高精度量仪

2024-07-29

高精度量仪（精选6篇）

高精度量仪篇1

1 引言

汽车、摩托车、汽油机、航空、轴承等精密机械加工行业, 其各种精密零件的大多数内孔尺寸的精度都要求很高。对内孔尺寸量具的检测精度要求相应地也很高。最高检测精度要求可达0.001 mm左右。锥芯式内径量仪就是目前广泛应用于加工车间环境中的一种高精度量具 (如图1) 。它是检测和保证汽车等产品的零件乃至整车质量的重要仪器。

锥芯式内径量仪的测量原理, 是将两个内孔测量点检测出的孔径的径向位移变化, 通过检具中精密弹性套的内锥底孔过渡点和锥芯轴的滑移转换, 变换成等值的锥芯轴的轴向位移变化量。最后, 由锥芯轴后端的千分表检出该位移的变化量, 进而反映出被测孔径的数值变化, 如图2和图3所示。其中, 精密弹性套是该量具测量精度高低的关键之所在。它的锥底深孔的加工精度要求高, 加工难度较大。

1存在问题

如图4所示, 改进之前, 该量仪的精密弹性套的锥孔结构是"深孔+锥形底孔+切槽"的封闭结构形式。同时, 作为弹性套 (材料为60Si2Mn) , 它需要进行热处理, 达到42~47HRC的弹性硬度要求。作为高精度尺寸传递的关键零件, 弹性套的锥形底孔要求加工同轴度为0.005 mm, 锥孔的表面粗糙度要达到Ra0.8。切槽与锥孔的对称度要达到0.02 mm。

弹性套锥孔的这种封闭结构使得加工工艺很难编制。首先, 因为该锥孔为底孔, 且孔径很小、很深, 依据国内现有的加工手段, 加工又深又小的锥孔, 其加工后的位置精度和表面精度都很难达到上述要求, 只能靠增加后续的内孔研磨来保证。但该底孔是封闭式的盲孔, 看不着又摸不到, 只能凭工人的感觉来摸索加工。加工结果的好坏也只能等切槽后才能看到。其次, 因为弹性套要达到42~47 HRC的弹性硬度要求, 所以, 该锥孔的加工还不能一次成型。必须在热处理之前先粗加工底孔, 留出0.06 mm左右的研磨余量, 在弹性套热处理以后再进行精加工。而余量的预留受热处理变形和氧化皮厚度的影响, 往往不好把握, 遗留过大, 造成后续的研磨工作量很大, 位置变差和粗糙度不容易保证。再次, 弹性套热处理变形对前后二次加工的影响也较大, 也会出废品。

因此, 改进前的弹性套锥底孔的结构加工难度很大, 废品率很高。一般加工后, 完全达到要求的合格品只有30%左右。降低上述技术指标要求后, 能达到要求的也只有70%左右。而降低技术指标势必会影响该量具的精度和质量稳定性。

2 结构和工艺改进的突破性研究

如果不改进弹性套锥底孔的这种封闭式深盲孔结构, 只改进、调整加工工艺流程, 在国内现有的内孔加工工艺和刀具的制约下, 是很难有所突破的。

根据图2~图4的结构的显示, 锥芯杆是与弹性套上端的锥芯杆孔是精密配磨的, 即弹性套上端的锥芯杆孔已经限制了锥芯杆的径向自由度了, 锥芯杆在弹性套中只能轴向移动。因此, 在结构上, 也就没有必要要求锥底孔在径向圆周360°封闭接触和限制锥芯轴。只保留一个方向的锥面接触就可以实现锥底孔和锥芯杆的可靠接触和滑移转换。

如图5, 改进后的结构是摒弃了锥底孔锥面与锥芯杆在垂直于测量线方向的锥面接触, 只保留了与测量线方向一致的锥面接触 (见图5中粗黑线部分示意) 。如此, 原有的封闭式盲孔结构就变更为镂空开口的开放式可视、可加工结构。

改进后的结构使得加工工艺十分简单:1) 图5中粗黑线高精度锥面部分可以使用目前常用的慢走丝高精度加工设备, 在弹性套热处理之后, 一次加工成型。完全解决了前2个问题, 没有了热处理前后二次加工所带来的弊端。2) 改进后的工艺因为是在弹性套热处理变形之后, 再由慢走丝设备一次加工成型的, 所以, 不受弹性套热处理过程中变形的影响。3) 由慢走丝高精度加工设备加工后的锥面的位置精度和表面粗糙度很容易就可以达到加工精度要求。

