数字倾角测量仪的设计

2015-03-16 12:14:26   来源:eechina   

关键字: 数字倾角  测量仪  传感器

数字倾角测量仪是一种测量小角度的量具,用它可测量对于水平位置的倾斜度,两部件相互平行度和垂直度,机床、仪器导轨的直线度,工作台平面度,以及平板的平面度等,具有十分广阔的应用前景。  

设计中的倾角传感器是基于热对流的倾角传感器,该倾角传感器质量较小,在大冲击或高过载时产生的惯性力也很小,所以,具有较强的抗振动或冲击能力,是为数不多的能够兼有结构简单、可靠性高、有通用传感器集成电路等优点的倾角传感器之一。本设计通过倾角传感器测量平台的倾角,输出电压信号,经过运放放大后,输出给单片机电路进行数据处理,最后,通过数码管显示倾角的大小,还可用做控制系统输出控制信号调整平台的倾角。  

1 数字倾角测量仪的原理  

倾角测量仪的整体硬件设计原理如图1所示,它由传感器、前置放大电路、A/D转换电路及单片机系统等部分组成。传感器采集加速度信息,经过内部转换后输出电压值,电压值分为两路,一个是测量X轴方向上的加速度;另一个是测量Y轴方向上的加速度。两路电压信号经过低通滤波、运算放大器放大处理后输出放大后的电压给A/D转换模块,A/D转换模块输出8位数字量给单片机进行处理,单片机最后输出串行数据,通过数码管显示电路输出平台的倾斜角度。  

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2 传感器工作原理  

设计中使用的传感器为MXA2050A,其是位于一单片集成电路CMOS IC上的完整的加速度测量系统。该传感器是基于自然对流而进行热传导的,在MXA2050A中气体是密封腔体内的唯一运动体,它的质量较小,在大冲击或高过载时产生的惯性力也很小,所以,具有较强的抗振动或冲击能力。它是一个极其低廉的双轴加速度计,因为不带有移动部件,所以器件特别可靠,而且,还可采用基于一个亚微米的CMOS方法生产制造。这种方法可以生产小型尺寸的晶片,所以,这种器件非常低廉且多功能。MXA2050A加速度测量范围是:±10gn,输出量是两路模拟电压信号。允许分辨1 Hz带宽中的低于10 mg。信号,频响可扩展至40Hz。在附带一个简单外部电路的情况下,频响扩展至160Hz。  

热对流加速度计包含一个密闭的腔体,腔体内充有流体,其中,有一个加热元件将把腔体中加热元件周围的流体加热,加热后的流体发生膨胀而密度下降,在重力的作用下上升,周围的相对冷的流体补充到空位置上,这样,反复循环而造成热对流传导。在静止状态下温度曲线是对称的,在有加速度的情况下,由于自然对流热传导,使得任何方向上的加速度会扰乱温度,引起温度的不对称。因此,加速度计中4个热电堆的温度和输出电压是相异的。不同的热电堆输出电压直接正比于加速度。在加速度计上它们具有2个相同的加速度信号通道。一个是测量X轴方向上的加速度;另一个是测量Y轴方向上的加速度,其外围电路如图2所示。  

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3 运放、A/D转换和显示电路  

在传感器的应用中,高阻抗的前置放大器主要作用有2个:一是将传感器的微弱信号放大;二是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出,设计中的前置放大器主要由AD623放大电路组成,电路图如图3所示。  

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运放AD623同时可以实现减法、加法、放大的功能,传感器输出的信号VX先减去其在水平方向时的零位电压,然后,经过放大G倍,再加上参考电压VREF,最后输出为  

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通过调节RG1的大小就可以调节放大倍数,参考电压由滑动变阻器分压输出。传感器产生的电压信号首先经过放大器后输出给A/D转换电路。A/D转换采用TLC5510,可以实现由单片机控制转换的速度,输出数字量为8位,可以实现设计的精度要求。  
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编辑:什么鱼
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