基于51单片机和FPGA的位移测量装置的设计

2．2 数据处理方法分析
差动变压器是开磁路，原、副边间的互感随磁芯移动而做相应的变化，使输出的两次级线圈的电压随之发生变化，将位移的变化转化为输出的电压的变化，整流后采集数据，并进行数据处理，得到d值，图2所示为差动变压器数据处理采用查表法：首先采用游标卡尺测量若干组位移值，测量的组数根据测量范围以及测量结果来确定，并记录下相应的d值，绘制成一张表格。在实际测量时，根据测得的d值通过查表确定位移范围，并在这一范围内采用分段折线法处理得到精确的位移值。采用查表法可精确定位移范围，得到的数据误差较小，精度较高。



3 单元模块电路设计
3．1 线性可变差动变压器的设计
设计时应该考虑以下两方面因素：1)能保证衔铁工作时不会超出线圈之外；2)差动变压器灵敏度。当按匝数增加时，可使灵敏度S增加，但按匝数的增加将受到线圈导线允许电流密度、导线发热的散热情况及磁饱和等因素的约束。
综合以上分析，线圈分为上、中、下3段式，长度各为2 cm，中间部分线圈为初级线圈，上下两部分为次级线圈。初、次级线圈的匝数比均为1：1，与之配套的磁棒长度也为2 cm。此线圈在线性移动范围内效果较好，但是当移动到边缘部分时由于磁力线分散，测得非线性的数据，但通过校准后仍能达到很高的精度。
3．2 差分放大电路
选用THS4503来做差分放大电路。由于激励信号的频率固定为100 kHz，故在差分放大器的反馈电阻上加上电容，达到滤波与避免自激的效果。从低通滤波器输出的信号需经过差分放大器放大后输出一对差分信号为变压器的初级线圈提供电压。电源采用±5 V双电源供电，THS4 503的2个输出端经2个阻值为12 Ω的隔离电阻与变压器的初级线圈的两端相连接。具体电路图如图3所示。


3．3 检波电路
图4为检波电路。差动变压器将位移量转换成电压信号，测量信号幅值或有效值再进行数据处理，便可得到相应的位移值。对于有效值的检测，选用真有效值测量芯片AD637实现。平均电容C1设定平均时间常数，并决定低频准确度，输出纹波大小和稳定时间。信号经放大后输入到AD637进行有效值检波，两电位器分别进行调零和调幅，以使AD637的输出更准确。