相对湿度测量仪设计

2024-05-14

相对湿度测量仪设计（共9篇）

相对湿度测量仪设计篇1

0 引言

随着科学技术的发展和人们生活水平的不断提高,湿度的检测不仅在工业生产过程中广泛应用,而且在农业生产过程中必不可少,特别是在谷物的运输与储存过程中,检测并控制好谷物的湿度具有重要意义。在常规的环境参数中,湿度是很难准确测量的一个参数。传统的谷物测湿方法是通过称量烘干前后谷物的质量来求湿度,这种方法的缺点是测量速度慢。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法,也早已无法满足现代科技发展的精度的要求。近年来,国内外在湿度传感器研发方面取得了长足的进步。湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化和智能化检测的方向迅速发展,将湿度测量技术提高到新的水平[1]。

1 常用湿度传感器的优缺点

湿度传感器就感湿材料而言,大致可以分为3类,即电解质型、半导体陶瓷型和有机高分子聚合物型。高分子湿度传感器虽然起步较晚,但发展迅速,是目前研究最多和应用较广的一类新型湿度传感器,可分为电阻型、电容型、声表面波型和光学型等,并以前两类最为常用。

1.1 电阻式湿度传感器

电阻式湿度传感器的感应速度较快,结构紧凑,而且适应性也优于机械式传感器[2]。现有的电阻式湿度传感器大都采用与敏感层粘着方式,相互保持一定间隔,配置一对极薄的电极并对其间的电阻变化进行测量。湿敏层的电阻一般都相当高,而电阻值过大时湿度传感器输出的测量电路就相当复杂,并且易受外来噪声和漏阻的影响,不能做高精度传感器输出的测量。只有通过增大电极的对向面积或减小电极的间隙,来降低湿度传感器的电阻值。现有的电阻式湿度传感器大都采用照相印刷技术制作电极,尺寸精度受到限制,电极间隙也不可能减小到理想的程度。因此,电阻式湿度传感器的小型化便成为问题。

1.2 电容式湿度传感器

电容式湿度传感器作为第3代湿度传感器的代表,以其测量范围宽、响应速度快、温漂小、稳定性好和使用方便等特点,得到了广泛的应用,但目前国内外生产的产品普遍存在着价格昂贵这一不利因素[3]。

本文根据谷物的介电常数随谷物湿度变化而改变的特性,采用湿度传感器的传统工艺,研制出了性能较为理想的廉价电容式湿度传感器。

2 湿度传感器的原理

随着湿度传感器技术的飞快发展,其测量的原理也得到了充分的完善。湿度传感器分为水分子亲和力型湿度传感器与非水分子亲力型湿度传感器。水分子亲和力型湿度传感器是利用水分子有较大的偶极矩、易于吸附在固体表面并渗透到固体内部的特性制成的湿度传感器。其测量原理是感湿材料在吸湿或脱湿过程改变其自身的性能,从而构成不同类型的湿度传感器。

非水分子亲和力型湿度传感器主要的测量原理为:利用潮湿空气和干燥空气的热传导之差来测定湿度;利用微波在含水蒸汽的空气中传播,水蒸汽吸收微波使其产生一定的能量损耗,传输损耗的能量与环境空气中的湿度有关,并以此来测定湿度;利用水蒸汽能吸收特定波长的红外线来测定空气中的湿度。

本文研制的谷物湿度传感器属于非水分子亲和力型湿度传感器,主要利用微波在穿过谷物时,谷物吸收微波导致一定的能量损耗及传输损耗的能量与谷物湿度有关的原理制成。

3 系统组成及其工作原理

3.1 谷物的介电特性分析

微波法操作简单,测量精度高,范围广,可以实现在线连续测量,在测量中不会受到物质的颜色和结构等因素的影响。同时,微波的穿透能力很强,能检测物质表层和内部的水分含量,因此微波穿透法测湿获得了广泛的应用[4]。考虑到谷物颗粒结构的不规则性以及测量的是其内部的水分含量,需要一种强穿透力的测量方法,因此微波测量方法是一种比较理想的选择。

把谷物放在室温为23℃的房间内,让其自然干燥(时间长短依每次测量所要求的湿度定)。每次电参量测量之后,用天平称其质量,精度为0.1mg。最后一次电测量之后,放在105℃的烘箱里烘烤16h,以确定其干燥质量(mD)。对于每次测量,都根据其相应的湿质量(mD+mW)和最终的干燥质量(mD)算出相应的湿度[5]。

利用实验室微波测试设备对谷物的介电特性进行分析,最后得出谷物介电常数以及损耗因子与谷物湿度之间的关系。

3.2 湿度传感器的感湿原理

湿度传感器采用的是平板电容器结构,在绝缘基片上用平面工艺分别形成上电极、介质层和下电极。介质层由谷物组成,其介电常数随其相对湿度呈线性关系,即

undefined

式中 εx—材料在不同相对湿度下的介电常数;

ε0—0%RH介电常数;

k—常数;

u—相对湿度;

Cx—元件在不同相对湿度时的电容量;

s—电容极板面积;

d—介质层厚度;

K—静电力常量。

对于一个固定的元件,可以设undefined,则Cx=k1+k2u。

由上式可以看出,Cx与u呈线性关系,从而由传感器电容量的大小即可决定环境中的相对湿度[6]。

3.3 信号转换系统

电容传感器在电路构成中等效于一个电容器件,其电容量随着所测谷物湿度的增大而增大。如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号,常用的方法有两种:一是将该电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中,所产生的正弦波电压信号经整流和直流放大,再A/D转换为数字信号;二是将该湿敏电容置于555振荡电路中,将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号,可直接被计算机所采集。本文采用第2种转换方法。

频率输出的555测量振荡电路如图1所示。集成定时器555芯片外接电阻R4,R2与湿敏电容C,构成了对C的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C的放电回路,并将引脚2和引脚6端相连,引入到片内比较器,便成为一个典型的多谐振荡器,即方波发生器。另外,R1用于平衡温度系数,R3是防止输出短路的保护电阻。

该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下:首先,电源Vs通过R4和R2向C充电,经t充电后, Uc达到芯片内比较器的高触发电平,约为0.67Vs,此时输出引脚3端由高电平突降为低电平;然后,通过R2放电,经t放电时间后,Uc下降到比较器的低触发电平,约为0.33Vs,此时输出引脚3端又由低电平跃升为高电平。如此循环下去形成方波输出。其充放电时间为

t充电=C(R4+R2)ln2

t放电=CR2ln2

因而,输出的方波频率为

F=1/(t充电+t放电)=1/[C(R4+2R2)ln2]

可见,空气湿度通过555测量振荡电路转变为与之呈反比的频率信号[7]。

3.4 信号处理系统

传感器的信号由AT89C51单片机进行采集。AT89C51单片机是一个低功耗和高性能的8位CMOS微处理芯片,片内含4k字节的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128字节的随机存取数据存储器(RAM),40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含两个外中断口,两个16位可编程定时计数器,两个全双工串行通信口。AT89C51单片机可以按照常规方法编程,也可以在线编程。

最后是显示电路,系统发送的数据由AT89C51的串口送入寄存器74LS64,再经8位数据总线双向传送接受器74LS245驱动LED进行数据显示。该模块的功能是对所检测的湿度信号进行显示。

4 结束语

本文将电容式湿度传感器与AT89C51单片机相结合,经硬件电路和软件程序设计形成的自动控制系统能够实现对谷物湿度的实时测量,并根据湿度计算谷物含水量。该系统大大降低了成本,同时达到了一个较高的精度要求。试验证明,该控制系统稳定可靠,能够满足一般谷物湿度测量的要求。由于湿度传感器的测量受环境温度和谷物密度的影响,所以本系统具有一定的局限性。

摘要：通过比较市场上几种湿度传感器的优缺点,对谷物介电特性进行了分析,设计出一种谷物湿度传感器,并论述了谷物湿度测量系统的组成及工作原理。实践证明,该谷物湿度测量系统具有成本低、测量精度高和使用方便等特点,有一定的应用价值。

关键词：湿度传感器,谷物,介电特性

参考文献

[1]高美珍.基于PLC16单片机和HM1500的湿度测量[J].电子工程师,2004,30(10):22.23.

