量原理對該系統(tǒng)進(jìn)行了誤差分析。關(guān)鍵詞：厚度測量；電渦流傳感器；單片機(jī)1引言在我們的日常生活中常見的厚度測量工具有直尺、卷尺和三角尺等，這些測量工具的測量精度都是厘米級別的，在一些高精度制造領(lǐng)域，測量精度需要毫米級的，在生產(chǎn)產(chǎn)品時，需要測量產(chǎn)品的精度來保證產(chǎn)品的質(zhì)量。例如：在五金行業(yè)里，生產(chǎn)工件需要保證所生產(chǎn)的工件達(dá)到預(yù)期的精度，如果所生產(chǎn)的工件不能達(dá)到預(yù)期的精度要求，那么這件產(chǎn)品相當(dāng)于一件廢品，為了測量出產(chǎn)品的尺寸來判斷工件是否符合要求，這時候就需要用到精確測量工具，而傳統(tǒng)的卡尺有讀數(shù)麻煩、讀數(shù)容易出錯和工作效率低等缺點(diǎn)。本文研究設(shè)計(jì)了一款基于電渦流傳感器的厚度測量裝置，該裝置測量數(shù)據(jù)是直接通過顯示模塊來顯示厚度測量所得的數(shù)據(jù)，不需人工計(jì)算數(shù)據(jù)，避免讀數(shù)出錯，可以節(jié)省人力及大大提高工作效率。2總體方案設(shè)計(jì)如圖2.1所示，厚度測量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)應(yīng)包括信號模塊、厚度模塊、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊、顯示模塊和報警電路。首先通過厚度測量模塊通過線圈將轉(zhuǎn)動量等效轉(zhuǎn)換為電流量，再通過信號調(diào)理模塊將電流信號等效轉(zhuǎn)換為電壓信號，并將其濾波、放大發(fā)送給C8051F120進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后將厚度等數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上或發(fā)送到上位機(jī)中。圖2.1厚度測量系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)圖厚度測量模塊由探頭、延伸電纜和被測體構(gòu)成。探頭和后續(xù)的信號變換器通過延長電纜連接和延長，探頭主要由線圈和不銹鋼外殼組成，是渦流傳感器的傳感單元。當(dāng)高頻電流引入線圈時，線圈會產(chǎn)生交變磁場，此時，被測導(dǎo)體靠近該磁場，導(dǎo)體內(nèi)部就會產(chǎn)生渦流。渦流產(chǎn)生的磁場與線圈產(chǎn)生的磁場方向相反，所以會削弱線圈的磁場強(qiáng)度，而降低線圈的電感量。當(dāng)被測物體的厚度發(fā)生變化時，此時傳感器探頭與線圈的距離發(fā)生變化，相應(yīng)的，線圈電感量也隨之發(fā)生變化，因此線圈的電感量變化可以等效為被測物體的厚度變化。信號調(diào)理與傳輸模塊包括信號提取、信號分離和信號變換電路三部分。當(dāng)被測體的轉(zhuǎn)動時，線圈會產(chǎn)生一個微弱的電流信號，然而由于采集來的信號強(qiáng)度太弱，不能直接輸出到單片機(jī)中，還需要進(jìn)行信號調(diào)理，將其轉(zhuǎn)換為一個標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，信號調(diào)理主要包括采集、放大和濾波這三個環(huán)節(jié)，通過三運(yùn)放的儀表放大器進(jìn)行初級放大，再通過低通濾波器進(jìn)行次級放大。數(shù)據(jù)處理和顯示模塊包括C8051F120單片機(jī)主控芯片和LDC1602液晶顯示。處理過的電壓信號將輸入到C8051F120中進(jìn)行融合處理，存儲到AT24C04中，最后將測得的厚度顯示在LCD模塊上。