具有高精度的懸浮軸振動(dòng)測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)
2.2信號(hào)處理電路
振蕩器、差頻計(jì)數(shù)器、控制電路、單片機(jī)共同組成信號(hào)處理系統(tǒng)。利用懸浮軸的振動(dòng)位移與頻率信號(hào)存在的函數(shù)關(guān)系,將傳感器測(cè)量結(jié)果通過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)的振蕩電路轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào),利用差頻計(jì)數(shù)器進(jìn)行控制計(jì)數(shù),再經(jīng)單片機(jī)處理,最終得到懸浮軸振動(dòng)位移的大小。
2.2.1振蕩電路的選取
電容傳感器輸出的電容變化量通過(guò)振蕩器轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的頻率值,而且,要求電容量在幾十pF的情況下,振蕩器能輸出高達(dá)30 MHz的振蕩頻率,可以采用非對(duì)稱式振蕩電路,它的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
其中,反相器G1,G2選擇了74HC04芯片(六反相器)。RS是保護(hù)電阻,經(jīng)過(guò)硬件電路的調(diào)試,得到RS=20.3 kΩ。Rf是反饋電阻,也是整個(gè)振蕩電路的延時(shí)環(huán)節(jié),它的阻值大小直接影響到振蕩頻率的大小,因此,要合理確定反饋電阻參數(shù)Rf。由于電容傳感器極板間距與振蕩頻率的關(guān)系是:極板間距越大,振蕩器的振蕩頻率越高,計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值越大。為了保證測(cè)量結(jié)果的精確性,當(dāng)極板間距最大時(shí),計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值應(yīng)該達(dá)到滿量程的90%左右。本設(shè)計(jì)采用串行輸入/12位并行輸出的差頻計(jì)數(shù)器,它的計(jì)數(shù)范圍為0~212,計(jì)數(shù)時(shí)間△T應(yīng)略小于采樣周期取100μs,則Rf的參數(shù)確定過(guò)程如下:
2.2.2差頻計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)
差頻計(jì)數(shù)器采用頻率計(jì)數(shù)的方法,外部晶體振蕩器通過(guò)門(mén)控電路得到采樣基準(zhǔn)信號(hào)和計(jì)數(shù)復(fù)位信號(hào),在采樣基準(zhǔn)信號(hào)上升沿來(lái)后計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)使能,計(jì)數(shù)模塊開(kāi)始對(duì)輸入的頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)時(shí)間恰為△T,計(jì)數(shù)復(fù)位信號(hào)用于每一次測(cè)量開(kāi)始時(shí)對(duì)計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行復(fù)位,在計(jì)數(shù)復(fù)位信號(hào)的上升沿將采樣的數(shù)據(jù)結(jié)果鎖存,并清除上次測(cè)量的結(jié)果。計(jì)數(shù)時(shí)一方面考慮到電容傳感器的溫度補(bǔ)償,采用了2個(gè)計(jì)數(shù)器差頻計(jì)數(shù)的方式;另一方面,計(jì)數(shù)器本身由于采樣時(shí)間和計(jì)數(shù)脈沖的不同步性存在±1的計(jì)數(shù)誤差,加上差頻計(jì)數(shù)器由2個(gè)計(jì)數(shù)器構(gòu)成,更增大了計(jì)數(shù)誤差,因此,關(guān)鍵是消除這部分誤差的影響。 假設(shè)兩電容傳感器的容量C,C0經(jīng)振蕩器輸出的頻率信號(hào)分別對(duì)應(yīng)為f,f0,即
f=f(D)+f(t), (7)
f0=f(t), (8)
式中f(D)為振動(dòng)位移引起的頻率變化;f(t)為環(huán)境溫度引起的頻率變化。
這樣,通過(guò)差頻計(jì)數(shù)器的差頻輸出能消除環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響
Δf=f-f0=f(D) (9)
差頻計(jì)數(shù)器的工作原理是在計(jì)數(shù)時(shí)間△T內(nèi)分別對(duì)2個(gè)頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),測(cè)得的脈沖個(gè)數(shù)分別為n,n0,則有
n-n0=(f-f0)△T, (10)
式中n-n0為兩計(jì)數(shù)器的差值。
評(píng)論