深亚微米精度电感位移传感器及测量电路研究

深亚微米精度电感位移传感器及测量电路研究 深亚微米精度电感位移传感器及测量电路 研究 第19卷第6期 2006年12月 传感技术 CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORS Vo1.19No.6 Dec.2006 InductiveDisplacementSensorandItsCircuitwithDeep-SubmicronAccuracy LIUXiao,ZHlAOH,LJUWei-wen,Pu (DepartmentofInstrumentationEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200030,China) Abstract:Aimedattheexistingcircumstancesthattraditionalindnctivedisplacementsensorsanditsmeas— uringsystemscannotsatisfyrequirementsbothinprecisionandinsamplingfrequency,thepaperintro— ducesameasuringmethodforhigh— precisiondynamicdisplacementmeasuring.Usinghal&bridgeinductive sensorsasprobes,basingonintegratedsignal—processingcircuitand?一? Analog-to-Digitalconverter,the systemcombinedhigh-speedover-samplingmethodwithaverage-filteringmethodtofulfilltheprecision measurementofdynamicmicron-displacement.Experimentaldataprovesthatstabilityperformancesbetter than土0.01umwhenspeediSlimitedunder100Hz. Keywords:inductivesensor;dynamicdisplacement;deep— submicron;over-sample;averagefiltering EEACC:7230;7310J 深亚微米精度电感位移传感器及测量电路研究 刘晓,赵辉,刘伟文,俞朴 (上海交通大学检测技术及仪器系,上海200240) 摘要:针对传统电感传感器及其测量系统难于同时满足测量精度和采样速度的现 状,提出一种适合动态位移超精测量方 法.采用半桥式电感传感器作测量探头,利用集成信号调理电路和?-?型AD转换 器,将高速过采样和平均滤波有机融和,实 现了动态微位移的精密测量.实验结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,该 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 在保障100Hz速度的前提下, 测量稳定性优于?0.01btm. 关键词:电感传感器;动态位移;深亚微米;过采样;平均滤波 中图分类号:TM932文献标识码:B文章编号:l004-1699(2006)o6-2428-04 随着工业生产水平的不断提高,往往需要对一 些精密位移量进行准确测量,其测量精度需要达到 亚微米或深亚微米级,频率响应一般要求达到100Hz以上.但是国内外的亚微米级的高精度测量系统 大都只适合于静态或准静态测量,或者在满足测量 速度的条件下,测量精度大打折扣. 本文提出一种基于半桥式的电感位移传感器新 方法,采用集成化的信号调理电路,基于单片机的测 量电路和强大的测量软件系统,动态响应达100 Hz,测量精度可以达到0.01m,同时本仪器具有 丰富的键盘和显示功能,实现了友好的人机交互. 1测量系统组成 测量仪由单片机,电感调理电路,采样电路以及 键盘和液晶显示器等组成,系统组成如图1所示.电 感测头将位移的变化转换成线圈电感的变化,通过 信号调理电路转换成直流电压的变化并输出,经过 高精度采样将数字信息传递给单片机进行处理与运 算,最终得到测量结果.该仪器同时具有键盘功能, 大屏幕LCD显示,模拟信号输出,继电器驱动输出, 串行数据输出以及零件尺寸的判断和报警等丰富的 功能. 收稿日期:2005—12—28 作者简介:刘晓(1981一),女,在读硕士生,研究方向为现代转感器和机电检测技术; 赵辉(1965一),男,教授,博士生导师,博士,副主任,自动检测研究所所长,研究方向为 现代传感器机光电测试技术, huizhao@sjtu.edu.cn. 第6期刘晓,赵辉等:深亚微米精度电感位移传感器及测量电路研究2429 A/D—-_^ 采样._一_. ? 堕 片 机 l键盘功能Jl 图1测量系统结构图 2电感传感器 本测量系统采用半桥式电感传感器探头,该结 构具有测量精度高,线形范围广,稳定性好,以及体 积小的优点,结构示意如图2所示[1].探头由两个线 圈串联构成,串联线圈的总电感量作为参考信号输 出且保持不变,而从串联线圈中间引出的单个线圈 的电感量信号随位移的变化而相应的变化,变化关 系如下表达式表示: 9T^. AL一(一1)rZAt一——丁L r1+()(土)]L 0一l_J (1) 式中:h,R,r,均为与线圈和磁芯几何,物理参数 有关的常数;L.为线圈初始电感,t.为铁芯位于该 线圈中的初始长度[2].由此可见,线圈电感量的变化 正比于测杆位移的变化量.并且当测杆上升时, 单个线圈(以下面的线圈为例)阻抗减小,Z—Z一 ?Z;当测杆下降时,线圈阻抗增加Z—Z+?Z. a螺 b c 破测件 (a)传感器结构示意图(b)半桥工作原理 图2半桥式电感探头原理图 3传感器激励与信号调理电路 激励与调理电路的作用,一方面是为电感传感 器提供交流激励信号,另一方面将电感量的变化转 换为电压信号的变化.因此,信号驱动与信号调理电 路性能的好坏直接影响测量精度.