[2]王亚峰,杨清风.电阻式湿度传感器制作工艺的革新[J].计量技术,2007(7):77.78.

[3]秦永和.湿度传感器测试系统[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2003.

[4]杨苹,严珩铭,于文益.基于微波谐振器的谷物湿度检测系统[J].机械工程学报,2007,43(1):229.

[5]尤田束,王春山,叶红.测量谷物颗粒湿度的微波谐振腔法初步研究[J].农业工程学报,1994,10(2):92.93.

[6]卢崇考,周明军.电容式高分子湿敏材料感湿机理探讨及选择方法[C]//东北传感技术研究所第七届学术年会论文集.哈尔滨:东北传感技术研究所科学技术委员会,1996.

[7]林月芳.粮库温湿度测量与防火防盗监测系统[D].北京:中国农业大学,2003.

相对湿度测量仪设计篇2

基于形态学图像处理的逼近段相对位置测量

针对未安装合作光标的目标航天器,设计了应用于交会对接逼近段的基于形态学图像处理的相对位置光学测量方法;基于2个五自由度卫星模拟器建立了实验系统,利用该系统对提出的.方法进行了验证;实验结果的相对测量误差与理论分析一致,证明了该方法的可行性,为进一步实际工程应用提供了依据.

作者：杨庆汤亚锋 YANG Qing TANG Yafeng 作者单位：装备指挥技术学院,航天装备系,北京,101416刊名：装备指挥技术学院学报 ISTIC英文刊名：JOURNAL OF THE ACADEMY OF EQUIPMENT COMMAND & TECHNOLOGY年，卷(期)：19(4)分类号：V448关键词：逼近段形态学图像处理相对位置测量

无线温湿度测量系统设计篇3

关键词：ATmega16,nRF905,SHT10,无线传输

1 引言

随着电子科技的发展, 电子系统的实现方式发生了翻天覆地的变化, 电子系统元件构成由分离元件走向了集成电路, 信号传输方式也由有线传输走向了无线传输。本文以集成电路为核心, 采用无线数据传输方式, 实现了无线温湿度测量系统。

2 系统方案设计

如图1, 图2所示为低功耗无线温湿度测量系统的发送和接收模块的框图。其中图1为无线发送模块, 以Atmega16L[1]为主控制核心, 控制温湿度传感器SHT11采集环境的温湿度, 然后利用nRF905无线传输模块将采集到的温湿度数据发送给温湿度测量无线接收模块进行相应处理。图2为温湿度测量无线接收模块, 以Atmega16L为主控制核心, 利用nRF905无线传输模块接收温湿度数据, 再通过PC模块显示。

3 系统软件设计

系统软件设计包括温湿度测量和无线收发两个部分。对于温度和湿度, 它们并非是急剧变化的物理量, 温湿度的变化往往是缓慢进行的, 因此针对这个特点对于温湿度的测量采集并非需要时时刻刻都在进行。而是每隔T时间 (T根据实际需要而定, 本系统选用1 s) 采集一次, 其余时间由于低功耗的要求使得MCU处于休眠状态。其程序流程如图3所示。其中Atmega16L进入休眠状态是通过对SE编程休眠使能, 并且对SM 2.0编程后进入相应的省电模式状态, 然后通过定时器的计时中断将Atmega16L唤醒, 再进行测量以及数据传输。

对于无线发送而言, 在测量发送数据以后, 应考虑到数据传输的可靠性, 因此加上校验功能, 并且为防止偶然的发送失败带来的不良后果, 采取定时等待, 超时后重发, 收到接收主机命令后才进入休眠的模式。具体流程图如图4所示。对于接收端而言, 所完成的任务是时刻检测无线接收模块, 对于收到的数据进行校验, 如果正确收到数据则无线发送相关指令告知接收端, 使其能够尽快进入休眠省电模式, 并且通过上位机显示温湿度;而接收到错误数据后不做任何处理, 等待接收端再次发送数据。

4 系统测试

本系统分别在A、B、C三个不同环境中测量温湿度, 测量结果和参考数据误差小于1%, 其测试结果和参考数据如下表:

5 结论

该系统采用AVR系列低功耗单片机ATmega16L作为控制芯片, 低功耗芯片nRF905作为无线收发模块, 设计并实现了基于数字温湿度传感器SHT11的温湿度无线测量系统, 由于SHT11具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换等特点, 不仅节省了单片机I/O口资源, 使系统整体设计成本下降, 还提高了测量精度, 同时大大简化了单片机的程序编写。SHT11还具有更优越的信号质量, 更快的反应时间和更灵敏的抗外部干扰能力, 所以该系统较传统温室测量系统在性能上有了很大的提高。

这些低功耗产品使得该系统耗电量小, 并且又特别适合将该系统小型化, 智能化, 仪表化。无线发射功能又代替了人工抄表的繁琐, 使得本系统有着广泛的应用前景。

参考文献

相对湿度测量仪设计篇4

（2课时）

一.知识教学点

1.化学式。

2.相对分子质量。

3.根据化学式的计算。二.重、难、疑点及解决方法

1.重点：书写化学式和理解化学式的含义。2.难点：(1)化学式中各数字的意义。(2)化学式的含义。

3.疑点：如何根据化学概念应用数学工具解决化学问题？

4.解决方法：在复习有关元素名称、符号、相对原子质量的含义的基础上，采用演示练习纠错的方法，通过学生自学、讨论的方式进行教学，培养良好的思维习惯，提高学生化学计算能力。

三.教学步骤(一)明确目标

1.理解化学式的含义，掌握其应用。2.了解相对分子质量的概念。3.初步掌握根据化学式的计算。(二)整体感知

本节教学内容分为两部分。第一部分是有关化学式、相对分子质量概念的教学；第二部分是有关化学式计算的教学。这为下面学习根据化学方程式的计算作好了准备，同时也深化了对前面所学分子、原子、元素、元素符号等概念的认识和综合运用。(三)教学过程

[导入]：我们已经知道，元素可用元素符号来表示。那么，由元素组成的各种单质和化合物怎样来表示呢？

[学生活动]：阅读教材第四节第二段，并讨论，得出化学式的概念。[板书]：一.化学式

1.概念：用元素符号来表示物质组成的式子。

[强调]：化学式并不是凭空写出来的，而是前人经过多次的精密实验，测定物质的组成，然后再经过推算得出来的。一种物质只能用一个化学式来表示，如可以用O2、、H2O、MgO、NaCl来表示氧气、二氧化碳、水、氧化镁、氯化钠的组成。