3 结语

本检具经过这次改进后, 所需的加工工艺简单, 加工手段可靠, 精度容易保证。经过小试、批试加工生产, 效果很好。经过工艺完善后, 目前的加工一次成品率可以达到100%。彻底解决了该量具生产和质量的不稳定问题。取得了良好的社会效益和经济效益。

摘要：锥芯式内径量仪是广泛应用于检测机械零件内孔尺寸的高精度量具。其测量精度的高低, 取决于精密弹性套的精密加工。但精密弹性套之前常用的结构和加工方法存在加工难度大, 加工成品率低等问题。文中从精密弹性套的结构和加工工艺方面对其进行了研究和改进, 取得了突破, 成品率达到了100%。

关键词：高精度量仪,关键零件,结构改进,工艺改进,提高成品率

一种高精度电阻测量仪系统设计篇2

关键词：电阻测量,单片机,恒流源,四端法

0 引言

高精密电阻是众多参考源的重要元件。高精密电阻测量的精度要求比较高,容易受环境噪声、测量方法以及仪器本身精度和稳定性的影响。在高精密电阻生产线上检测电阻值时还要保证一定的测试速度和仪器自身的长期稳定性。

本文在充分考虑上述因素的情况下,研究设计了一种高精密度电阻测量仪。该电阻测量仪的量程范围为3 mΩ~3 MΩ,最大显示30 000数,测试速度为15次/s,测量精度为0.5%,读数跳动不大于3字。

1 测量原理

测量电路中总是存在接触电阻和连线电阻,大小在10-2Ω数量级。当待测电阻值在10-1Ω及以下时,普通二端测量法的接触电阻和连线电阻将使测量结果不可信[1]。因此,该系统采用四端法测量,以消除这种影响。

1.1 四端法测量原理

图1所示为双线测量等效电路。

图中Rd1和Rd2为检测探针与被测电阻之间的接触电阻,该接触电阻被加入到测量中产生测量误差。被测电阻越小,这种相对误差越大。加载的测试电流从探针经过接触电阻流向待测电阻R,电压表测量电压并计算出相应的电阻值。由于接触电阻相对于电流源内阻数值很小,对测试电流I的影响可以忽略。但是测试电流I在接触电阻上产生一个较小却很明显的电压降,因此电压表测得的电压Vm不是恰好等于待测电阻R两端的实际电压VR,从而产生较大的误差。

电压表测量电压值:

电阻两端真实电压值:

被测电阻测量相对误差:

接触电阻Rd1,Rd2的大小一般在10~100mΩ的范围内,与导体表面氧化程度、接触面积有关,且不可预测。假设Rd1=Rd2=10mΩ,待测电阻R=3mΩ,则η=666.7%,显然采用双线测量方法很难获得准确的结果。

四端法等效电路如图2所示。

图中:Rd1,Rd2为驱动探针与被测电阻之间的接触电阻;Rc1,Rc2为检测探针和被测电阻之间的接触电阻。测试电流I通过驱动探针加载到被测电阻R上;设通过检测探针测得R上的电压为Vm,R两端实际电压为VR,Rc1,Rc2两端电压分别为VRc1,VRc2,则电压关系如式(4)所示:

由于电压表的输入阻抗非常高,流过检测探针上的电流很小,可以忽略,则:

由此可见,四端法测量电阻有效提高了电阻测量仪的精确度。

1.2 四端测量法的两种模型

如图3所示,若电源为程控恒流源,则驱动探针输出恒定电流I[2]。通过检测探针测量待测电阻两端电压V,可得待测电阻R的大小:

如图4所示,若电源为程控电压源,则驱动探针输出恒定电压Vi,已知分压电阻Rc的阻值。通过检测探针测量待测电阻两端电压V,可得待测电阻R的大小:

2 系统硬件设计

如图5所示,电阻测量仪硬件系统由单片机、可调恒流恒压源、调节电路和显示电路等组成。其中,可调恒流恒压源提供6档恒定电流和一档恒定电压,最大输出电压约2V,输出6档电流分别为670 mA,67 mA,6.7mA,670μA,67μA,6.7μA。调节电路包括程控放大电流和程控滤波电路,实现小信号放大、恒流源校准测量选择、量程控制等功能。

