《機械工程測試技術》課程論文：基于電渦流傳感器的厚度測量設計目錄TOC\o"1-2"\h\u223021引言 1124082總體方案設計 1326363系統硬件設計 2241053.1渦流傳感器電路設計 220873.2數據處理和顯示模塊的電路設計 6318844軟件設計 8150934.1測厚程序總流程 853414.2各模塊初始化子程序 8204575設計總結 927628參考文獻 9摘要：本文設計的厚度測量系統采用無損、非接觸的電渦流檢測技術，設計相應電感檢測線圈及相應的諧振電容，并以LDC1000型電感數字轉換器芯片以及C8051F120單片機為控制核心，實現對系統的控制。其次在完成硬件設計的基礎上，使用C語言進行嵌入式編程，在實現檢測的同時以串口方式將測量值傳輸至PC機顯示。最后根據測量原理對該系統進行了誤差分析。關鍵詞：厚度測量；電渦流傳感器；單片機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域，測量精度需要毫米級的，在生產產品時，需要測量產品的精度來保證產品的質量。例如：在五金行業里，生產工件需要保證所生產的工件達到預期的精度，如果所生產的工件不能達到預期的精度要求，那么這件產品相當于一件廢品，為了測量出產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，而傳統的卡尺有讀數麻煩、讀數容易出錯和工作效率低等缺點。本文研究設計了一款基于電渦流傳感器的厚度測量裝置，該裝置測量數據是直接通過顯示模塊來顯示厚度測量所得的數據，不需人工計算數據，避免讀數出錯，可以節省人力及大大提高工作效率。2總體方案設計如圖2.1所示，厚度測量系統的總體設計應包括信號模塊、厚度模塊、單片機數據處理模塊、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動量等效轉換為電流量，再通過信號調理模塊將電流信號等效轉換為電壓信號，并將其濾波、放大發送給C8051F120進行數據處理，最后將厚度等數據顯示在顯示屏上或發送到上位機中。圖2.1厚度測量系統總體方案設計圖厚度測量模塊由探頭、延伸電纜和被測體構成。探頭和后續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。當高頻電流引入線圈時，線圈會產生交變磁場，此時，被測導體靠近該磁場，導體內部就會產生渦流。渦流產生的磁場與線圈產生的磁場方向相反，所以會削弱線圈的磁場強度，而降低線圈的電感量。當被測物體的厚度發生變化時，此時傳感器探頭與線圈的距離發生變化，相應的，線圈電感量也隨之發生變化，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。當被測體的轉動時，線圈會產生一個微弱的電流信號，然而由于采集來的信號強度太弱，不能直接輸出到單片機中，還需要進行信號調理，將其轉換為一個標準電壓信號，信號調理主要包括采集、放大和濾波這三個環節，通過三運放的儀表放大器進行初級放大，再通過低通濾波器進行次級放大。數據處理和顯示模塊包括C8051F120單片機主控芯片和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生規律性的變化，進而使線圈阻抗也隨之周期性變化，在經過放大電路、濾波電路、信號轉換電路處理后，最終形成周期信號輸入到單片機進行數據處理。3系統硬件設計3.1渦流傳感器電路設計傳感器內部測量電路由穩頻穩幅振蕩器、濾波器、脈沖轉換三部分構成，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。經過檢測、濾波、脈沖轉換等電路，電流信號產生與厚度成正比的頻率信號。圖3.1傳感器功能框圖當測量物體厚度時，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，構成諧振電路。被測體在遠離線圈的過程中，諧振電路會出現最大阻抗，此時的輸出電壓達到最大值。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，從而得出輸出電壓也與距離有關。最后，對輸出電壓進行放大和濾波，調整到下一個電路可以接受的電平，圖3.2為調幅式電路原理圖。圖3.2調幅式電路原理圖3.1.1系統外部供電電路的設計系統采用直流電壓進行外部供電，由于系統體積小、功耗低，所以本文選用LM117作為供電電路的電源。LM117是一個可調正輸出穩壓器，可在一定范圍內線性調節輸出電壓。本系統使用兩個LM117進行兩次電壓轉換。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，仍能為系統提供穩定的電壓。如圖3.3所示，LM117的輸出端VOUT接一個1μF的鉭電容，能改善負載的高頻響應；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可以補償頻率、抑制電路中的高頻干擾，防止控制器產生高頻自激振蕩。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計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節?？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行一系列的處理，從而輸出標準的電壓信號。