1總體設(shè)計(jì)原理
懸浮軸振動(dòng)測量傳感器的設(shè)計(jì)包括電容傳感器的設(shè)計(jì)、振蕩電路的選取、光電編碼器的采樣、差頻計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)、單片機(jī)智能控制幾大部分。其基本原理是：首先，利用導(dǎo)電介質(zhì)電容傳感器將振動(dòng)位移的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，由于電容傳感器為振蕩電路中的電容元件，因而，電容量的變化會引起振蕩器輸出頻率的變化。同時(shí)，選擇另一只電容傳感器作為溫度補(bǔ)償傳感器，通過振蕩器同樣得到一個(gè)頻率信號。振動(dòng)信號的采樣是由光電編碼器的等轉(zhuǎn)角取樣實(shí)現(xiàn)的，在光電編碼器、門電路及單片機(jī)硬軟件的配合下，將2個(gè)高頻信號輸入差頻計(jì)數(shù)器就能得到固定時(shí)間間隔內(nèi)的計(jì)數(shù)值，送C8051F020單片機(jī)進(jìn)行存儲和處理，得到計(jì)數(shù)差值并轉(zhuǎn)換成振動(dòng)位移的大小，實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。
2傳感器的研制
2.1測量電路
懸浮軸的振動(dòng)位移測量電路由兩部分組成：一方面利用導(dǎo)電介質(zhì)電容傳感器將懸浮軸振動(dòng)位移的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化；另一方面，利用反射式光電編碼器實(shí)現(xiàn)懸浮軸轉(zhuǎn)動(dòng)的等角度采樣，保證采樣的精度。
2.1.1導(dǎo)電介質(zhì)電容傳感器的設(shè)計(jì)
利用改變電容極板面積S和極板之間距離d的方法，均可以達(dá)到改變電容量C的目的。選用變極距式電容傳感器實(shí)現(xiàn)對懸浮軸的振動(dòng)位移測量。為使傳感器能將振動(dòng)位移的變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電容量變化，使兩者成單值函數(shù)關(guān)系，并保證懸浮軸在轉(zhuǎn)動(dòng)和受外界干擾時(shí)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀況不發(fā)生改變，導(dǎo)電介質(zhì)傳感器以懸浮軸本身作為電容器的動(dòng)極板，采用溫度對材料膨脹系數(shù)影響小的銅作為靜極板。另外，設(shè)計(jì)時(shí)對電容傳感器的靈敏度、線性及寄生電容的影響也給予充分考慮。設(shè)計(jì)時(shí)采用2只電容傳感器：1只用于測量，1只用于溫度補(bǔ)償。而且，每只電容傳感器又都是2只電容器串聯(lián)組成的，這樣，既解決了電容傳感器導(dǎo)線的連接問題，又減少了寄生電容的影響。設(shè)用于測量的電容傳感器電容量為C，用于溫度補(bǔ)償?shù)碾娙輦鞲衅麟娙萘繛镃0，設(shè)計(jì)的具體參數(shù)如下：
2只電容器的初始安裝極板間距均為x0=25μm；絕緣材料的厚度d1=10μm；每個(gè)極板的覆蓋面積A=0.5 cm2；測量振動(dòng)的范圍為-25～25μm(即極板間距z范圍為0～50μm)；ε0=8.85×10-12 F／m，εr=2.3ε0，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。
首先，極板間距和振動(dòng)位移△x的關(guān)系為
x-x0=△x (1)
由于每只電容傳感器均由2只電容串聯(lián)構(gòu)成，考慮極板表面絕緣膜厚度，得到測量電容傳感器的電容量C和溫度補(bǔ)償電容傳感器的電容量C0分別為
2.1.2利用光電編碼器實(shí)現(xiàn)等轉(zhuǎn)角采樣
光電脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，它將機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，可作為位置檢測和速度檢測裝置。設(shè)計(jì)中利用反射式光電編碼器實(shí)現(xiàn)了高精度的等轉(zhuǎn)角采樣，其輸出為脈沖信號，脈沖個(gè)數(shù)與旋轉(zhuǎn)位移有關(guān)。懸浮軸的轉(zhuǎn)速是50 rad／s，光電編碼器采用等轉(zhuǎn)角(2°)間隔采樣，則每個(gè)采樣周期約為t=111μs，即光電編碼器輸出頻率為9kHz的脈沖信號。懸浮軸連續(xù)變化的振動(dòng)信號轉(zhuǎn)換過程為連續(xù)信號→離散信號，根據(jù)信號采樣理論：若連續(xù)信號f(t)是有限帶寬的，其頻譜的最高頻率為fm，則信號f(t)可以用等間隔的抽樣值來唯一的表示，而最低抽樣頻率fs=2fm，即fs≥2fm。由于光電編碼器的抽樣頻率fs=9kHz，因此，傳感器能夠測得的懸浮軸振動(dòng)的最高頻率fm<4.5 kHz。
2.2信號處理電路
振蕩器、差頻計(jì)數(shù)器、控制電路、單片機(jī)共同組成信號處理系統(tǒng)。