[设问]：“H2O”除了能表示这种物质外，还可以表示什么意义? [学生活动]：阅读教材，归纳总结化学式的意义。[小结]：1.表示水。

2.表示水由氢元素和氧元素组成。3.表示一个水分子。

4.表示一个水分子有2个氢原子和1个氧原子构成。

[板书]：2.意义：

（1）表示一种物质。

（2）表示组成这种物质的元素。（3）表示构成物质的一个分子。（4）表示构成这种分子的原子。

[教师提问] 如何正确书写化学式？

[学生活动]：阅读教材，讨论，得出结论。[板书]：3.化学式的写法（1）化合物化学式的写法

①氧化物：氧元素符号写右边，另一种元素符号写左边。如：CO2、SO2、Fe3O4等。②金属与非金属元素组成的化合物的写法：金属元素写左边，非金属元素写右边。如：ZnS、NaCl等。

③二种元素组成的化合物的写法：根据读法，一般从右向左读作“某化某”，先读后写，后读先写。如：P2O5、NO2、CO等。

（2）单质化学式的写法：

①气态非金属单质，通常是双原子分子。如：H2、O2、N2、Cl2等。②金属单质、固态非金属单质、惰性气体通常就用元素符号来表示它们的化学式。如：Fe、C、Ne、P、S等。

（3）正确认识元素符号右下角数字和元素符号前面数字的意义： ①前面的数字表示分子的个数。

②右下角数字表示构成分子的原子的个数。（以CuSO4•5H2O为例）[练习]：指出下列符号所表示的意义

(1)H表示和。(2)2H表示。

(3)表示、、、。(4)2表示。(5)4H2O表示。

[教师设问]：用H2O表示水的组成，即一个水分子是由两个氢原子和一个氧原子构成的。那么，水分子的质量是否可以用氢原子的质量和氧原子的质量来表示呢？

[学生活动]：阅读教材，思考，得出相对分子质量的概念及计算方法。[板书]：二.相对分子质量

概念：化学式中各原子的相对原子质量的总和。国际单位为“一”，符号为“1”(单位一般不写出)。

[练习巩固]：根据化学式可以进行如下计算：

例：已知硫酸铵的化学式为(NH4)2SO

4求：(1)硫酸铵的相对分子质量。

(2)硫酸铵中各元素的原子个数比。

(3)硫酸铵中各元素质量比。

(4)硫酸铵中氮元素的质量分数。

(5)264千克硫酸铵和多少千克硝酸铵(NH4NO3)含氮量相等？

[分析]：在化学式中各相对原于质量之和就是相对分子质量。计算时要注意：①正确书写化学式；②准确理解化学式中和式前的数字的含义；③元素符号之间用“+”号，元素符号与数字之间用“×”号。

[板书]：解：(NH4)2SO4的相对分子质量＝(14+1×4)×2+32+16×4 ＝132 [学生活动]：注意观察并检查自己的运算过程及结果。

[分析]：首先判断(NH4)2SO4中组成元素为N、H、S、O，然后根据化学式中各数字的意义，求出各元素的原子个数比。

[板书]：解：用n表示原子个数，则nN:nH:nS:nO＝2:8:1:4 [分析]：化合物中各元素的质量比，就是组成化合物的各元素的相对原子质量总和之比。要注意元素只讲种类，不讲个数，求各元素质量比时，不能写成2N:8H:S:4O或N2:H8:S:04，要写成：

N:H:S:O=(14×2):(l×8):32:(16×4)＝7:2:8:16 [分析板书]:计算式

化合物中所含该元素的相对原子质量总和某元素的质＝ ×100% 量分数化合物的相对分子质量

注意：原子的个数要写在该元素的前面，而不能写在右下角。1个(NH4)2SO4分子中有2个N原子，很多同学常得出10.6%的错误结果。[板书]： N的相对原子质量×2 N%＝ ×100% ＝21.2%(NH4)2SO4的相对分子质量 [分析]：解此题可先应用表达式：化合物中某元素的质量＝化合物的质量×该元素的质量分数，算出264kg硫酸铵中含氮元素的质量代入上述表达式，借助NH4NO3中氮元素的质量分数，求出NH4NO3的质量，化学计算题一般计算结果保留三位有效数字。

[板书]：解法一： 264kg × 21.2% ＝ 56.Okg

2×14 NH4NO3中N%＝ 100% ＝ 35%

56kg

＝160kg 35% [分析]：还可以把上面过程综合在一起，列一个方程解答。[板书]：解法二：设264kg(NH4)2SO4和xkgNH4NO3含氮量相同。

264kg×2N/(NH4)2SO4×100%＝xkg×2N/NH4NO3×100% 264kg×28/132×100%＝xkg×28/80×100% 解得：x=160 [分析]：1个(NH4)2SO4分子中含2个氮原子，即132份质量的(NH4)2SO4中，有28份质量的氮元素。那么264kg(NH4)2SO4中含氮元素质量为56kg。1个NH4NO3分子中含2个氮原子，即80份质量的NH4NO3中有28份质量的氮元素，若要含56份质量的氮元素，需160份质量的NH4NO3。

[板书]：解法三：设264kg(NH4)2SO4中氮元素的质量为x。

(NH4)2SO4 ～～ 2N 132 28 264kg xkg 132/28 ＝ 264kg/xkg 解得：x ＝ 56kg 设ykg NH4NO3中含氮元素56kg。NH4NO3 ～～ 2N 80 28 ykg 56kg 80/28 ＝ ykg/56kg 解得：y ＝ 160kg [分析]：因为(NH4)2SO4和NH4NO3之间存在一定对应关系，所以可以把上面解法中两式合为一式。

[板书]：解法四：设264kg(NH4)2SO4和xkgNH4NO3含氮量相等。

(NH4)2SO4 ～～ NH4NO3 132 80 264kg xkg 132/80 ＝ 264kg/xkg 解得：x ＝ 160kg [强调]：运算过程中质量单位的选择是任意的，但要求前后统一。

[练习]：①有一种氮的氧化物，其中氮元素与氧元素的质量比是7:20，求该氧化物中氮与氧的原子个数比。②要使Fe2O3和Fe304中含有相同质量的铁元素，则两者质量比为多少？

[学生活动]：依据化学概念，运用数学工具解决化学问题，注意格式。(四)总结、扩展

1.化学式的书写可归纳为：金属左，非金属右，氧化物中氧在后，原子个数不能漏，原子个数写在元素符号的右下角，如果是1可略去不写，如果两种都是由非金属元素组成物质的化学式，按习惯写，有些氢化物氢写前面，如：H2O；有些物质氢写在后面，如：NH3，同时先读的后写，后读的先写。

2.化学式表示的意义：（上面板书）

化学式既有宏观，又有微观，还有量的意义。通过化学式可以进行如下计算：(1)物质的相对分子质量。

(2)物质中各元素的原子或离子个数比。

(3)通过化学式可以计算组成物质的各元素的质量比。

(4)通过化学式可以计算出纯净物质中某一元素的质量分数或元素的质量。计算式为：

某元素相对原子化学式中该元素的原

质量子个数某元素的质量＝ × 100% 分数物质的相对分子质量某元素的质量＝物质的质量 × 某元素的质量分数

各元素的质量比

＝各元素原子个数之比

各元素的相对原子质量之比

四.布置作业

1.教材第二章第四节习题1—5题。

相对湿度测量仪设计篇5

随着物联网的发展, 传感器技术应用领域越来越广泛。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。为了提高对温湿度传感器的深入研究, 基于物联网技术设计了本装置。