圖3.5信號拾取電路原理框圖對信號進行處理時要注意：1）在采集過程中，盡量保持信號的穩定性，減少其他的干擾；2）放大時應抑制共模信號，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.本文采用三運放的儀表放大器對信號進行初級放大，通過疊加放大微弱信號來降低噪聲，從而實現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運算放大器，因為它具有良好的頻率響應。如圖3.6所示，本文是由兩級運算放大器放大：左側的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、輸出漂移電壓低的優點。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厚度測量電路的設計本文選用的LDC1000電感傳感芯片外接電感和諧振電容即可工作，能夠實現對LC網絡電感和阻抗的測量。其典型工作結構圖如圖3.8所示：圖3.8LDC1000系統結構簡圖如圖3.9所示，LDC1000具有可以連續輸出掃頻信號的內部高頻振蕩器。當外部LC網絡諧振時，LC諧振電路的阻抗達到峰值，輸出電壓也隨之達到峰值。因此，為了保持LC網絡的諧振，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數據處理和顯示模塊的電路設計3.2.1單片機最小系統單片機最小系統如圖3.10所示，包括調試口、濾波電路、時鐘電路和復位電路。左側P101是一個程序下載接口，分別連接在單片機的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，為外設的時鐘源，接在26和28端口；U103為復位電路，外接在RST，為低電平且給處理器的信號時間需大于兩個機器周期，復位過程37、38引腳接后備電源，確保RAM的存儲信息不會丟失。圖3.10單片機最小系統圖3.2.2顯示電路本文顯示模塊選取液晶LCD1602顯示模塊，可以達到系統要求顯示的內容，顯示的內容非常的直觀，電路里的電阻可以調節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的IO口，硬件設計如圖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可擦除內存芯片at24c04。它使用二線串行總線與單片機通信的標稱電流是1mA，最低電壓為2.5V，靜態電流10uA(5.5V)，芯片中的數據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，其設計電路比較簡單。根據通信協議，我們可以通過三個引腳獲得芯片內部寄存器的值，從而獲得分秒數據信息，顯示在液晶上。圖3.13時鐘電路4軟件設計4.1測厚程序總流程因為被測信號頻率較低，本文選用晶振為11.0592MHZ的單片機，能準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為測厚系統主要流程圖。圖4.1測厚系統主程序流程圖先初始化單片機的中斷和顯示并對脈沖信號進行計時，本文采用跳沿觸發式計數器T0，第一個脈沖到達，計數器T0開始計數，定時器T1開始計時。為了提高測量精度，在信號板上放置了四塊小磁鐵，被測體每旋轉一圈時將產生四個脈沖。當T0口計滿四個脈沖時就會發生中斷，大約每50毫秒發生一次中斷，從而計算出厚度并發送至顯示程序。厚度數據通過數碼管實時顯示，同時，數據也會完整的保存在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行，考慮到初始化過程中可能會出現意外中斷的情況，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/計數器01方式1，為16位定時器/計數器10方式2，8位初值自動重裝的8位定時器/計數器11方式3，僅適用于T0，分為兩個8位計數器I2C可以同步傳輸數據，其總線接口由SCL和SDA構成，在傳輸信息時要注意，當SCL=0時，SDA信號可以改變，當SCL=1時，SDA數據不能改變。單片機主芯片與串行口通信時，需要初始化單邊機與串行口相關的一些主寄存器，包括傳輸比特率T1和控制寄存器SCON的中斷設置。具體操作如下：1）設置一個TMOD寄存器；2）計算出TH1和TL1的數值，并放入定時器3）打開定時器，并對TR1賦值4）設置SCON寄存器中的SM0和SM15）在中斷程序開始前，編輯相的關寄存器5設計總結本設計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。這個設計主要包括了電渦流傳感器數據采集、單片機數據處理和顯示屏數據顯示。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的資料，學習如何使用各個硬件模塊，并理解這些硬件的使用方法，為完成設計，不斷對設計進行調試，最終完成了課題的設計。本課題設計的電渦流傳感器厚度測量裝置功能和效果總結如下：（1）設計好的電渦流傳感器厚度測量裝置可以準確測量出物體的實際厚度。（2）測量到的數據可以實時顯示到oled顯示屏上，且數據穩定。（3）設計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，達到設計的預期要求。參考文獻[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].機械工