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摘要：基于電感式傳感器測量磁芯位移的原理，以單片機和FPGA為控制中心，由DDS產(chǎn)生的正弦信號經(jīng)差分放大，并經(jīng)過差動變壓器的差分耦合，對兩路輸出信號放大整流后，采集數(shù)據(jù)，對所得的數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)了磁芯位移的精確測量。本裝置可測量的位移范圍為-20～20 mm，絕對誤差不大于0．5 mm，C點的波形無失真，A、B點輸出的直流波形無波動，滿足測量范圍從-10～10 mm，絕對誤差不大于2 mm，并且采用直流電機驅(qū)動磁棒移動，控制磁棒達到設(shè)定位移，位移絕對誤差不大于0．5 mm。采用液晶顯示和按鍵，實現(xiàn)了人機交互。此外還采取各種抗干擾措施，來提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：DDS；差動變壓器；有效值檢波；位移
位移傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)和控制領(lǐng)域，如過程檢測、物理測量和自動控制等。由于其測量精度不高，往往滿足不了社會需求，也限制了傳感器的應(yīng)用。因此，這里設(shè)計了一套基于單片機和FPGA的位移測量裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的精度測量，同時也能夠達到較高的線性度，能夠在各種惡劣環(huán)境下替代人工工作，實現(xiàn)較高精度的測量，并具有一定的實用價值。
1 整體設(shè)計方案及實現(xiàn)框圖
系統(tǒng)整體實現(xiàn)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(shù)據(jù)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變壓器，差動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(shù)據(jù)經(jīng)處理單元處理后在LCD上顯示測得的位移量。
2 理論分析與計算
2．1 DDS信號產(chǎn)生理論分析
在系統(tǒng)時鐘頻率和相位累加器位數(shù)一定的情況下，輸出波形頻率由頻率控制字決定。設(shè)M為所設(shè)計的相位累加器的位數(shù)，N為頻率控制字，則DDS系統(tǒng)輸出信號的頻率為
實驗中，激勵信號的頻率是100 kHz，采用的時鐘頻率是40 MHz，頻率控制字是24位，相位累加器的位數(shù)是29位。然后經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換器，輸出的信號經(jīng)一個截止頻率是150 kHz的有源低通濾波器輸出，得到穩(wěn)定、連續(xù)平滑的波形。
2．2 數(shù)據(jù)處理方法分析
差動變壓器是開磁路，原、副邊間的互感隨磁芯移動而做相應(yīng)的變化，使輸出的兩次級線圈的電壓隨之發(fā)生變化，將位移的變化轉(zhuǎn)化為輸出的電壓的變化，整流后采集數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理，得到d值，圖2所示為差動變壓器數(shù)據(jù)處理采用查表法：首先采用游標(biāo)卡尺測量若干組位移值，測量的組數(shù)根據(jù)測量范圍以及測量結(jié)果來確定，并記錄下相應(yīng)的d值，繪制成一張表格。在實際測量時，根據(jù)測得的d值通過查表確定位移范圍，并在這一范圍內(nèi)采用分段折線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(shù)據(jù)誤差較小，精度較高。
3 單元模塊電路設(shè)計
3．1 線性可變差動變壓器的設(shè)計
設(shè)計時應(yīng)該考慮以下兩方面因素：1)能保證銜鐵工作時不會超出線圈之外；2)差動變壓器靈敏度。當(dāng)按匝數(shù)增加時，可使靈敏度S增加，但按匝數(shù)的增加將受到線圈導(dǎo)線允許電流密度、導(dǎo)線發(fā)熱的散熱情況及磁飽和等因素的約束。
綜合以上分析，線圈分為上、中、下3段式，長度各為2 cm，中間部分線圈為初級線圈，上下兩部分為次級線圈。初、次級線圈的匝數(shù)比均為1：1，與之配套的磁棒長度也為2 cm。此線圈在線性移動范圍內(nèi)效果較好，但是當(dāng)移動到邊緣部分時由于磁力線分散，測得非線性的數(shù)據(jù)，但通過校準(zhǔn)后仍能達到很高的精度。