1系统原理及组成框图

本装置主要由USB接口转换器、STM32F103单片机、Si7005温湿度传感器几部分组成。它的USB接口可以方便地和上位机或其他物联网系统相连接组成物联网的组件。如图1所示。

2单片机的选型和电路设计

单片机是本装置的核心部件, 一方面它要和温湿度传感器进行通信, 获取实时的温湿度数据, 另一方面它还要通过串口和CP2102进行通信, 将数据传输到上位机或物联网系统。我们选用的STM32F103单片机是一款专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARM Cortex-M3内核单片机, 具有性能高、外设丰富、超强抗干扰等优点, 是目前同类技术中性价比较高的产品。其电路设计如图2。

3 USB接口电路设计

USB接口芯片我们选用CP2102, 其集成度高, 内置USB2.0全速功能控制器、USB收发器、晶体振荡器、EEPROM及异步串行数据总线 (UART) , 支持调制解调器全功能信号, 无需任何外部的USB器件。内含时钟电路, 无需外接电路器, 内含上电复位电路, 片内电压调节可输出3.3V电压。其电路设计如图3。

4温湿度传感器及其电路设计

温湿度传感器我们采用美国SILABS的Si7005, 它是一个将湿度和温度传感器元件、一个模拟-数字转换器和信号处理功能集成到单片集成的CMOS传感器IC。温度传感器和湿度传感器都经过工厂校准并且校准数据存储在片上非易失性存储器中。精度高、性能稳定、采用I2C通信接口, 宽工作电压范围 (2.1-3.6V) 。其电路设计如图4。

5软件设计

本装置只要接入USB端口, 安装好驱动, 就可以通过USB接口将测量的数据进行上传。程序的整体流程图如图5所示。

6结束语

文章在对温湿度技术进行深入研究的基础上, 全面比较国内外同类产品的技术特点, 合理地确定系统的设计方案。它可以方便的接入到物联网中, 具有广阔的市场空间与发展前景。在文章研制的温湿度测量装置的基础上, 可以再做适当的功能扩展, 使其功能更加完善, 如历史温湿度记录, 温湿度报警等。

摘要：文章利用ST公司的STM32F103单片机结合美国SILABS的Si7005温湿度传感器技术而开发设计了本装置。其中选用的Si7005的优势在于低功耗、尺寸小、测量精度高、抗干扰能力强等优点, 而且价格低廉, 使用寿命长。选用的STM32单片机是一款专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARM Cortex-M3内核单片机, 具有性能高、外设丰富、超强抗干扰等优点, 是目前同类技术中性价比较高的产品。本装置还可以通过USB接口与上位机进行通信, 是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的温湿度测量装置, 具有一定的实用价值。

关键词：温湿度,STM32,USB,传感器,Si7005,CP2102

参考文献

[1]周航慈, 吴文广.基于嵌入式实时操作系统的程序[M].航空航天大学出版社.

[2]彭军.传感器与检测技术[M].西安电子科技大学出版社, 2003:263-315.

[3]DIGITAL I2C HUMIDITY AND TEMPERATURE SENSOR Si7005, SILICON LABS.

相对湿度测量仪设计篇6

温度和湿度与人们的生活息息相关。在工业身产、气象、环保、国防、科研等部门,经常需要对环境温度与湿度进行测量与控制。准确测量温湿度在生物制药、食品加工、造纸等行业更是相关重要的。

科学合理的使用和管理仓库与存储物物资的使用寿命和可靠性是有着直接的联系,保持适当的温度和湿度是仓库的注意事项之一。为了能够顺利完成日常任务,增强检测工作是首当其冲要解决的问题。传统的检测措施过于落后,并且费时费力,控制精度低,实时性差,效率不高,还伴随着一定的危险性。这迫使需要一种使用方便,性能可靠、响应迅速的测量系统,由此本温湿度测量系统出现在人们的生活中。

2 系统软件模块

1)FLASHMEMORY的特性使得嵌入式主控芯片性能更加可靠、速度更快、稳定性更高、性能价格比极高。另外嵌入式处理器芯片特别适合我们学生用来做平常的研究与开发。

2)1602液晶显示器功耗更低、重量更轻、质量更高、操作更加简单方便。故此选择1602液晶作为显示模块。

3)DHT11传感器普遍用于各种测试及检测设备、汽车、家电等应用领域。综合考虑到整体系统的可靠性和及时性以及稳定性,DHT11传感器更加适合。

4)嵌入式ARM2000系列的芯片有32个I/O口资源充足以及该系统要操作简单,便于实现等因素,独立式键盘更加符合本设计的需求。

5)压电式蜂鸣器灵敏度高、功耗低、可靠性高以及性价比高。因此本系统设计中压电式蜂鸣器是首选方案。

3 主要系统硬件设计简介

3.1 硬件设计模块详述

1)嵌入式ARM最小系统,是整个主控模块的核心部件,充当着“大脑”的角色;2)LCD显示模块,通电后就可显示字符,使用方便且稳定;3)键盘输入模块,可以更加简便地设置仓库温度与湿度的阈值;

3.2 主要硬件模块图设计

4 实物仿真

系统软件调试可以先编写显示程序并进行硬件的正确性检验,然后分别进行主程序、各个子程序的编程及调试,最后将编译好的程序生成hex文件后加载给嵌入式ARM芯片,点击运行按钮即可看到实时仿真结果。

摘要：利用嵌入式芯片作为整体系统的主控芯片。并发布指令给DHT11数字式复合型传感器进行数据采集,用1602 LCD实时显示所采集得到的数据。用独立式键盘来设置阈值并与所得数据比较。如果超出范

关键词：单片机,传感器,液晶,阈值,蜂鸣器

参考文献

[1]马钧钊.基于嵌入式WEB的烟草仓库智能监控系统[D].南昌:华东交通大学,2013.

[2]何瑞平.基于嵌入式和虚拟仪器技术的无线粮仓监测系统的设计与实现[D].西安:西北大学,2014.

多基准相对测量篇7

关键词：测量基准,标尺,凹型,水准仪,多基准

1 概述

北方重工集团有限公司为河南舞阳钢厂生产的产品号:M19273、图号:WY6503的试样剪, 它广泛服务于钢铁、锅炉、造船等相关企业用于剪钢坯及钢板的试样。目的是把试样件剪切成合乎要求的试样块.试样块主要用来检测产品的质量.其过程是试样边从定尺剪的废料槽中滑落, 落到分配运输链上, 自分配运输链后, 试样被运输到试样辊道上, 两个试样辊道与一横移机构相连的, 在辊道之后, 试样块被运送到试样剪, 在试样剪上剪下试样.试样通过溜槽上的导板落到试样运输链上, 并被运输到试样斗中, 其余材料是废料。在试样剪装配即将结束的时候, 英国监检人员在原无检验计划的情况下, 要求质检部门测量设备基础至剪刃的距离, 它关系到试样剪刃的更换, 试样剪剪刃间隙的调整, 试样废料的处理, 但该产品除送料装置没安装外, 其他部件都已安装完毕, 用常规测量设备根本无法测量。在这种情况下, 我们测试人员经过讨论, 敢于创新, 决定用水准仪进行测量, 采用三次安装水准仪、模拟多个测量基准、用两个标尺的方法, 采集测量数据, 经过数据处理来完成此次测量任务。用户对测量结果非常满意。

