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全數(shù)字式電容E+E位移傳感器的研制
由于具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)特性好、能實現(xiàn)非接觸式測量等優(yōu)點,電容E+E位移傳感器廣泛應(yīng)用于超精密加工、高精度定位、超精密測量等領(lǐng)域。現(xiàn)有電容E+E位移傳感器普遍采用測頭與測量電路分立式設(shè)計,信號傳輸電纜的寄生電容等分布參數(shù)對傳感器的分辨力、穩(wěn)定性等性能影響顯著,因此信號傳輸距離受到嚴(yán)重限制。如何保證電容模擬信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及減少漂移,就成了影響電容傳感器性能的關(guān)鍵。

全數(shù)字式電容E+E位移傳感器的研制
隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,汽車需求量的日益增加,對汽車質(zhì)量、性能和生產(chǎn)率的要求也在不斷地提高。而汽車發(fā)動機活塞的質(zhì)量直接關(guān)系到汽車的熱效率、機械效率、能源消耗和運行可靠性。因此,活塞產(chǎn)品的出廠檢測尤為重要。 本課題研究的就是汽車活塞檢測裝置中的微E+E位移傳感器,其中zui關(guān)鍵的測量技術(shù)采用的是應(yīng)變片。通過查閱大量資料,對其性能進行了全面的剖析,設(shè)計制作了適應(yīng)于汽車活塞檢測的電容E+E位移傳感器。 通過大量的理論計算和實驗研究,確立了傳感器的結(jié)構(gòu)、應(yīng)變片的形式和型號,zui終找出了比較合理的結(jié)構(gòu)。并且應(yīng)用INA128制作了信號放大電路并進行了電壓調(diào)整,zui后使用MAX197電壓轉(zhuǎn)換芯片對放大后的電壓信號進行A/D轉(zhuǎn)換,將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳遞給單片機進行處理。由于該傳感器的工作環(huán)境比較惡劣,因此對所設(shè)計制作的傳感器及其檢測系統(tǒng)進行了干擾性、穩(wěn)定性、重復(fù)性等方面的實驗研究。實驗結(jié)果表明:該傳感器具有抗干擾性強、穩(wěn)定性好、精度高和分辨率高且造價低廉等優(yōu)點,*滿足汽車活塞檢測的要求。對目前廣泛應(yīng)用的電容測量電路進行了較系統(tǒng)的歸納和分析。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計了以電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器為主的測量電路,采用將該測量電路*內(nèi)置于傳感器測頭的思想,研制出一種新型的全數(shù)字式電容E+E位移傳感器。其測量電容值的數(shù)字化過程全部在測頭內(nèi)部完成,由測頭直接輸出數(shù)字信號并由單片機進行處理,電路結(jié)構(gòu)簡單,整個電路中沒有影響測量穩(wěn)定性以及產(chǎn)生零點漂移的元器件,有效解決了傳統(tǒng)電容傳感器存在的穩(wěn)定性差和漂移大的技術(shù)問題。具體研究工作如下: 首先,根據(jù)課題需要達到的指標(biāo),對傳感器測頭的機械結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計,并給出了各部分尺寸結(jié)構(gòu)的設(shè)計依據(jù)。其次,傳感器采用MSP430F149單片機作為主控芯片,實現(xiàn)了整機的智能化,完成了集采集、處理、控制于一體的單片機系統(tǒng)設(shè)計,詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)。再次,研制了基于CY7C68013A芯片的USB2.0接口模塊,傳輸速度達到16Mb/s,完成了上位機應(yīng)用程序的編寫,實現(xiàn)了良好的人機接口。 zui后,采用PI公司的壓電陶瓷微動臺完成了對傳感器的標(biāo)定,并進行了精度比對實驗。

全數(shù)字式電容E+E位移傳感器的研制
綜上,本文完成了新型電容E+E位移傳感器的設(shè)計與制造,理論與實驗結(jié)果表明:全數(shù)字式電容E+E位移傳感器具有分辨力高、穩(wěn)定性好和漂移小的優(yōu)點,10μm測量范圍范圍內(nèi)分辨力達到1nm,線性度優(yōu)于0.08%。