3 单元电路

3.1 恒流恒压电路

该电阻测量仪量程范围达到3mΩ~3MΩ,因A/D采样电压范围有限,若使用同一种恒流电压测量,电流过大或过小都会影响测量精度或使电路发热量过大引起温漂。恒流恒压电路提供了670 mA~6.7μA的6档恒流输出和3V的恒压输出。-5V电压一路经过反相比例放大器后得到3V的稳压输出。恒压源输出电阻为千分之一精度的金属膜电阻,阻值为1.5 MΩ,利用电阻分压关系实现测量最大电阻3 MΩ,此时所有的场效应管都关闭。

恒流源电路由开环放大电路、射极跟随器电路、场效应管电路、深度负反馈电路构成,如图6所示。

根据虚短虚断原理[3]:

通过式(10)求出Vi-Vn=0.66V,为恒定值,I=0.66/R。由此,通过由单片机控制的场效应管Q的开闭,使不同阻值的电阻所在支路导通得到各档恒流源。

3.2 量程控制电路

根据每个量程的上、下限电阻值可以得到相应的电压值区间。当执行自动量程切换时,比较由当前量程测得的电压值是否符合本量程区间。若符合,则不切换量程;若不符合,则根据比较结果增加或减小一个档位,再次测量电压并比较,直至测量电压处于某一电压区间内。

硬件上,单片机通过4 094移位寄存器输出场效应管的栅极电平[4]来控制管子的导通与断开,以使不同支路导通产生各种档位的恒流。为了分离数字电路与模拟电路,在单片机与移位寄存器间加了光电耦合器件,以减小相互的影响。

3.3 数据采集电路

如图7所示,待测电阻上的电压由四端法输入,经过程控放大电路和程控滤波电路后输入A/D采样。

由单片机控制开关,使反馈支路的电阻值不同而分别产生1倍、2.5倍和5倍的电压放大倍数,并配合A/D内部可编程增益放大器PGA提供1~8倍的增益,使每一档的A/D输入电压值保持在0~2V的范围内。

因为A/D可选触发工作方式包括连续采样和外部触发采样两种方式[5]。为了保证采用外部触发方式时不产生混叠,也为了进一步提高测量的抗干扰能力,在采样之前,加入了可选滤波电路。

4 系统软件设计

电阻仪从功能模块上共分为测量值显示、功能模式设置与上位机通信三大模块。其中,测量模式设置又包含自动/手动量程模式设置、清零、电流模式设置、速度模式设置、比较器设置。

系统软件程序分为单片机程序和上位机程序。单片机程序负责控制电路、读取A/D值并计算电阻值,所用型号为STC11F32XE,采用C语言进行编程[6]。上位机程序负责与电阻测量仪通信和处理数据,采用C++语言编程[7]。

(1)单片机程序主流程。单片机程序的主流程如图8所示,单片机上电后需初始化,包括初始化各控制引脚,读取E2PROM中的系数值与显示数据,初始化PT6311[8],调整至默认测量模式。初始化后,主循环查询是否有按键按下。无键按下,则判断当前模式,跟据测量模式、清零模式、比较器模式的不同状态执行相应子程序,将结果转化为显示代码后写入显示驱动芯片PT6311后显示;若有键按下,则根据按键号执行相应的功能函数,设置测量模式后再执行相应功能。

(2)上位机软件设计。除了VFD显示,还可以通过RS 232串口由PC机采集数据[9]。用户可自行设置采样间隔和是否存盘,采集得数据以TXT文件形式保存,以方便用户进一步分析。软件采用多线程操作的方式,在两个不同的线程中处理数据读取与数据处理,通过事件同步[10]。

5 测量结果

将电阻测量仪与PC机相连,对1Ω标准电阻长时间测量采集数据,并进行分析。分析结果如图9所示:测量值稳定在0.997 8~0.998 0Ω之间,精度达到0.2%,上下跳动字数为1。

对1 MΩ标准电阻进行测量,结果如图10所示。测量值稳定在0.996 MΩ,精度达到0.4%,跳动字数为1。

6 结论

该测量仪以单片机为核心,采用C及C++语言开发程序,通过高精度稳压源电路、四端测量法、有效的抗干扰设计,实现了大量程的高精度电阻测量。实际测试结果证明,测试速度在15次/s时,测量精度达到0.5%,读数跳动在3字以下。

参考文献

[1]吕泉.低电阻测量方法分析[J].贵州教育学院学报:自然科学版,2005,16(2):30-32.