利用懸浮軸的振動(dòng)位移與頻率信號存在的函數(shù)關(guān)系，將傳感器測量結(jié)果通過專門設(shè)計(jì)的振蕩電路轉(zhuǎn)換為頻率信號，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振蕩器轉(zhuǎn)換成便于測量的頻率值，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門控電路得到采樣基準(zhǔn)信號和計(jì)數(shù)復(fù)位信號，在采樣基準(zhǔn)信號上升沿來后計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)使能，計(jì)數(shù)模塊開始對輸入的頻率信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)時(shí)間恰為△T，計(jì)數(shù)復(fù)位信號用于每一次測量開始時(shí)對計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行復(fù)位，在計(jì)數(shù)復(fù)位信號的上升沿將采樣的數(shù)據(jù)結(jié)果鎖存，并清除上次測量的結(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分別對應(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，通過差頻計(jì)數(shù)器的差頻輸出能消除環(huán)境溫度對測量結(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2個(gè)頻率信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，測得的脈沖個(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。
由此，只要獲得合理的計(jì)數(shù)時(shí)間△T，就可以得到2個(gè)頻率信號的計(jì)數(shù)差值，設(shè)計(jì)時(shí)，△T是利用單片機(jī)計(jì)數(shù)光電編碼器的輸出脈沖確定的。由于光電編碼器采樣的時(shí)間間隔約為111μs，一個(gè)采樣周期內(nèi)除了計(jì)數(shù)外，必須留有計(jì)數(shù)值的記錄和運(yùn)算時(shí)間，所以，選取ΔT=100μs<111μs，由式(10)可知計(jì)數(shù)器的讀數(shù)差值與頻率的關(guān)系為
差頻計(jì)數(shù)器的啟停信號是由單片機(jī)控制的。當(dāng)單片機(jī)啟動(dòng)控制信號GEP為高電平后，差頻計(jì)數(shù)器開始等待計(jì)數(shù)。差頻計(jì)數(shù)器的被測頻率信號是由2個(gè)與門控制輸入的。在每個(gè)采樣周期到來時(shí)即單片機(jī)接收光電編碼器脈沖e1為上升沿后，單片機(jī)分別檢測2個(gè)振蕩器的輸出頻率信號osc11，osc21，等待osc11，osc21信號的第一個(gè)上升沿，分別發(fā)出控制信號f1，f2啟動(dòng)與門，使差頻計(jì)數(shù)器接收對應(yīng)的頻率信號并進(jìn)行計(jì)數(shù)，同時(shí)，單片機(jī)對應(yīng)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器開始定時(shí)，定時(shí)時(shí)間為△T。定時(shí)時(shí)間到△T后，單片機(jī)關(guān)閉差頻計(jì)數(shù)器的對應(yīng)輸入信號的閘門，讀取差頻計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，并對計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零處理，當(dāng)2個(gè)計(jì)數(shù)器均完成計(jì)數(shù)后，單片機(jī)開始對D1，D2進(jìn)行數(shù)字處理。差頻計(jì)數(shù)器被測頻率信號與定時(shí)控制信號之間采用了同步鎖定的方法，并分別對2個(gè)頻率信號計(jì)數(shù)，這樣就消除±1的計(jì)數(shù)誤差。振蕩器輸出為高頻信號，因此，一個(gè)采樣周期內(nèi)2個(gè)頻率信號第一個(gè)上升沿到來的時(shí)間間隔不會大，即每個(gè)采樣周期內(nèi)都能完成對2個(gè)頻率信號的ΔT間隔計(jì)數(shù)，周而復(fù)始就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)差頻計(jì)數(shù)的功能。差頻計(jì)數(shù)器的工作時(shí)序如圖4。圖中，1為單片機(jī)的啟停控制信號CEP，2為編碼器的輸出信號e1，3為測量傳感器的頻率信號osc11，4為與門1的控制信號f1，5為被計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)的頻率信號osc12，6為溫度補(bǔ)償傳感器的頻率信號osc21，7為與門2的控制信號f2，8為被計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)的頻率信號osc22。
2.2.3數(shù)據(jù)的處理
由于懸浮軸振動(dòng)位移與單片機(jī)輸出計(jì)數(shù)值成單值函數(shù)關(guān)系，最后，利用C8051F020單片機(jī)編寫軟件程序把計(jì)數(shù)差值轉(zhuǎn)換成振動(dòng)的位移量實(shí)現(xiàn)振動(dòng)位移的存儲和分析。其中，振動(dòng)位移分別用2個(gè)字節(jié)進(jìn)行存儲，振動(dòng)位移的正負(fù)根據(jù)減法器的進(jìn)位位確定，它存儲在一個(gè)獨(dú)立的單元中，設(shè)定00H表示振動(dòng)為正，01H表示振動(dòng)位移為負(fù)。
綜合式(2)、式(3)、式(6)、式(11)可以推導(dǎo)計(jì)算出振動(dòng)位移與計(jì)數(shù)器的差值之間的關(guān)系如表1。
3結(jié)束語
懸浮軸振動(dòng)測量傳感器能夠測量振動(dòng)頻率小于4.5 kHz，振動(dòng)范圍在-25～25 μm內(nèi)的振動(dòng)位移量，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對其振動(dòng)位移的測量，同時(shí)，避免了對本身運(yùn)動(dòng)規(guī)律的干擾，而且，硬件采用差頻測量、光電編碼器控制等角度采樣，結(jié)合軟件的數(shù)據(jù)處理，在很大程度上提高了測量精度，消除了傳感器調(diào)理電路電源波動(dòng)、環(huán)境溫度變化、分布電容的影響，還能屏蔽電磁干擾，保證了測量結(jié)果的可靠性，可應(yīng)用在特殊的測控環(huán)境中。