簡單講，本系統(tǒng)的工作過程可以概括為：被測體厚度反生變化時，探頭和被測體之間的距離發(fā)生規(guī)律性的變化，進(jìn)而使線圈阻抗也隨之周期性變化，在經(jīng)過放大電路、濾波電路、信號轉(zhuǎn)換電路處理后，最終形成周期信號輸入到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1渦流傳感器電路設(shè)計(jì)傳感器內(nèi)部測量電路由穩(wěn)頻穩(wěn)幅振蕩器、濾波器、脈沖轉(zhuǎn)換三部分構(gòu)成，如圖3.1所示?？拷袷幤鹘蛔兇艌龈浇粶y物體表面會形成渦流場，振蕩器的振幅與被測體距離成反比。經(jīng)過檢測、濾波、脈沖轉(zhuǎn)換等電路，電流信號產(chǎn)生與厚度成正比的頻率信號。圖3.1傳感器功能框圖當(dāng)測量物體厚度時，線圈將探頭與被測體之間的距離變化等效為阻抗變化，線圈電感L和電容C并聯(lián)，構(gòu)成諧振電路。被測體在遠(yuǎn)離線圈的過程中，諧振電路會出現(xiàn)最大阻抗，此時的輸出電壓達(dá)到最大值。被測體靠近線圈的過程，會影響線圈的電感L，形成回路不平衡，電壓下降。由此可見，L的大小與被測體和線圈的距離x有關(guān)，從而得出輸出電壓也與距離有關(guān)。最后，對輸出電壓進(jìn)行放大和濾波，調(diào)整到下一個電路可以接受的電平，圖3.2為調(diào)幅式電路原理圖。圖3.2調(diào)幅式電路原理圖3.1.1系統(tǒng)外部供電電路的設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用直流電壓進(jìn)行外部供電，由于系統(tǒng)體積小、功耗低，所以本文選用LM117作為供電電路的電源。LM117是一個可調(diào)正輸出穩(wěn)壓器，可在一定范圍內(nèi)線性調(diào)節(jié)輸出電壓。本系統(tǒng)使用兩個LM117進(jìn)行兩次電壓轉(zhuǎn)換。電壓從24伏降至17伏，然后降至5伏。這樣即使外部電源電壓變化再大，仍能為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓。如圖3.3所示，LM117的輸出端VOUT接一個1μF的鉭電容，能改善負(fù)載的高頻響應(yīng)；在輸入端VIN接一個0.1μF的鉭電容，可以改善紋波電壓，抑制輸入瞬態(tài)過載電流。圖3.3LM117管腳功能與典型電路渦流電流傳感器的供電電路如圖3.4所示。圖中添加鉭電容E1、E2、E3和E4可以減少引入的低頻干擾。添加電容C1、C2、C3、C4、C11、C12、C13和C14可以補(bǔ)償頻率、抑制電路中的高頻干擾，防止控制器產(chǎn)生高頻自激振蕩。如果在輸入或輸出有短路，D1和D4二極管提供一個放電路徑到電容，這可以防止穩(wěn)壓器損壞。圖3.4傳感器供電電路3.1.2渦流傳感器拾取電路的設(shè)計(jì)信號拾取電路原理如圖3.5所示，主要包括拾取、放大和濾波這三個環(huán)節(jié)?？紤]到通過渦流傳感器線圈采集到的信號較微弱且易受外界干擾，因此要對微弱的信號進(jìn)行一系列的處理，從而輸出標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號。圖3.5信號拾取電路原理框圖對信號進(jìn)行處理時要注意：1）在采集過程中，盡量保持信號的穩(wěn)定性，減少其他的干擾；2）放大時應(yīng)抑制共模信號，放大差模信號；3）在濾波過程中，用低頻濾波電路消除高頻干擾。（1）初級放大電路.本文采用三運(yùn)放的儀表放大器對信號進(jìn)行初級放大，通過疊加放大微弱信號來降低噪聲，從而實(shí)現(xiàn)對差模信號的放大和共模信號的抑制。