[2]李建新.基于恒流源的电阻测量[J].现代电子技术,2004,27(19):89-90.

[3]康华光.电子技术基础模拟部分[M].4版.北京:高等教育出版社,1998.

[4]阎石.电子技术基础[M].4版.北京:高等教育出版社,1997.

[5]孙汝建.基于I2C总线的16位A/D转换器ADS1110及其应用[J].自动化与仪器仪表,2006(5):49-51.

[6]赵建领,薛园园.51单片机开发与应用技术详解[M].北京:电子工业出版社,2009.

[7]刘书智,李琳娜.Visual C++实践与提高[M].北京:中国铁道出版社,2009.

[8]谭浩强.C程序设计[M].2版.北京:清华大学出版社,1999.

[9]罗海,王莉.基于PT6311+MCU的键扫描与VFD显示的编程实现[J].世界电子元器件,2006(6):46-49.

[10]赵志峰,陈湘.基于Stc12c5a60s2的RS232串口数据分析器设计[J].现代计算机,2010(12):102-103.

关于高精度止口测量仪的研究篇3

1设计原理

高精度止口测量仪, 是以传感器两个侧头进行感应, 经过线性与非线性误差补偿系统进行补偿, 而得出位移距离。这是由位移量转化为电感, 再通过电感转化为位移数据的过程, 是高精度便携式电感读数系统与误差修正系统的综合性应用。

2研究与开发

2.1机械结构加工

外部机械结构加工, 机械结构重在不影响精度的情况下尽量是重量减轻, 使接缝更加切合, 电感的安装更加合理。遵循阿贝原则, 使测头运动轴线与被测尺寸轴线重合, 尽量消除阿贝误差[2]。经过精密的设计与实验, 分析出最合适的测量范围。

2.2便携式电感读数系统的设计与开发

便携式电感读数系统, 将电感读数系统进行微型化, 使其携带更加方便。这是以传感器两个侧头进行感应, 经过线性与非线性误差系统的补偿, 而得出的位移距离。

工作过程由标准振荡器产生频率稳定的方波信号, 经过正弦波生成电路, 转换为幅值稳定的正弦波, 作为激励电源提供给变压器电桥, 与得到的电感参数进行分档交流放大, 进行相敏整流, 通过Atmeag16进行AD数据采集和12864电型液晶进行数据显示。测量电感参数时, 将使电桥平衡改变, 输出含电感系数的正弦调幅波, 信号经分档、放大、滤波及整流后送入到atmega16进行A/D数据采集, 由电感读数软件, 对采集的数据进行分析、滤波等处理, 得到未进行误差补偿的数值。

2.3误差补偿系统

线性误差是实测曲线与理想直线之间的偏差, 是根据一些离散的点, 确定一条直线, 也就是高精度止口测量仪的电感线, 找出偏离该直线的点与对应直线上的标准值的差, 再除以实验数据记录的最大值即量程, 就可以得到线性误差。简单地说, 线性误差就是有规律的误差、可预期的。线性误差的预防方法:进行多次实验, 对线性误差进行补偿。

非线性误差[3], 将仪器仪表等测量工具的输入、输出 (测量、结果) 分别作为直角坐标系的纵轴、横轴, 选择适合的坐标轴, 并将理想的输入输出对应点标入坐标, 可以得到一条理想输入输出关系曲线。将实际的输入输出对应点标入坐标, 可以得到一条实际输入输出关系曲线。最理想的情况下, 这两条曲线应该重合, 但实际上是不可能做到的, 这两条曲线之间的距离就是误差。如果这两条曲线形状完全一致, 但不重合, 例如, 一条曲线相当于另一条的平移或直线的斜率, 这时的误差就是线性的, 否则误差就是非线性误差[3]。非线性误差的算法:非线性误差=最大误差/量程。