2 问题所在

测量试样剪基础至剪刃的距离。通常测量剪刃至安装基础的距离都是在机械加工后、装配过程中测量。因原检验计划中无此要求, 而是在整个设备装配即将结束时, 英国监检人员突然提出要求测量试样剪基础至剪刃的距离。我们工作人员到达设备安装现场, 经过观察, 粗略测量, 发现主要存在以下问题:2.1该设备为了防止剪切力引起基座位移, 主机座安装在具有凹型的基础上, 周边空隙宽度不超过12mm, 没有放测量标尺基座的位置, 则无测量基准。2.2凹型基础表面平面度不好, 存在接刀台阶, 无法确定安装基准。2.3凹型基础在设备的后部, 而剪刃在“C”型架的开口处。2.4又因为剪刃在“C”型架处, 剪刃其向上空间仅有520mm, 所以不能放足够长度 (大于1820mm) 的标尺, 无法用常规测量方法测出高度差。

3 制定工作方案

3.1 利用水准仪和新的测试技术, 提高测量精度, 以测得准确的技术参数, 达到测量结果正确无误。3.2根据设计要求计算出基础至剪刃的距离应为1820mm (允许加10mm调整垫板) 。3.3我们采用在不同方位三次安装水准仪, 多基准相对测量的方法, 完成此次测量任务。

4 提出各种方案并确定最佳方案

方案1:内经千分尺、平尺、平板法测量。将基座放在平板上, 平尺放在剪刃上, 用内径千分尺测量平尺到基础的距离。这种方法必须将装配好的试样剪拆卸, 测量完重新装配。严重浪费工时, 影响生产周期。方案2:水准仪、钢直尺多基准测量法。用水准仪测量, 采用多基准相对测量, 用钢直尺作测量标尺, 达到测量剪刃到基础的距离的目的。方案3:水准仪、卡尺多基准测量法。用水准仪测量, 采用多基准相对测量, 用游标卡尺和深度游标尺作测量标尺, 提高分度数, 则提高测量剪刃到基础的距离的测量精度。

5 制定测量方法

5.1 第一次安装水准仪, 首先确定安装基面;测量基准面, 选择安装送料装置的平面作为测量基准面一, 测出测量基准面一至安装基面的高度差Y1。5.2第二次安装水准仪, 选取靠近刀刃的另一平面作为测量基准面二, 测得测量基准一到测量基准二的高度差Y2。5.3第三次安装水准仪, 测量刀刃的水平, 经调整使其水平。测量刀刃至中间基准二的高度差Y3。5.4测量时测量标尺采用2000mm卡尺尺身及500mm深度卡尺, 提高分度数, 保证测量结果的准确度。5.5计算刀刃至安装基础的距离:Y=Y1+Y2+Y3。水准仪、经纬仪使用的必要性。5.5.1解决重型 (大型) 工件的形位工差的测量。5.5.2验证设备安装基础的定位点 (线) 的准确度。5.5.3为保证零件形位公差的正确性、产品正确装配及现场安装。

6 按对策实施

6.1 将水准仪安装在可测量到‘安装基面’和‘测量基准面1’的位置, 将500mm深度卡尺分别垂直放在‘安装基面’和‘测量基准面1’上, 读得标尺读数。以安装基面的高点作为安装基准, 计算其差值为Y1。6.2将水准仪安装在可测量到‘测量基准面1’和‘测量基准面2’的位置, 将2000mm游标卡尺分别垂直放在‘测量基准面1’和‘测量基准面2’上, 读得标尺读数。计算其差值为Y2。6.3将水准仪安装在可测量到‘剪刃’和‘测量基准面2’的位置, 将500mm深度卡尺分别垂直放在‘测量基准面2’和‘剪刃’上面, 读得标尺读数。计算其差值为Y3。6.4计算刀刃至基础的距离Y=Y1+Y2+Y3。检测报告:产品:试样剪;产品号:M19273 (1-1台) ;图号:WY6503;检测项目:剪刀刃平面至安装基面的距离。 (图1) 检测结果:安装基准面至测量基准面1的距离:Y1=469.3-469.9=-0.60mm;测量基准面2至测量基准面1的距离:Y2=1956-421.8=1534.2mm;剪刃面至测量基准面2的距离:Y3=446.4-161.8=284.6mm;剪刃面至安装基准面的距离:Y=Y1+Y2+Y3=1534.2+284.6+ (-0.60) =1818.2mm。符合要求。经过我们精心的测试, 结果完全达到工艺技术要求, 实现了测量数据与图样尺寸的吻合, 达到测量目标, 受到英国专家及质检人员的好评, 测试方法达到国内先进水平。

7 结论

通过这次安装检测, 采用水准仪进行测量, 充分发挥了它们的结构特点和我们的工作能力, 工作时能达到简洁、快速、准确。由于在检测中积累了一些工作经验, 对我们的未来的高精尖检测工作充满信心, 提高检测水平, 适应企业需要。

该测量成果, 完全可以推广到其他重型机器制造过程中的机械加工、产品装配、现场安装等高度差测量过程中。不但可起到检验的作用, 还可以起到指导工艺的作用。提高了我公司的测量水平。充分利用先进的测量技术, 不断创新, 继续探索, 持续改进测量方法, 努力设计出高水平的测量过程。

参考文献

[1]黄福芸, 刘瑞清, 王世喧, 席德雄.计量知识手册[M].北京:中国林业出版社, 1988, 11, 1.

多传感器的高精度湿度测量仪篇8

空气湿度与人类密切相关,人们的日常生活、生产活动以及动植物的生产和生存都与周围环境的湿度息息相关。相对于其他环境参数,湿度是最难准确测量的要素之一。温度是独立的被测量,而湿度却要受其他因素(大气压强或温度)的影响。传统的湿度测量大多采用有线测控系统,降低系统的灵活性、可维护性与可扩展性[1]。

无线自组传感器网络集传感器技术和网络通讯技术于一身,涉及信息采集、处理和传输等技术,在军事、工业、医疗、交通和民用等诸多方面都潜在巨大的应用价值[2]。为此,利用多传感器融合实现高精度智能湿度传感器的研制,并利用ZigBee协议栈的无线传输方式构建无线传感网络,使高精度湿度传感器成为气象观测系统的一个有效节点。

1 硬件设计

1.1 设计方案

湿度采集系统主要通过多个不同类型的湿度传感器来采集湿度信息。数字输出的智能湿度传感器、电压输出湿度传感器以及电容输出湿度传感器各自构建湿度测量电路,并连接到单片机进行湿度信息的处理和传输。单片机选用兼容IEEE802.15.4的低功耗低成本的JN5121。JN5121模块将采集到的多个湿度信息进行处理和融合后得到高精度的湿度测量值,然后通过ZigBee来建立一个无线自组织传感网络。系统硬件结构图如图1所示。

1.2 传感器模块设计

1.2.1 SHT75数字输出传感器

SHT75是一款集成的温湿度传感器芯片,提供全量程标定的数字输出。相对湿度的测量范围为0～100%,分辨力达0.03%RH,精度为±1.8%RH,迟滞为±1%RH,长期稳定<0.5%RH/YR。温度的测量范围为-40～+123.8℃,分辨力为±0.3k。其测量原理为:首先,利用两只传感器分别产生相对湿度和温度的信号;然后,经过放大分别送至A/D转换器进行模数转换、校准和纠错;最后,通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至μC。