经过多方面比较 和实测,确定使用单片集成信号调理器件AD698. AD698的内部组成以及AD698与半桥式电感 传感器的连接方法如图3所示,AD698内部集成有 振荡器,可产生一个正弦信号驱动传感器线圈,振荡 图3AD698结构原理 器产生激励信号的频率和幅值大tb~t,b接电容和电 阻来调节.通过相敏解调电路与滤波电路,将线圈电 压转换成直流信号.AD698采用了低噪声前置放大 器,并采用A/B同步解调方式.A相输入信号(从中 间抽头b引出的单个线圈电感)与铁芯的位置成正 比,从a.c接入B相输入信号(串联线圈总电感)不 随铁芯的位置发生变化,内部振荡器产生的激励信 号同时加载在A相线圈和B相线圈上,此时激励信 ^ 号的漂移和干扰由B相输入体现出来,经过l:t率LJ 解调后,A相中的激励信号的漂移和干扰即可抵消 掉,再经过低通滤波滤掉载波信号,输出一个与电感 变化成正比的直流输出.该检波方式的优点是利用 比例技术来消除振荡器漂移带来的误差[3].这样,大 大提高了温度稳定性和传感器的兼容性,从而保证 了亚微米级位移测量的实现和测量系统的通用性. 4高精度A/D转换 为了实现测量的高精度,宽动态范围,采用了基 于Sigma—Delta技术22bit模数转换芯片 ADS1213.ADS1213内部集成了二阶Delta—Sigma inc.数字低通滤波器,最高可以调制器以及可编程s 实现22bit无差错编码[4].数字滤波器的作用,一是 起到抗混叠滤波器的作用,二是滤除Delta—Sigma 调制器在噪声整形过程中产生的高频噪声.其频率 响应特性与模数转换器的数据输出速率有关[5制. ADS1213有四个通道的差动输入,可以接受 0,5V的信号输入.因此经AD698调理后的一5, 5V的模拟信号需要经过偏压处理.我们使用 ADS1213的偏压输出来偏置输入信号,其输出电压 为参考电压的1.33倍(3.3V).将输入信号按如图 5所示电路偏置后,ADS1213的IN+端信号范围为 2430传感技术2006互 O,4V.为了使系统的噪声对采样的影响达到最小, ADS1213差分输入的负端IN一也经过相同的偏压 处理连接至地,这样就实现了对地信号的差动采样. A/D转换电路的硬件连接图见图4所示. ADS1213 输入信InP1REFin__1叫TG?INInN1REFoutAGND AVDD+5VMC1403 vb接单片机 DRDY一INT0 CSSDOU1-----------——P10 DSYNCSDIO一P11 MODESCLK一P12 DGNDDVDD+5V 图4ADS1213的电路图 5抗干扰 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 为了进一步提高测量精度和稳定性,采取一些 其他措施,包括[7]:?充分考虑电源对单片机的影 响,给电源电压增加稳压器和滤波电路;用磁珠隔离 数字电源和模拟电源;电路板上每个IC电源线和地 线之间跨接一个0.01,O.1F高频电容.?电路 板合理分区,如强,弱信号,数字,模拟信号.把干扰 源(本系统有一片DC—DC升压器件,会带来高频 干扰)与敏感器件(如模拟信号部分)远离.?用地 线把数字部分与模拟部分隔离;数字地与模拟地要 分离,在AD器件的底部一点连接.?注意晶振布 线,晶振与单片机引脚尽量靠近,用地线把时钟区隔 离起来.?采用多层电路板,增加屏蔽层,提高抗干 扰能力.?增加软件滤波,进一步提高系统稳定性 和精度. 6测试结果与 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 (1)信号不同输入方式的测量结果 分别记录ADS1213在模拟信号输入端IN一接 地(即单端输入)和经过.偏压(即差分输入)两种 方式下的采样结果,结果如图5.可以看出,单端输 入时的采样结果波动范围达0.15m,而差分输入 的采样波动范围降低到0.04m.可见,采用差分输 入接法极大地提高了采样精度. (2)重复精度测试 为了进一步提高采样的重复精度,我们使用了 过采样和平均值相结合的方法.图6(a)为采样信号 的频谱图,可以看出在1000Hz内,信号噪声成均 匀的白噪声分布,量化噪声以及系统的噪声相对白 噪声均不明显,因此ADC内低通数字滤波器的增 (bHN?接地信号偏压一差分输入 图5不同信号接入方式采样结果比较 多陷波的效果不再显着[8].考虑到平均值法对滤除 白噪声有相对良好的效果,所以我们增大了ADC 的抽取率,使得数据输出速率提高到1000Hz,然 后对每1O个样本进行平滑平均滤波处理,最终仍然 以100Hz频率输出处理过的数据,并进行显示和存 储.1000Hz的采样结果和平均值滤波处理过的结 果曲线如图6(a),6(b)所示.可见,经过平均值处理 以后,采样信号的波动范围稳定在0.01m,实现深 亚微米的动态测量. 图6平均值法对精度的改善 (3)测量范围与线性测试 为了测试传感器本身的测量范围及其线性,采 用日本东京精密SE-10A激光干涉仪为基准,利用 蔡氏万工显精密导轨为导向,在不修正条件下对传 感器进行全量程检定,间隔为0.1mm,检定结果见 表1,误差曲线如图7所示.可以看出,在不修正条 件下,在一定范围内(约为?0.5mm),传感器具有 良好的线性,非线性约为0.03FS.当测量范围扩 大后,非线性误差增大.因此,可以根据不同的测量 精度要求,选择测量范围. 在电子测量仪部分,由于采样了全量程智能修 正技术,可以保证在?1mm的全量程范围内,非线lOl(OO OO ? 第6期刘晓,赵辉等:深亚微米精度电感位移传感器及测量电路研究2431 性误差不超过0.1FS. 表1传感器全量程检定结果 , ,,_一,. /\ /\/\ /\/, || ll , 图7传感器非线性测试(不修正条件下) 7结束语 本文提出一种半桥式电感传感器,采用集成信 …】…】…】…】… (上接第2427页) 用IC工艺制作,为下一代无线通讯和天线集成具有 重要的参考价值. 参考文献: 1-1]SenguptaDLResonantFrequencyofaTunableRectangular PatchAntenna[D].ElectronLetter,1984,20(15):614—615. 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