绝对误差:测量值与真实值之差的绝对值。需要对比标准测量块规, 计算方法:|测量值———真实值|。在标准温度下进行多次测量取平均值。

相对误差:绝对误差所占真实值的百分比, 是被测点的绝对误差与被测点的理想值之比, 计算方法:|测量值———真实值|/真实值。在标准温度下进行多次测量取平均值。

引用误差:绝对误差与测量上限 (或量程) 之比的百分数, 计算方法: (绝对误差/测量上限) *100%;在标准温度下进行多次测量取平均值。

基本误差:在标准条件下, 可以允许的误差。

阿贝误差:阿贝误差指的是在测量过程中, 因相应角摆与阿贝偏置的联合作用, 被测点的空间坐标值 (即测量值) 与实际值产生的误差。

将各种误差方式进行多次实验、补偿, 再通过计算温度、湿度等, 对被测量止口的温度差进行补偿计算。

3精密与超精密加工技术的发展前景

精密和超精密加工技术是以不断提高加工精度为目标的工程科学与技术。随着精密和超精密加工技术的不断发展, 它已经成为制造业发展史上必不可少的领头羊技术, 精密和超精密加工技术, 有着很广的应用领域, 无论是日常生活中的汽车、火车、飞机, 还是在国防方面的战斗机、导弹、航母, 或是在外太空探索的卫星, 都与我国国防发展息息相关, 它们对于精密和超精密加工技术的依赖性远远超乎想象。目前, 我国在精密和超精密加工技术的发展只能算作“制造大国”, 但也只是大国而已, 距离“制造强国”还有很远的路要走, 在精密和超精密加工技术的发展上, 我国起步比“制造强国”落后了近30年, 英、美、德等国20世纪70年代就开始对精密和超精密加工技术进行了深入研究, 且一直保持对我国的封锁禁运。1998年, 我国第一台精密和超精密加工车床问世, 随后解禁。虽然近些年我国精密和超精密技术迅猛发展, 但依旧远远弱于一线强国, 但是努力发展精密和超精密加工技术已经成为我国制造业发展的必然趋势之一。未来机密和超精密加工技术将会是国家高新技术和战略性新兴产业的基础, 是现代基础科学研究与发展的基石, 是我国现代化装备制造的核心支撑技术[4]。

摘要：设计并研发了一款高精度止口测量仪, 该测量仪机械结构遵循阿贝原则, 外加线性与非线性误差补偿系统、便携式电感读数系统, 使得线性误差更小、测量重复性误差更小、抗干扰能力更强, 测量范围可调整, 具有公差带设置、超范围报警、线性误差修正等效果。

关键词：高精度,误差补偿,电感读数,测量

参考文献

[1]袁哲俊, 高文龙.精密和超精密加工技术 (第2版) [M].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2010.

[2]李彬.论阿贝原则之扩展[C]//江苏省计量测试学会2005年论文集·中国会议, 2005.

[3]周鸣争, 汪军.基于支持向量机的传感器非线性误差校正[J].电子科技大学学报, 2006, (02) :125-126.

多传感器的高精度湿度测量仪篇4

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.

高精度量仪篇5

高精度位移测量仪(简称量仪)广泛应用于工业现场和测试领域,如过程检测、自动控制和形变测量等。作为其核心部件的高精度位移传感器包括接触式和非接触式两大类。该系统选用接触式位移传感器线性可变差动变压器(LVDT),具有灵敏度及分辨力高、线性度好、工作可靠、寿命长、易于实现监控等优点,但需提供正弦激励源和与其配套的将正弦信号转换为电平信号的调制模块才能正常工作[1,2]。目前市场上常用AD698来实现该部分功能。传统的量仪除AD698外,还包含复杂的外围电路和ARM为主的控制器,成本较高,集成度低,并且一块AD698信号调制芯片只能处理一路LVDT信号[3]。由于目前市场上AD698的单价为140元左右,测量通道越多,产品成本将随着AD698片数的增加而提高很多。

量仪市场竞争激烈,因此在保证品质的同时降低成本、提高可靠性和集成度具有一定的现实意义。基于此,本研究以美国Cypress公司生产的混合信号可编程片上系统PSoC3芯片CY8C3866AXI替代原有的CPU和AD698提供激励源的功能,并自主研发信号调制电路,从而完全替代原有的量仪系统。

