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例如,檢查工件的厚度、內(nèi)徑、外徑、橢圓度、平行度、直線度、徑向跳動(dòng)等,被廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械制造業(yè)、晶體管和集成電路制造業(yè)以及國(guó)防、科研、計(jì)量部門(mén)的精密長(zhǎng)度測(cè)量。目前,國(guó)內(nèi)常用的電感測(cè)微儀有指針式和數(shù)字式兩種,存在的問(wèn)題較多,如高精度測(cè)量范圍小,零位調(diào)節(jié)不方便、功能單一和通用性差等。它通過(guò)編制軟件實(shí)現(xiàn)儀表的高精度、智能化、多功能化,經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)與使用,已證明其精度高、操作方便、性能穩(wěn)定。

1、測(cè)量范圍:0~±30μm檔及0~±500μm檔;

2、示值誤差:0~土30μm檔為0.1μm,0~±500μm檔為1μm;

3、分辨率:0~±30μm檔為0.01μm,0~±500m檔為0.1μm.

4、極性:當(dāng)測(cè)量值為負(fù)時(shí),自動(dòng)顯示"-";為正時(shí),無(wú)極性符號(hào)。

​工作原理及硬件電路設(shè)計(jì)

工作原理

該智能電感測(cè)微儀的硬件電路主要包括電感式傳感器、正弦波振蕩器、放大器、相敏檢波器及單片機(jī)系統(tǒng)。正弦波振蕩器為電感式傳感器和相敏檢波器提供了頻率和幅值穩(wěn)定的激勵(lì)電壓,正弦波振蕩器輸出的信號(hào)加到測(cè)量頭中由線圈和電位器組成的電感橋路上。工件的微小位移經(jīng)電感式傳感器的測(cè)頭帶動(dòng)兩線圈內(nèi)銜鐵移動(dòng),使兩線圈內(nèi)的電感量發(fā)生相對(duì)的變化。當(dāng)銜鐵處于兩線圈的中間位置時(shí),兩線圈的電感量相等,電橋平衡。當(dāng)測(cè)頭帶動(dòng)銜鐵上下移動(dòng)時(shí),若上線圈的電感量增加,下線圈的電感量則減少;若上線圈的電感量減少,下線圈的電感量則增加。交流阻抗相應(yīng)地變化,電橋失去平衡從而輸出了一個(gè)幅值與位移成正比,頻率與振蕩器頻率相同,相位與位移方向相對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)放大,由相敏檢波器鑒出極性,得到一個(gè)與銜鐵位移相對(duì)應(yīng)的直流電壓信號(hào),經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器輸入到單片機(jī),經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行顯示、傳輸、超差報(bào)警、統(tǒng)計(jì)分析等。

硬件系統(tǒng)組成

硬件系統(tǒng)由前相通道、單片機(jī)系統(tǒng)、人機(jī)通道電路組成,前相通道電路的作用是把電感式傳感器轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)進(jìn)行放大、分檔、相敏檢波等處理后供A/D采樣用。它包括正弦波振蕩電路,交直流放大電路,相敏檢波電路,A/D轉(zhuǎn)換電路。單片機(jī)系統(tǒng)及人機(jī)通道電路主要實(shí)現(xiàn)把前相通道電路傳送的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后,送入單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,實(shí)時(shí)地顯示測(cè)量結(jié)果,按不同的功能鍵可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。

硬件特點(diǎn)

1、在運(yùn)算放大器的選擇上,本儀器均采用低漂移、低噪聲的運(yùn)算放大器OP07.由OP07組成了集成化的交、直流放大器電路,雙T網(wǎng)絡(luò)正弦波發(fā)生器,集成的相敏檢波電路和濾波器等,省去了傳統(tǒng)電感測(cè)微儀使用的二極管、三極管和變壓器等,使得由二極管和三極管造成的非線性特性以及飽和壓降和反向電流得以改善;省去變壓器,調(diào)試制作比較方便,重量也較輕,可靠性增強(qiáng)。

2、本儀器選用了逐次比較式12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574,它的非線性誤差小于±1/2LBS或±1LBS,一次轉(zhuǎn)換時(shí)間約為25μs ,因其片內(nèi)配有三態(tài)輸出緩沖器,可直接與各種典型的8位和16位微處理器相連,滿足了測(cè)量精度和實(shí)時(shí)顯示的要求,應(yīng)用非常方便。

3、本儀器采用了專業(yè)的顯示器及鍵盤(pán)接口芯片8279,單個(gè)芯片就能完成鍵盤(pán)輸入和LED顯示控制兩種功能,顯示方式為動(dòng)態(tài)顯示,6位LED顯示器可以實(shí)現(xiàn)顯示測(cè)量結(jié)果。整機(jī)設(shè)有5個(gè)功能鍵,能夠?qū)崿F(xiàn)如下功能:顯示被測(cè)工件的峰值,并把峰值存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,留待處理;可以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,顯示一百個(gè)工件分組后各組的平均值和極值,直方圖的頻數(shù),總平均值和極值;可以進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量和相對(duì)測(cè)量的轉(zhuǎn)換;可以設(shè)定被測(cè)工件的上、下偏差,當(dāng)被測(cè)工件的峰值超出設(shè)定值時(shí),就要報(bào)警顯示;可以實(shí)現(xiàn)±500μm和±30μm檔的轉(zhuǎn)換。