SHT75是4引脚单排直插型芯片,通过二线串行接口电路与微控制器连接。其中,串行时钟输入引脚SCK与JN5121芯片中DIO14口(SIF_CLK)相连。串行数据引脚DATA是三态门结构,与JN5121的DIO15口(SIF_D)相连;DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态,并仅在SCK时钟上升沿有效。因此,微控制器可以在SCK高电平时读取数据,而当其向SHT75发送数据时,则必须保证DATA线上的电平状态在SCK高电平段稳定。为了避免信号冲突,微控制器仅驱动DATA在低电平,在需要输出高电平的时候,微控制器将引脚置为高阻态,并由外部上拉电阻将信号拉至高电平。

1.2.2 HIH4000-003电压输出传感器

HIH4000-003电压输出传感器是一款与相对湿度成线性电压输出的湿度传感器。200μA的工作电流使得该传感器适宜于电池供电系统。相对湿度的测量范围是0～100%,测量的精度为±3.5%RH,迟滞为±3%,稳定性为±0.2%RH/YR,使用的温度范围为-40～+85℃。

HIH4000-003是3引脚单排直插型封装,此传感器输出为电压信号,需要将信号进行模数转换才能连接到微控制器,输出信号连接到高精度模数转换器ADS1218的AIN0口。

传感器需要通过温度补偿和非线性补偿来提高精度。温度测量来自于SHT75,通过读取存贮的零点和线性度校正系数后,利用软件来实现补偿和非线性校准。具体电路如图2所示。

补偿部分为温度补偿,其公式为

TrueRH=SensorRH/(1.030 5+0.000 044T-0.000 001 1T2)

式中,T的单位为℃。

1.2.3 HTS2030SMD电容输出传感器

HTS2030SMD基于电容测量湿度和NTC电阻来测量温度。测量相对湿度范围是1%～99%,10V电压供电。迟滞为±1%,稳定性为±0.5%RH/YR,使用的温度范围为-60～140℃。

采用典型的TLC555时,基电容测量电路如图3所示。传感器与U12的2和6脚相连接。电路通电时,U13通过R14,R15和R16充电;此时,U12第3脚输出高电平;当U13端电位上升至触发电平时,U12第7脚与地短路,U13通过R14和R15放电至截至电平;此时,U12的第3脚输出低电平。充电时间t1为

undefined

放电时间t2为

t2=(R14+R15)Cln2

式中,k为TLC555第5脚电位与电源VCC5V的比值。该值可由连接至TLC555第5脚的电位器R17调节,主要用于TLC555电路内部设计不平衡的补偿,不同品牌的555电路补偿有所不同,仅调节R17的值即可以实现匹配。

相对湿度发生改变时,传感器的电容量也发生变化,由TLC555的第3脚输出频率与相对湿度相对应的方波信号,JN5121的DIO9口(TIM0_CAP)测量输出信号的周期便可知环境的相对湿度。电路输出频率为

由于U13充放电回路的电阻值不同,为求得50%的输出占空比,一般取R15远大于R16。此时,输出频率可简化为

undefined

也可简化为

undefined

补偿部分:在不同的湿度情况下,电容量会有所不同,如表1所示。可以通过以下公式进行修正,即

C(PF)=C@55%×(3.903×10-8×RH3-

8.294×10-6×RH2+2.188×10-3×RH+0.898)

同样也可以选用HC4060来构建LC振荡电路,电路的构成较简单,输出频率为:f=1/2.2RXCX(CX为电容湿度传感器,RX为选择的电阻)。

1.3 MCU模块

该湿度仪采用无线传感网络来实现主机与传感器的通信。基于低功耗低成本的考虑,采用了JN5121的ZigBee无线传感器网络。ZigBee基于IEEE 802.15.4无线标准。802.15.4标准定义了MAC层和PHY层的协议标准,而ZigBee协议栈则定义了网络层、应用层和安全服务层的标准,是一种短距离、低功耗且价格便宜的无线通信技术。

JN5121模块是兼容IEEE802.15.4的低功耗和低成本的微处理器芯片。它集成了32位RISC核心以及完全兼容2.4GHz IEEE802.15.4的收发器、64kB ROM和96kB RAM,为无线传感器网络提供了低成本的解决方案。JN5121使用硬件MAC和高度安全的AES加密,同时也提供了丰富的开关量和模拟量接口作其他应用。

在此湿度测量仪系统中,JN5121处理来自HIH4000的湿度信号、温度传感器的信号、555振荡电路输出的频率和SH75输出的数字湿度信号,并且保存数据。将3个湿度传感器采集到的湿度信息进行处理,得出最优值,最后通过无线网络与主节点进行数据通信。

1.4 其他模块

1.4.1 电源模块

电源模块利用LM1117-3.3为微控制器和MAX3232供电,LM1117-5.0为SHT75,HIH40000, ADS1218和TLC555供电,LM169-10为HTS2030SMD供电。

1.4.2 输入电路

湿敏电容经振荡电路变换后的脉冲频率信号,送入微控制器的定时/计数器T1。

1.4.3 RS-232接口

与上位机通信,如向上位机(主机)发送测量到的数据,接收上位机发来的控制指令,进行参数设置及校准操作。与上位机的通讯指令采用不定长的ASC代码指令,用不同的信令头(SOT)代表不同的控制,并有CRC纠错以保证数据正确传输,信令有统一的结束码(EOT)。

1.4.4 LCD显示

显示屏采用液晶显示器,以降低系统功耗,用于显示湿度的测量值。为了节省微控制器的I/O口资源,采用4位数据线形式。

2 传感器模块软件设计

2.1 SHT75数字输出传感器

向SHT75写数据:在SHT75测量之前,JN5121必须先对其发送对应地址,然后发送命令时序,即向SHT75写入8个数据位,并在第9个SCK周期读取SHT75返回的确认位(0为正确接收,1为接收失败)。根据SHT75二线制工作方式,JN5121应该先输出低电平来触发SHT75,然后输出一位命令数据,再给出SCK高电平触发SHT75锁存数据。当然,JN5121输出的SCL周期必须满足SHT75数据建立和保持最少时间(110ns)的要求。当发送完命令读取SHT75数据线上的返回位,以作为是否重新发送的依据。

读取SHT75测量数据:JN5121先置时钟线为低电平,使SHT75内的锁存器输出数据,并延时一段时间(大于数据稳定输出时间250ns),等待数据稳定,然后再读取数据。以此类推,直到接收完一字节数据为止,且要在第9个时钟给出应答位。

2.2 HIH4000-003电压输出传感器

HIH4000的输出电压通过ADS1218来进行模数转换。信号采集通道不同,可以通过ADS1218的通道参数设定来区分(Multiplexer Control Register的前4位用来选择通道的正极输入,后4位用来选择通道的负极输入)。为了提高数据采集的精度和减少整个测量所需的时间,在1s时间内等间隔采集5次,分别将这5次采集信号送入A/D转换的模拟通道进行转换,从而得到了这些数据所对应的数字量,并将它们存放在一个连续的存储单元中。为了避免外界干扰对数据测量的影响,系统需要对5次转换的结果进行比较,去掉1个最大值和1个最小值,最后对剩下的3个测量结果进行加权求平均,所得的结果作为最终的转换数据保存在存储单元中。在数据采集完全后,读入温度和湿度值,并通过温度补偿和非线性补偿得到校正后的湿度值。流程图如图4所示。