1 系统工作原理

1.1 系统结构图

该系统由PSoC3、LVDT测笔、信号调制模块与人机界面LCD组成,系统结构如图1所示。

内部激励信号源生成5 kHz的正弦信号并通入位移传感器LVDT测笔,测笔将产生幅值与位移量成正比的正弦返回信号,信号调制模块将其转化为电平信号,并在PSoC内部放大后进行采样,CPU对采样数据线性处理之后,实时显示在LCD上。

1.2 PSoC3

PSoC3微处理器CY8C3866AXI集8位微控制器、可编程数字阵列与模拟阵列于一体,利用内部可编程互连模组,可以有效地配置芯片上的模拟和数字电路资源,达到可编程片上系统的目的[4,5]。基于此,该设计充分利用PSoC内部AD、DA和PGA等模拟模块,以及DMA和LCD等数字模块,在PSoC Creator编程环境中实现正弦激励信号产生、信号放大、A/D采样和LCD接口等应用。

1.3 LVDT测笔

线性可变差动变压器(LVDT)主要由一个铁芯和两个线圈组成。其工作原理类似于变压器,不同的是变压器是闭合磁路,而LVDT是开磁路[6]。LVDT测量装置示意图如图2所示,设原线圈L的激励电压为U1,两个次级线圈L1,L2的感应电压分别为U21,U22。原线圈与两个次级线圈的互感系数分别为M1与M2,忽略磁滞涡流和耦合电容,则LVDT的输出电压U21,U22,U2的表达式如下:

式中:I1—主线圈中的激励电流。

当铁芯处于中点附近时,M1、M2与铁芯位置呈线性关系,因此铁芯的位移与U2呈正比关系[7]。该方案采用的是单通道输入、双通道返回的测笔接法。

1.4 信号调制模块

信号调理模块的主要作用是将测笔的双通道正弦返回信号转换为电平信号。传统意义上,一般采用AD698作为信号调制芯片,但AD698单价较高,只能同时调制一路电路,本研究自行设计正弦信号整流和滤波电路,完全替代AD698信号调制功能。信号调制模块原理图如图3所示。

图3中,返回信号1和2分别通过整流电路和低通滤波电路,得到与其幅值成正比的电平信号,经过减法电路最终得到与铁芯位移量成比例关系的电压信号。

整流电路输出信号的时域图和经傅里叶展开所得频域图像如图4所示,该信号经过低通滤波,可滤掉除频率为零以外的所有谐波。

PSoC提供的液晶显示驱动系统是一个可选配的外设,允许PSoC设备直接驱动板上LCD。每个LCD驱动模块和所有GPIO相关,可将采集数据实时显示在LCD上。

2 硬件电路设计

2.1 测笔连接电路

在该设计中,测笔的连接方式采用的是单通道输入、双通道输出的方式。该方法与单通道输出相比,有明显优势。因为在单通道输出情况下,测笔的铁芯处于中点位置附近时,返回信号的幅值极小,极易引起信号调制误差。而采用该方法时,铁芯位置居中,两个返回信号幅值相等,不会出现幅值很小的情况。测笔的连接结构如图2所示。

2.2 信号调制电路

信号调制电路由3部分组成:全波整流电路、滤波电路和减法电路。电路图如图5所示。

(1)为了防止小信号带来的误差,整流电路采用精密整流电路。常规的整流电路由于二极管导通电压的原因,无法处理幅值过小的信号。而精密整流电路能弥补这一缺点。本研究中电路选用高速运放芯片LM6172和二极管1N4148,该电路可以处理幅值小于0.7 V的正弦信号。

(2)滤波电路采用截止频率为1 kHz的巴特沃斯低通四阶滤波电路。本研究中运放芯片同样选择LM6172,使用高精度、低温飘的电容和电阻,以减少误差。

(3)由于测笔采用的是双通道输出策略,减法电路将两个直流量相减,得到一个最终与测笔铁芯位移成正比的电压信号。减法电路中的电阻必须使用精密电阻,否者会产生纹波较大、电压值不稳定、温飘严重等现象。

3 系统的软件设计

Cypress的PSoC Creator集成开发环境存有几十个预先配置过的模拟和数字外设库,可方便地拖放进电路图设计界面并组成强大的系统[8]。该项目使用PSoC内部模块,设计激励信号产生源、信号放大模块和A/D采样部分。