軟件部分采用了MCS-51匯編語(yǔ)言編寫(xiě),運(yùn)用了模塊化的結(jié)構(gòu)形式。系統(tǒng)軟件分為主程序模塊和中斷處理模塊。主程序由系統(tǒng)初始化子程序、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、非線性修正、數(shù)據(jù)處理及更新顯示等子程序組成。

本儀器采用了防脈沖干擾的平均值濾波的方法,即把采樣信號(hào)按照從大到小的順序排列起來(lái),然后將最大值和最小值去掉,再把其余值求和并取平均值。

非線性修正子程序采用了分段線性插值,首先將電感式傳感器固定在高精度的標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架上進(jìn)行標(biāo)定。在±30μm檔標(biāo)定的精度是0.01μm;在±500μm檔標(biāo)定的精度是0.1μm,然后根據(jù)實(shí)測(cè)的曲線將其分段。為了保證精度,采用了等距分段法,對(duì)于±500μm檔,每隔10μm分段;對(duì)于±30μm檔,每隔1μm分段。雖然分段數(shù)目增多,占用內(nèi)存較多,但可以保證電感測(cè)微儀的精度。由于各段均用直線代替曲線,因此很容易求出傳感器輸入的電壓值x所對(duì)應(yīng)的位移值y。

設(shè)x在xi-1和xi之間,則線段的插值公式為

y=yi-1+ki-1(x-xi-1)

式中:Ki-1=(yi-yi-1)/(xi-xi-1)為i-1段的斜率。

將ki-1及yi-1根據(jù)分段情況事先算出,并存入表格中,當(dāng)單片機(jī)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換采集到傳感器輸入電壓值x時(shí),通過(guò)查表法判斷采集的值落在哪一段區(qū)間,按公式⑶算出相應(yīng)的位移值y。

通過(guò)非線性修正及標(biāo)定,畫(huà)出了0-±500μm檔及0-±30μm檔的誤差與位移的修正曲線。由圖中曲線可以看出:經(jīng)過(guò)非線性修正處理后,智能電感測(cè)微儀的測(cè)量誤差大大降低。0-500μm檔由修正前的最大誤差29.1μm減少為0.6μm;0-500μm檔由修正前的0.18μm減少為0.05μm,0-20μm檔由修正前的最大誤差1.01±m(xù)減少為0.06μm。

此智能電感測(cè)微儀在設(shè)計(jì)上充分利用了單片機(jī)的系統(tǒng)功能,增加了統(tǒng)計(jì)分析、超差報(bào)警、絕對(duì)零點(diǎn)與相對(duì)零點(diǎn)的轉(zhuǎn)換等功能,使儀器的性能有了較大的提高;采用單片機(jī)8031進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,用軟件進(jìn)行非線性修正,使高精度測(cè)量范圍成倍擴(kuò)展,用軟件進(jìn)行絕對(duì)零點(diǎn)與相對(duì)零點(diǎn)的轉(zhuǎn)換,零位調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單方便,功能擴(kuò)展除了增加少量接口芯片外,主要由軟件實(shí)現(xiàn);硬件電路中,前向通道電路采用了集成電路,克服了以往采用變壓器、二極管、三極管組成電路的非線性特性大、零漂嚴(yán)重等缺點(diǎn);采用了切實(shí)可行的抗干擾措施,使整機(jī)測(cè)量精度高、可靠性好、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)。

​檢測(cè)方法與經(jīng)驗(yàn)

1、色碼電感器的的檢測(cè)

將萬(wàn)用表置于R×1擋,紅、黑表筆各接色碼電感器的任一引出端,此時(shí)指針應(yīng)向右擺動(dòng)。根據(jù)測(cè)出的電阻值大小,可具體分下述三種情況進(jìn)行鑒別:

A、被測(cè)色碼電感器電阻值為零,其內(nèi)部有短路性故障。

B、被測(cè)色碼電感器直流電阻值的大小與繞制電感器線圈所用的漆包線徑、繞制圈數(shù)有直接關(guān)系,只要能測(cè)出電阻值,則可認(rèn)為被測(cè)色碼電感器是正常的。

2、中周變壓器的檢測(cè)

A、將萬(wàn)用表?yè)苤罵×1擋,按照中周變壓器的各繞組引腳排列規(guī)律,逐一檢查各繞組的通斷情況,進(jìn)而判斷其是否正常。

B、檢測(cè)絕緣性能

將萬(wàn)用表置于R×10k擋,做如下幾種狀態(tài)測(cè)試:

①初級(jí)繞組與次級(jí)繞組之間的電阻值;

②初級(jí)繞組與外殼之間的電阻值;

③次級(jí)繞組與外殼之間的電阻值。

上述測(cè)試結(jié)果分出現(xiàn)三種情況:

①阻值為無(wú)窮大:正常;

②阻值為零:有短路性故障;

③阻值小于無(wú)窮大,但大于零:有漏電性故障。

3、電源變壓器的檢測(cè)

A、通過(guò)觀察變壓器的外貌來(lái)檢查其是否有明顯異�，F(xiàn)象。如線圈引線是否斷裂,脫焊,絕緣材料是否有燒焦痕跡,鐵心緊固螺桿是否有松動(dòng),硅鋼片有無(wú)銹蝕,繞組線圈是否有外露等。

B、絕緣性測(cè)試。用萬(wàn)用表R×10k擋分別測(cè)量鐵心與初級(jí),初級(jí)與各次級(jí)、鐵心與各次級(jí)、靜電屏蔽層與衩次級(jí)、次級(jí)各繞組間的電阻值,萬(wàn)用表指針均應(yīng)指在無(wú)窮大位置不動(dòng)。否則,說(shuō)明變壓器絕緣性能不良。

C、線圈通斷的檢測(cè)。將萬(wàn)用表置于R×1擋,測(cè)試中,若某個(gè)繞組的電阻值為無(wú)窮大,則說(shuō)明此繞組有斷路性故障。

D、判別初、次級(jí)線圈。電源變壓器初級(jí)引腳和次級(jí)引腳一般都是分別從兩側(cè)引出的,并且初級(jí)繞組多標(biāo)有220V字樣,次級(jí)繞組則標(biāo)出額定電壓值,如15V、24V、35V等。再根據(jù)這些標(biāo)記進(jìn)行識(shí)別。

E、空載電流的檢測(cè)。

(a、直接測(cè)量法。將次級(jí)所有繞組全部開(kāi)路,把萬(wàn)用表置于交流電流擋(500mA,串入初級(jí)繞組。當(dāng)初級(jí)繞組的插頭插入220V交流市電時(shí),萬(wàn)用表所指示的便是空載電流值。此值不應(yīng)大于變壓器滿載電流的10%~20%。一般常見(jiàn)電子設(shè)備電源變壓器的正常空載電流應(yīng)在100mA左右。如果超出太多,則說(shuō)明變壓器有短路性故障。

(b、間接測(cè)量法。在變壓器的初級(jí)繞組中串聯(lián)一個(gè)10?/5W的電阻,次級(jí)仍全部空載。把萬(wàn)用表?yè)苤两涣麟妷簱酢＜与姾?用兩表筆測(cè)出電阻R兩端的電壓降U,然后用歐姆定律算出空載電流I空,即I空=U/R。

F、空載電壓的檢測(cè)。將電源變壓器的初級(jí)接220V市電,用萬(wàn)用表交流電壓接依次測(cè)出各繞組的空載電壓值(U21、U22、U23、U24)應(yīng)符合要求值,允許誤差范圍一般為:高壓繞組≤±10%,低壓繞組≤±5%,帶中心抽頭的兩組對(duì)稱繞組的電壓差應(yīng)≤±2%。

G、一般小功率電源變壓器允許溫升為40℃~50℃,如果所用絕緣材料質(zhì)量較好,允許溫升還可提高。

H、檢測(cè)判別各繞組的同名端。在使用電源變壓器時(shí),有時(shí)為了得到所需的次級(jí)電壓,可將兩個(gè)或多個(gè)次級(jí)繞組串聯(lián)起來(lái)使用。采用串聯(lián)法使用電源變壓器時(shí),參加串聯(lián)的各繞組的同名端必須正確連接,不能搞錯(cuò)。否則,變壓器不能正常工作。

I、電源變壓器短路性故障的綜合檢測(cè)判別。電源變壓器發(fā)生短路性故障后的主要癥狀是發(fā)熱嚴(yán)重和次級(jí)繞組輸出電壓失常。通常,線圈內(nèi)部匝間短路點(diǎn)越多,短路電流就越大,而變壓器發(fā)熱就越嚴(yán)重。檢測(cè)判斷電源變壓器是否有短路性故障的簡(jiǎn)單方法是測(cè)量空載電流(測(cè)試方法前面已經(jīng)介紹)。存在短路故障的變壓器,其空載電流值將遠(yuǎn)大于滿載電流的10%。當(dāng)短路嚴(yán)重時(shí),變壓器在空載加電后幾十秒鐘之內(nèi)便會(huì)迅速發(fā)熱,用手觸摸鐵心會(huì)有燙手的感覺(jué)。此時(shí)不用測(cè)量空載電流便可斷定變壓器有短路點(diǎn)存在。