實(shí)現單片機和FPGA的位移裝置高精度測量實(shí)用方案

位移傳感器廣泛應用于工業(yè)和控制領(lǐng)域，如過(guò)程檢測、物理測量和自動(dòng)控制等。由于其測量精度不高，往往滿(mǎn)足不了社會(huì )需求，也限制了傳感器的應用。因此，這里設計了一套基于單片機和FPGA的位移測量裝置，也能夠達到較高的線(xiàn)性度，同時(shí)在各種惡劣環(huán)境下替代人工工作，實(shí)現較高精度的測量，并具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 整體設計方案及實(shí)現框圖

系統整體實(shí)現框圖如圖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、數據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(dòng)變壓器，差動(dòng)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，采樣得到的數據經(jīng)處理單元處理后在LCD上顯示測得的位移量。

2 數據處理方法分析

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

3 差分放大電路

選用THS4503來(lái)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(guò)差分放大器放大后輸出一對差分信號為變壓器的初級線(xiàn)圈提供電壓。電源采用±5V雙電源供電，THS4 503的2個(gè)輸出端經(jīng)2個(gè)阻值為12Ω的隔離電阻與變壓器的初級線(xiàn)圈的兩端相連接。具體電路圖如圖3所示。

4 測試內容與結果

在電路調試的過(guò)程中，針對各個(gè)模塊分別進(jìn)行調試，調試結果效果不錯，調試數據表格省略。進(jìn)行整機調試時(shí)，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(wú)失真。A、B 2點(diǎn)的輸出的直流信號無(wú)紋波抖動(dòng)，而且數值準確。對于位移測量，實(shí)驗數據如表l和表2所示。對該位移測量結果進(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(lái)說(shuō)，整個(gè)系統的完成情況較好。

5 結束語(yǔ)

該系統測量位移范圍擴展到-20～20mm，實(shí)際測量到自制差動(dòng)變壓器的近似線(xiàn)性范圍約為-24～24mm，能夠實(shí)現較高的精度測量，同時(shí)也能夠達到不錯的動(dòng)態(tài)范圍，但線(xiàn)性度不是很好，這主要是受線(xiàn)圈繞制的非理想均勻、對稱(chēng)以及鐵芯規格不理想等因素的限制，但通過(guò)軟件校正可大大提高位移測量的精度，而且線(xiàn)性度的穩定性也會(huì )有提高。