3.1 激励信号产生模块

正弦激励产生作为整个检测系统的信号源是最关键的环节之一,它的幅值、频率是否稳定将直接影响整个检测系统的稳定性和精度[9]。为节省CPU资源,本研究使用DMA查表、D/A输出的方式产生正弦波。利用CyDmaTdSetConfiguration()、Clock_sine_Start()、CyDmaChEnable()、CyDmaChSetInitialTd()等函数,完成正弦模块设置。PSoC提供4个模数转化器DAC。每个DAC为8位,能配置成电压或电流输出。本研究通过配置内部时钟信号Clock_sine触发DMA,将正弦表格数据传输到D/A中,通过调整时钟信号的频率就可改变激励正弦频率。实验证明,该方法产生的激励信号源稳定性强,可以满足工业要求。

3.2 信号放大模块

信号调制电路输出的电平信号幅值偏小,虽可通过调节减法电路电阻值进行放大,但会引起纹波变大。因此,本研究在A/D采样前添加PSoC3自带的PGA模块,达到信号放大的目的。PGA是一种放大倍数可配置的放大器功能模块,该模块在不增加A/D采样位数的前提下,提高采样的灵敏度[10]。

3.3 A/D采样

PSoC3内置的Δ—Σ模数转化器具有精度高、稳定性强的特点,可以配置8～20位的分辨率,采样率在10 sps～384 ksps的A/D采样模块。在该方案中A/D采样配置为16位,采样率为10 ksps。在实际生产应用中,外部干扰会带来20 kHz左右的谐波,如采样率过高则会采集到较多的干扰信号,给数据处理带来不便。另外系统需要响应时间在5 ms以内。因此该方案中A/D采样配置为16位,采样率为10 ksps,每采样20个数据进行一次数据处理,响应时间为2 ms。

3.4 采样数据处理

由于量仪工作的环境恶劣,干扰因素多,为了确保采样数据的精确性,本研究使用去极值平均滤波算法得到一个稳定性和精度都较高的电压值。经过线性拟合,本研究计算出测笔铁芯的位移量,达到高精度测量的目的。

4 实验结果

测试实验使用Solartron Metrology的LVDT测笔AX/1/S,中原量仪股份有限公司的微动测量台架BCT—5C,该测试平台的测量范围为0～0.4 mm,最小刻度为0.2μm。经实验测量,该设计在0～200μm的范围内电压变化线性度良好,反应灵敏。实际转化为位移量后,精度可以达到0.2μm,实测A/D采样所得电压值与真实位移量的关系图如图6所示,完全符合线性规律,通过电压值能准确并快速计算位移量。

5 结束语

本研究设计了基于PSoC的新型高精度位移测量仪,并给出了外部电路与PSoC内部软件架构。同时充分运用PSoC内部资源,并设计了信号调制模块,以简化外部电路,取代传统量仪产品中价格昂贵的信号调制芯片。

实验结果表明,与传统量仪相比,该测量仪具有测量精度高、线形度好、价格低廉等优点。

参考文献

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[6]刘萍.差动变压器式位移传感器参数化仿真及优化[D].西安:西安电子科技大学理学院,2010.

[7]郭敏,李月贞.基于LVDT的微小位置测量系统设计[J].现代电子技术,2010,33(7):151-153.

[8]王杨,邵晓鹏,林见杰,等.基于PSoC3的光功率计设计[C]//第九届全国信息获取与处理学术会议论文集.丹东:[出版者不详],2011:366-369.

[9]洪小丽,戴一帆.改善电感测微仪二次测量电路精度的措施[J].国防科技大学学报,2003,25(3):100-103.

高精度量仪篇6

关键词：高精度,微功耗,频率测量仪,ARM,Cortex,M0+

随着科学技术和计算机技术的快速发展, 频率的测量显得越来越重要, 测量频率的方法也日趋多样, 在测量性能提升的同时, 设计的成本与复杂度也不断提高。而频率测量仪器功能也从单一的频率测量, 变得更丰富。

该文所设计的频率测量仪选用通用的集成前端处理电路, 从超低功耗高精度着手, 其核心控制模块为当前最新推出的微功耗ARM Cortex M0+处理器, 主要是利用其多路高速定时器/计数器功能完成在单位时间内频率的计算工作, 并利用信号整形和放大电路完成对待测信号的处理。测量得到的值, 采用动态显示的方式通过LED显示器显示出来。