2.3 HTS2030SMD电容输出传感器

频率的测量有很多种方法,这里选用等精度数字测频法。JN5121具有两个16位的定时器/计数器T1和T0,单片机的外部中断功能可方便地实现闸门开关,与被测信号的跳变沿同步,利用单片机的数据运算能力可编制相应的乘除法程序。在t0时刻,系统开始进行初始化,T1和T0分别设置为计数器和定时器来对输入信号与时标信号进行计数,它们的初始值均为0。时标信号的频率在单片机内固定为fc=fosc/12。式中,fosc为单片机的时钟频率。利用外部中断INT1来控制中断,可设置为边沿触发,开放INT1和T0的中断允许。在t1时刻,输入信号的跳变沿产生第1次INT1中断,开放T1和T0的计数闸门,并关闭自身的中断允许。当T0计数满溢出时,可在t2时刻产生T0中断,记录自身的中断次数n,再次开放INT1的中断允许。T0溢出后,将从0开始继续计数,直到t3时刻由输入信号产生第2次INT1中断,然后关闭T1和T0以完成一次测量过程。T1中的计数值代表了输入信号完整的N1个周期。设T0中剩余读数为N2’,则被测信号的频率计算式为fx=N1/[12(65 536n+N2’)/fosc]。

3 结束语

该湿度测量仪由于采用了高性能的JN5121为核心硬件系统,简化了外围接口电路的设计,提高了系统的性价比。选用3款不同形式输出的湿度传感器,将采集到的信号进行融合处理,提高了测量精度。选用ZigBee技术来实现无线传感网络,提高了系统的灵活性。

摘要：介绍了一种湿度测量仪的设计方案,给出了硬件设计的总体框图;详细阐述了3款湿度传感器的信号采集电路;介绍了显示电路、电源模块、通讯接口以及湿度信号采集电路的软件设计。电路设计以高性能的JN5121为核心,简化了外围接口电路的设计,提高了系统的性价比,并利用低功耗、低价格及性能稳定的ZigBee技术构成了无线传感器网络。

关键词：湿度测量仪,ADS1218,JENNIC5121

参考文献

[1]孙宝元,杨宝清.传感器及其应用手册[M].北京:机械工业出版社,2004.

[2]孙利民.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.

[3]贾伯年,俞朴,宋爱国.传感器技术[M].南京:东南大学出版社,2007.

[4]刘迎春,叶湘滨.现代新型传感器原理与应用[M].北京:国防工业出版社,2002.

相对湿度测量仪设计篇9

关键词：相对静止,误差测量,回转误差,激光三角法测量,主轴

0 引言

主轴回转误差是指主轴实际回转轴线对其理想回转轴线的漂移, 主轴回转误差的测量和控制是各种精密设备及大型、高速、重载设备的重要技术问题之一。主轴回转误差的测定可用于机床的状态监测和故障诊断;它可用来预测机床在理想加工条件下所能达到的最小形状误差和粗糙度;还可用于机床加工补偿控制和评价机床主轴的工作精度, 以及判断产生加工误差的原因[1,2]。长期以来, 众多学者在主轴回转误差高精度测量方面做了大量研究工作, 主要方法有[3]:标准球测量法;反转法;Donaldson 法;利用三点法除去圆度误差而间接获得回转运动误差测量法等。根据对结果的处理方法不同, 大致可分为两大类[4]:一类是基于模拟信号处理方法, 这些方法都不同程度的存在着误差大 (一般达10%) 、调整使用困难、后期的测试数据复杂、计算工作量大等缺点;另一类为数模混合型的测试系统, 这类系统可大大减少后期数据处理工作量, 但由于它的整套处理过程仍然是模拟过程, 精度仍依赖于模拟部分的调整精度, 实质上仍属于模拟测试方法。

针对主轴回转误差测量过程中存在的问题, 本文提出相对静止误差测量方法, 即运用多体动力学中的坐标变换理论, 对测试装置所在的坐标系进行适当变换, 使测试装置在被测物体所在的坐标系中保持相对静止。与现有的测量方法相比, 本文提出的测量方法是结合相对静止测量原理, 利用光学三角法, 将位移量的光学信号转换为电信号, 经过计算机数据处理后, 可直接得到回转轴在x和y方向的偏移量, 进而计算出主轴的回转误差, 不需要对测量结果进行复杂的相位分析, 中间测量误差少, 测量精度高。

1 相对静止误差测量原理

如图1所示, 参考系R1、R2均为大地坐标系中的空间任意坐标系, 且参考系R2在大地坐标系中以一定的运动规律运动, 被测物体P是参考系R2中的固定点, 误差测量设备固定在参考系R1中, 以大地坐标系为参照, 在测量过程中, 被测物体与测量设备之间存在相对运动, 在这种情况下通过设备仪器测量运动物体的动态变形量非常困难。

由多体动力学理论可知[5,6,7,8], 运动与静止是相对的, 在不同的参照系中, 原本相对运动的物体, 可通过适当的坐标变换, 在另外一个参考系中保持相对静止[7]。在误差测量过程中, 由于被测物体结构复杂, 不便于进行坐标变换, 因此, 可对测量设备所在的坐标系进行适当的坐标变换, 使测量设备与被测物体在某特定的参考系下保持相对静止的关系。以参考系R2作为参照坐标系, 则被测物体所在的参考系R1相对于参考系R2是相对运动的, 对参考系R1做适当的坐标变换, 可使参考系R1相对于R2保持相对静止的关系, 即达到了使被测物体与测试装置在测量过程中保持相对静止的目的, 以下分析坐标变换的推导过程。

在图1中, 设P为参考系R2中的一点, 考察P沿空间任意曲线C运动的情况, 令o2为R2中的坐标原点, o1为参考系R1中的坐标原点, 位置矢量o1P给定P相对于o1的位置, 位置矢量o2P给定P相对于o2的位置, 位置矢量o1o2给定o2相对于o1的位置, 设n01、n02和n03为R1中的正交单位矢量, n1、n2和n3为R2中的正交单位矢量, 坐标系Y1Y2Y3与单位矢量n01、n02、n03平行, 坐标系X1X2X3与单位矢量n1、n2、n3平行, 坐标系X1X2X3相对于坐标系Y1Y2Y3的方位可用n3和n03之间的相应单位矢量方向的右旋角α、β、γ来给定。

则在参考系R2中, P可表示为

o2P=x1n1+x2n2+x3n3=xinii=1, 2, 3 (1)

其中, 分标量xi为P相对于坐标系X1X2X3的坐标值, 当P在C上运动时, 其坐标是时间t的函数, 即

xi=xi (t) (2)

如认为曲线C由P在R2中的运动确定, 则有

o1P=o1o2+o2P (3)

式 (3) 可视为C的参量方程, P可视为t的函数, 即

o2P=P (t) (4)

在参考系R1中, P可表示为

o1P=y1n01+

y2n02+y3n03=yjn0jj=1, 2, 3 (5)

o2在参考系R1可表示为

o1o2=y′1n01+y′2n02+y′3n03=y′kn0kk=1, 2, 3 (6)

把式 (1) 、式 (5) 、式 (6) 代入式 (3) 得

yjn0j=y′kn0k+xini (7)

式 (7) 对t取导可得

$\begin{array}{l} \frac{d y_{j}}{d t} n_{0 j} + y_{j} \frac{d n_{0 j}}{d t} = \frac{d y^{'}_{k}}{d t} n_{0 k} + \\ y^{'}_{k} \frac{d n_{0 k}}{d t} + \frac{d x_{i}}{d t} n_{i} + x_{i} \frac{d n_{i}}{d t} (8) \end{array}$

因n0j、n0k固定在参考系R1中, 所以:

$\frac{d n_{0 j}}{d t} = 0 \frac{d n_{0 k}}{d t} = 0$ (9)