本文選用1.2MHZ帶寬的LM124運(yùn)算放大器，因?yàn)樗哂辛己玫念l率響應(yīng)。如圖3.6所示，本文是由兩級運(yùn)算放大器放大：左側(cè)的U2B和U2C是第一階段對稱的差動放大電路輸入阻抗高、漂移電壓和共模輸出電壓是相等的，而且u2a第二階段差動放大電路。該電路具有差分模電壓增益高、共模抑制功率強(qiáng)、輸出漂移電壓低的優(yōu)點(diǎn)。圖3.6初級放大電路（2）信號的濾波整形干擾信號主要由無線電波、高頻器件、電源和電子元器件引起的干擾組成，如圖3.7所示，次級放大電路，即低通濾波電路，它不僅可以對不必要的高頻信號進(jìn)行濾波，也可以放大所需的信號。圖3.7次級濾波整形電路3.1.3厚度測量電路的設(shè)計(jì)本文選用的LDC1000電感傳感芯片外接電感和諧振電容即可工作，能夠?qū)崿F(xiàn)對LC網(wǎng)絡(luò)電感和阻抗的測量。其典型工作結(jié)構(gòu)圖如圖3.8所示：圖3.8LDC1000系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖3.9所示，LDC1000具有可以連續(xù)輸出掃頻信號的內(nèi)部高頻振蕩器。當(dāng)外部LC網(wǎng)絡(luò)諧振時，LC諧振電路的阻抗達(dá)到峰值，輸出電壓也隨之達(dá)到峰值。因此，為了保持LC網(wǎng)絡(luò)的諧振，可以將輸出引腳處的電壓保持在一定的峰值。圖中右下角是外部電感和諧振電容的等效電路，L201表示電感的電感值，C201是外接的諧振電容。圖3.9測厚原理圖3.2數(shù)據(jù)處理和顯示模塊的電路設(shè)計(jì)3.2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3.10所示，包括調(diào)試口、濾波電路、時鐘電路和復(fù)位電路。左側(cè)P101是一個程序下載接口，分別連接在單片機(jī)的1~5端口；下面是一個濾波電路，共12個電容，一個高電容和一個低電容為一組可以濾除電源的雜波；U102是11.0592M的有源晶振，為外設(shè)的時鐘源，接在26和28端口；U103為復(fù)位電路，外接在RST，為低電平且給處理器的信號時間需大于兩個機(jī)器周期，復(fù)位過程37、38引腳接后備電源，確保RAM的存儲信息不會丟失。圖3.10單片機(jī)最小系統(tǒng)圖3.2.2顯示電路本文顯示模塊選取液晶LCD1602顯示模塊，可以達(dá)到系統(tǒng)要求顯示的內(nèi)容，顯示的內(nèi)容非常的直觀，電路里的電阻可以調(diào)節(jié)液晶的背光程度作為，操作方式分為串行或者并行，可以有效的利用單片機(jī)的IO口，硬件設(shè)計(jì)如圖3.11所示。圖3.11顯示電路圖3.2.3存儲電路存儲電路選用4KB可擦除內(nèi)存芯片at24c04。它使用二線串行總線與單片機(jī)通信的標(biāo)稱電流是1mA，最低電壓為2.5V，靜態(tài)電流10uA(5.5V)，芯片中的數(shù)據(jù)可以存儲在很長一段時間甚至在停電的情況下，采用8腳的DIP封裝，使用起來非常方便。圖3.12存儲電路3.2.4時鐘電路時鐘電路選擇渦流充電時鐘芯片DS1302，其設(shè)計(jì)電路比較簡單。根據(jù)通信協(xié)議，我們可以通過三個引腳獲得芯片內(nèi)部寄存器的值，從而獲得分秒數(shù)據(jù)信息，顯示在液晶上。圖3.13時鐘電路4軟件設(shè)計(jì)4.1測厚程序總流程因?yàn)楸粶y信號頻率較低，本文選用晶振為11.0592MHZ的單片機(jī)，能準(zhǔn)確地檢測出低頻信號。同時，為了保證測量精度采用了測周法。圖4.1為測厚系統(tǒng)主要流程圖。