A题(刘为、朱东、李小雄).doc

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位移测量装置

(A题)

摘要：本设计根据差动变压器的工作原理，将磁芯的位移量转换为电压量，通过检测电压实现位移测量。电路由激励电路和测量电路两大部分构成。其中激励电路部分先由信号发生模块产生100kHz的正弦波信号，再经差分放大电路驱动差动变压器。通过对次级交流电压进行线性整流、滤波，再利用MSP430单片机对输出电压进行采样计算处理，从而实现对磁芯的位移量的测量。数据结果用LCD显示，直观具体。系统软件部分以实时检测比较为编程思想，用四个按键实现对电机的转动控制，操作简便，实验结果表明，在测量的位移为-20~+20mm范围内，手动测量误差的绝对值不大于1.5mm，电机控制位移绝对误差在2mm内，较好地达到了课题设计要求。

关键字：差动变压器、位移测量、MSP430

1．系统设计

1.1设计要求

⑴基本要求

①制作正弦信号激励电路，技术指标如下：

a.频率：100kHz；

b.驱动线性可变差动变压器时输出波形无明显失真（要求在图1的C点预留测量端）。

②设计、制作差动信号测量电路，包括线性可变差动变压器，放大、整

滤波等电路，数据处理和显示等单元。在图1中的A、B两点分别输

直电压信号VA、VB（要求A、B两点预留测量端）。

③用模拟或数字方法计算（要求图1的D点预留测量端或显示d值），根据d值计算、显示实际位移量。

④测量的位移范围为-10~+10mm，测量误差的绝对值不大于2mm。

⑵发挥部分

①将测量的位移范围扩展到-20~+20mm，测量误差达到基本要求④。

②进一步提高位移测量精度。

③设计一个闭环控制电路，要求用直流电机（不允许使用步进电机）驱动磁棒移动，控制磁棒达到设定位移，位移误差的绝对值不大于2mm。

④其他。

1.2总体设计方案

1.2.1方案论证和比较

⑴正弦信号产生电路

方案一：RC正弦波振荡电路。RC振荡电路一般用来产生低频率的正弦信号，它包括放大器和选频式的RC反馈网络两大部分。采用前移相或后移相电路作为选频网络的RC振荡器称为相移振荡器，采用串并联选频电路作为选频的RC振荡器称为文氏电桥振荡器。其中后者是应用非常广泛的一种RC正弦波振荡电路。RC振荡电路虽简单、易搭建，但其输出波形不好，频率和幅度稳定性差，只适合用在要求不高的设备中。

方案二：LC正弦波振荡电路。LC振荡电路主要用来产生高频正弦波信号，电路中的选频网络由电感和电容组成。常见的LC正弦波振荡电路有变压器反馈式、电感三点式和电容三点式。它们的选频网络采用LC并联谐振回路。由于LC元件的标准性较差，因而谐振回路的Q值较低，空载Q值一般不超过300，有载Q值就更低，所以LC振荡器的频率稳定度不高。

方案三：8038集成函数发生器。8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波四种不同的波形，将它作为正弦信号发生器。它是电压控制频率的集成芯片，失真度很低。可输入不同的外部电压来实现不同的频率输出。而且输出波形稳定，电路设计也较为方便。

综上所述，我们选择方案三。

⑵差分输出电路

差分放大电路就其功能来说，是放大两个输入信号之差。差分放大电路有两种输入信号和两种输出方式，组合后便有四种典型电路。

方案一：双端输入，双端输出方式。用于输入、输出不需要一端接地时，常用于多级直接耦合放大电路的输入级、中间级。

方案二：双端输入，单端输出方式。常用于多级直接耦合放大电路的输入级和中间级。

方案三：单端输入，双端输出方式。常用于多级直接耦合放大电路的输入级。

方案四：单端输入，单端输出方式。用在放大电路输入电路和输出电路均需一端接地的电路中。

根据电路需要，应选择方案三。

⑶差动变压器电路

方案一：变隙式。这类差动变压器当初始气隙大于0.5毫米时，输出特性将变坏，带来较大的测量误差。另外，这类传感器不仅测量范围小，而且结构也较为复杂，目前在工程实际中较少应用。

方案二：变面积式。变面积式差动变压器的磁芯不是固定在一起的，随工作需要移动或者旋转。性能可靠，灵敏度也高，但结构较为复杂。

方案三：螺线管式。在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1～100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。

根据以上所述，选择方案三。

⑷信号放大滤波电路

方案一：采用无源滤波器。主要是采用无源元件R、L和C组成滤波电路进行滤波。电容滤波电路简单，负载直流电压较高，纹波也小，但它输出特性差，故适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。电感滤波电路的特点是，整流管的导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，但由于铁心的存在，笨重、体积大，易引起电磁干扰。一般只适用于低电压、大电流场合。此外，选用无源滤波还需外接放大电路，带负载能力差。

方案二