还是因为ni固定在参考系R2中, 它们在R1的导数可表示为

$\frac{d n_{i}}{d t} =^{R_{1}} ω^{R_{2}} \times n_{i}$ (10)

式中, R1ωR2为参考系R2相对于参考系R1的角速度。

把式 (9) 、式 (10) 代入式 (8) 化简得

$\dot{y}_{j} n_{0 j} = {\dot{y}}^{'}_{k} n_{0 k} + \dot{x}_{i} n_{i} + x_{i} \cdot (^{R_{1}} ω^{R_{2}} \times n_{i})$ (11)

式中, ${\dot{y}}^{'}_{k}$ 为参考系R2相对于参考系R1的运动速度; $\dot{x}_{i}$ 为测量设备在参考系R2的运动速度。

由混合积公式[9]可得

$\dot{y}_{j} n_{0 j} = {\dot{y}}^{'}_{k} n_{0 k} + \dot{x}_{i} n_{i} + n_{i} \cdot (x_{i} \times^{R_{1}} ω^{R_{2}})$ (12)

由文献[5,6,7]可知, 通过坐标变换, ni可用n0j表示为

ni=Si jn0j (13)

式中, Sij为参考系R2与参考系R1的变换矩阵。

把式 (13) 代入式 (12) 化简得

$\dot{y}_{j} n_{0 j} = [{\dot{y}}^{'}_{k} + \dot{x}_{i} S_{i j} + S_{i j} \cdot (x_{i} \times^{R_{1}} ω^{R_{2}})] n_{0 j}$ (14)

其中, $\dot{y}_{j} n_{0 j}$ 为P点在参考系R1中的速度, 设P点在参考系R1中为定点, 则 $\dot{y}_{j} n_{0 j}$ 为零, 因n0j不为零, 所以可得到空间任意点P从变量成为不变量的转换条件为

${\dot{y}}^{'}_{k} + \dot{x}_{i} S_{i j} + S_{i j} \cdot (x_{i} \times^{R_{1}} ω^{R_{2}}) = 0$ (15)

2 相对静止误差测量原理的应用

下面基于激光三角法测试原理和本文提出的相对静止误差测量原理研究主轴回转误差的测量。

2.1激光三角法测试原理[10,11,12]

激光三角法微位移检测技术是利用光学三角法原理, 将位移量的光学信号转换为电信号, 经过计算机数据处理后, 输出测量结果, 其测量原理如图2所示。

一束激光入射到被测工件表面, 其入射角为θ, 当被测工件表面沿其法线方向有一位移量D时, 反射光将有一侧向位移量Δx, 用一光电接收元件将Δx转换为电信号, 即可根据关系Δx=Dcos θ测得工件位移量D。

2.2主轴回转误差测量新方法

激光三角法虽然可以精确测得工件的位移量, 但前提条件是被测工件与激光头必须保持相对静止, 因此, 单纯的采用激光三角法不能对主轴回转误差进行测量, 而本文提出的相对静止测量原理可以满足激光三角法测量的前提条件, 所以, 本文提出了结合相对静止测量原理, 利用激光三角法测量主轴回转误差的新方法。

如图3所示, 以静止状态下回转轴截面的圆心为圆点o, 建立直角坐标系xoy, 激光头LD1与LD2的法平面分别与回转轴的x平面、y平面重合。接收面与两个激光头安装在回转座上, 参照图1, 以回转轴表面各点所在的坐标系为R1坐标系, 安装有接收面和激光头的回转座所在的坐标系为R2坐标系。

由回转轴的运动情况可知, R2坐标系与R1坐标系的相对运动只有回转轴的回转运动, 没有线性运动, 两个激光头LD1与LD2固定在R2坐标系上, 因此式 (15) 中的 ${\dot{y}}^{'}_{k}$ 为零, $\dot{x}_{i}$ 为零, 式 (15) 可写成如下形式

Sij· (xi×R1ωR2) =0 (16)

在式 (16) 中, Sij为两个坐标系的变换矩阵, 不为零;xi为激光头在R2坐标系中的坐标分量, 不为零。为了使方程 (16) 成立, 只有R1ωR2为零, 即R2坐标系与R1坐标系的相对角速度为零, 因此只需回转座绕回转轴的轴线以相同的角速度旋转即可实现R2坐标系与R1坐标系的相对静止, 与实际情况相符。

设激光头LD1的接收面与圆点o的距离为m, 激光头LD2的接收面与圆点o的距离为n, 设回转轴漂移后的圆心为o′, 在xoy坐标系中用坐标 (x, y) 表示, α为激光头LD1的法线与x轴的夹角, A点为激光LD1与回转轴的交点, E点为LD1经反射后在接收面上所成的象, e为E点与LD1之间的距离, a为A点到接收面的距离, β为激光头LD2的法线与y轴的夹角, D点为激光LD2与回转轴的交点, F点为LD2经反射后在接收面上所成的象, f为F点与LD2之间的距离, b为D点到接收面的距离, 由光学知识与几何关系可得

a=m- (rcos α+x) (17)

$\tan 2 α = \frac{e}{a} = \frac{e}{m - (r c o s α + x)}$ (18)

$\sin α = \frac{y}{r}$ (19)

b=n- (rcos β+y) (20)

$\tan 2 β = \frac{f}{b} = \frac{f}{n - (r c o s β + y)}$ (21)

$\sin β = \frac{x}{r}$ (22)

由于α、β较小, 因此令cos α≈1, cos β≈1, tan2α≈2α, tan2β≈2β, 代入式 (17) ～ (22) 整理得

$\frac{2 x}{r} = \frac{f}{n - (r + y)}$ (23)

$\frac{2 y}{r} = \frac{e}{m - (r + x)}$ (24)

式中, r为所测主轴的半径。

在式 (23) 、式 (24) 中, f、r、n、e、m均可测出, 因此可解出x、y, 根据主轴回转误差的定义[1], 主轴回转误差是指主轴实际回转轴线对其理想回转轴线的漂移, 因此, 由图3的几何关系可知, 主轴的回转误差Re可由oo′之间的距离表示, 计算公式为

$R_{e} = \sqrt{x^{2} + y^{2}}$ (25)

2.3测量步骤

(1) 根据主轴的运动状态及坐标变换条件确定激光头所在回转座的运动状态;

(2) 安装与调试测试设备, 使静止状态下两激光头所发出的激光通过回转轴截面的圆心, 且两激光头相互垂直;

(3) 测量被测回转轴的半径r;

(4) 测量回转轴截面的圆心到两接收面的距离n、m;

(5) 使主轴旋转, 测量主轴运动过程中激光经过主轴反射后在接收面所成的象距激光头中心的距离f、e;

(6) 把上述数据代入式 (23) ～式 (25) 即可精确计算出主轴在运动过程中的回转误差。

3 小结

本文所提出的方法打破了现有测量方法中传感器与被测主轴之间存在相对运动的模式, 使传感器与被测主轴在回转误差的测试过程中保持相对静止, 采用激光三角法测量主轴在运动过程中产生的微小位移, 基于多体力学的计算即可得到任意时间主轴的精确回转误差, 不需要对测量结果进行复杂的相位分析, 中间测量误差少, 测量精度高。本文提出的相对静止误差测量原理与方法还可应用于对回转运动物体上其他物理量的测量, 如测量齿轮在啮合传动时轮齿的动态微位移。

由于在实际测量过程中需要使用激光头, 因此本文提出的原理与方法的工程实用还需解决一些结构上的问题。

参考文献

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