1 基于Cortex M0+ 的功能模块电路设计

Cortex M0+控制模块、LED数码管显示器模块、信号发生与调理模块、计数模块、电源模块等构成了数字显示的频率测量仪。

高精度频率测量仪, 需要自制信号源, 并能够正常输出正弦波、方波、三角波, 故选用精密函数发生器ICL8038。

该设计使用LED显示电路, 频率计数显示要精确到小数点后面2位, 因此需要有4个LED显示器, 又综合考虑CPU的处理速度和电源的使用效率等其它因素, 该设计的频率测量仪采用动态显示方式, 该设计的计数电路由74LS290构成。

信号的放大、整形电路是将其他信号如正弦波、三角波信号转换成脉冲信号, 这个功能是靠施密特触发器或者单稳态触发器来完成的。

该电路使用集成芯片LTC3638、CN302实现电源充放电的管理, 对锂电池进行充电, 锂电池的饱和电压为4.2 V。通过设置LTC3638的外围电路将LTC3638的输出电压设置为4.2 V。

2 基于UC/OS II的嵌入式软件设计

2.1 软件设计规划

2.1.1系统移植

该设计将在MCU中移植UC/OS II (Micro Control Operation System Two) , 进行任务调度, 实现实时2路频率的测量、显示。

2.1.2信号处理

频率计开始工作以及频率测量的过程, 需要对程序进行初始化操作。除了包含中断控制初始化和定时器/计数器控制模式初始化过程外, 还包括初始化堆栈指针 (SP) 和通用工作寄存器。

2.1.3中断控制

中断控制是当CPU执行相应的程序, Cortex M0+接收到中断源的中断响应信号, 使Cortex M0+停止当前任务, 执行能够引起响应的中断服务程序, 当中断服务程序执行完毕后, 回到刚才暂停程序的位置, 继续执行相应的程序。

2.2 系统资源

Cortex M0+处理器采用了三级流水线的冯·诺伊曼结构 (Von Neumann architecture) 。它是基于一个32位处理器的内核, 特点是集成度高、而且功耗非常低。

2.3 系统移植

2.3.1 Cortex M0+的启动代码

启动代码包括:初始化堆栈, 初始化异常向量表, 定义异常入口函数及复位异常响应代码。

2.3.2 Systick启动

在移植系统之前, 我们需要先启动Systick异常, 启动的目的是为系统提供一个可以使系统能够处理延时或者超时等与时间有关的事件的周期性的信号源。

(1) Systick使能与优先级分配。

在内核启动之后, 可进行Systick异常的使能和优先级分配。

(2) Systick异常处理函数。

Systick异常处理函数每次响应时都调用了OSTime Tick。OSTime Tick做了两件事情:一是给OSTime加1, 二是将等待任务的剩余时间值减1, 并将等待时间为0的任务进入就绪状态, 运行其最高优先级任务。

2.3.3 OS初始化和启动

在OS启动时, 需要根据内核的不同进行任务堆栈的初始化, 多任务的启动。

(1) 任务堆栈初始化。

(2) 多任务的启动。

(3) MSP与PSP切换。

2.3.4 任务切换

(1) 任务切换函数OSCtx Sw。

任务切换函数OSCtx Sw作用就是保存被中止运行任务的断点和恢复待运行任务的断点并启动它。因此这个函数中主要是一系列的压栈和出栈操作。

(2) 中断任务切换函数OSInt Ctx Sw。

OS在完成中断服务程序后, 并不一定回到被中断的任务, 而是进行一次中断调度来决定是返回被中断任务还是调用一个更高优先级任务。而此刻函数OSInt Ctx Sw是用来完成任务切换工作。该函数一般用在中断服务程序的末尾, 它的作用是用来保护被中止运行程序的断点, 如果已经在中断服务程序的前段完成了此工作的话, 那么它的工作只是恢复待运行任务的断点。

2.4 多中断处理

(1) 优先级定义。

(2) 中断编号定义与中断使能。

(3) 优先级分配。

(4) 多中断响应程序编写。

(5) 多中断响应问题小结。

①中断响应启动Hard Fault_Handler异常。

②中断嵌套后并未返回运行系统。

2.5 应用层总体设计

本设计其主程序流程图如图1所示。

2.6 部分关键子程序算法

2.6.1 中断检测