圖4.1測厚系統(tǒng)主程序流程圖先初始化單片機(jī)的中斷和顯示并對脈沖信號進(jìn)行計(jì)時，本文采用跳沿觸發(fā)式計(jì)數(shù)器T0，第一個脈沖到達(dá)，計(jì)數(shù)器T0開始計(jì)數(shù)，定時器T1開始計(jì)時。為了提高測量精度，在信號板上放置了四塊小磁鐵，被測體每旋轉(zhuǎn)一圈時將產(chǎn)生四個脈沖。當(dāng)T0口計(jì)滿四個脈沖時就會發(fā)生中斷，大約每50毫秒發(fā)生一次中斷，從而計(jì)算出厚度并發(fā)送至顯示程序。厚度數(shù)據(jù)通過數(shù)碼管實(shí)時顯示，同時，數(shù)據(jù)也會完整的保存在AT24C04中。4.2各模塊初始化子程序在程序開始之前，需要給寄存器分配初始化值以保證程序的正常運(yùn)行，考慮到初始化過程中可能會出現(xiàn)意外中斷的情況，因此會在初始化后打開總中斷。各模塊初始化程序框架如下圖4.2所示：圖4.2系統(tǒng)各部分初始化流程圖在程序開始時，定時器和終端寄存器初始化方式如下：（1）對TMOD賦值0X01，來確定定時器0的工作方式為1（2）計(jì)算初值，并將初值寫入THO=(65536-45872)/256，TL0=（62236-45872）/256（3）選擇中斷形式，將給ET0設(shè)定為1，開啟定時中斷（4）使TR0置位為1，啟動定時器0開始定時表4.1寄存器TMOD工作方式M1M0工作方式00方式0為13位定時器/計(jì)數(shù)器01方式1，為16位定時器/計(jì)數(shù)器10方式2，8位初值自動重裝的8位定時器/計(jì)數(shù)器11方式3，僅適用于T0，分為兩個8位計(jì)數(shù)器I2C可以同步傳輸數(shù)據(jù)，其總線接口由SCL和SDA構(gòu)成，在傳輸信息時要注意，當(dāng)SCL=0時，SDA信號可以改變，當(dāng)SCL=1時，SDA數(shù)據(jù)不能改變。單片機(jī)主芯片與串行口通信時，需要初始化單邊機(jī)與串行口相關(guān)的一些主寄存器，包括傳輸比特率T1和控制寄存器SCON的中斷設(shè)置。具體操作如下：1）設(shè)置一個TMOD寄存器；2）計(jì)算出TH1和TL1的數(shù)值，并放入定時器3）打開定時器，并對TR1賦值4）設(shè)置SCON寄存器中的SM0和SM15）在中斷程序開始前，編輯相的關(guān)寄存器5設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)基于電渦流傳感器的厚度測量是為了測量物體的厚度，并能快速讀取被測物體的厚度。這個設(shè)計(jì)主要包括了電渦流傳感器數(shù)據(jù)采集、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理和顯示屏數(shù)據(jù)顯示。通過電渦流傳感器厚度測量裝置的研究，查閱了很多與該課題有關(guān)的資料，學(xué)習(xí)如何使用各個硬件模塊，并理解這些硬件的使用方法，為完成設(shè)計(jì)，不斷對設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試，最終完成了課題的設(shè)計(jì)。本課題設(shè)計(jì)的電渦流傳感器厚度測量裝置功能和效果總結(jié)如下：（1）設(shè)計(jì)好的電渦流傳感器厚度測量裝置可以準(zhǔn)確測量出物體的實(shí)際厚度。（2）測量到的數(shù)據(jù)可以實(shí)時顯示到oled顯示屏上，且數(shù)據(jù)穩(wěn)定。（3）設(shè)計(jì)好的電渦流傳感器厚度測量裝置分辨率為0.01mm，測量的誤差小于0.05mm，達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期要求。參考文獻(xiàn)[1]牟迪,陸天煒.基于電渦流傳感器的滑動軸承油膜厚度測量方法[J].機(jī)械工程