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高精度自動(dòng)安平掃平儀

[ 2009-8-17 ]  [轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來源:就是要儀器網(wǎng) www.bedgirls.com]

掃平儀是一種提供平面或直線基準(zhǔn)的儀器[1]。新型的自動(dòng)安平激光掃平儀,利用半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光束軌跡作為測(cè)量基準(zhǔn),具有小巧、廉價(jià)、操作簡單、適用面寬等特點(diǎn)。它與探測(cè)器配合,可以在一定的半徑范圍內(nèi)控制任一測(cè)點(diǎn)的水平高度,能將測(cè)量與施工結(jié)合在一起,實(shí)現(xiàn)施工的自動(dòng)化,在各種工民建施工場(chǎng)合中得到廣泛應(yīng)用。但是,目前國內(nèi)工程建筑中使用的自動(dòng)安平激光掃平儀精度能達(dá)到10‘’以上的多為進(jìn)口,成本過高。
電容式傳感器以其靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)塊、成本低等諸多優(yōu)越性得到廣泛應(yīng)用[2]。而檢測(cè)電容傳感器的電荷變化的困難在于實(shí)現(xiàn)高性能、低成本的電容輸入的信號(hào)處理前端。一直以來很多人對(duì)此進(jìn)行了大量研究。例如王莉田[3]等提出的差動(dòng)線性電路,謝楠[4]等提出的利用集成芯片XE2004的電容電壓轉(zhuǎn)換電路。邱桂蘋[5]等對(duì)目前微小電容測(cè)量電路的測(cè)量方法進(jìn)行了總結(jié),分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn),諸如基于充/放電原理、AC電橋原理、交流鎖相放大原理、電荷放大原理等各種電容測(cè)量電路。這些傳統(tǒng)的電容測(cè)量電路,或者方法簡單,達(dá)不到高的精度要求(分辨率都在fF量級(jí)),或者電路復(fù)雜,需要的器件數(shù)量多。ADI公司推出了世界上首款高精度、完全集成的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC),它在一顆芯片上集成了電容到數(shù)字轉(zhuǎn)換的所有電路,分辨率達(dá)到aF量級(jí),大大降低了設(shè)計(jì)難度和外部元件成本,從而根除了傳統(tǒng)電容傳感器的限制。
本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)安平掃平儀選用電容式傾角傳感器進(jìn)行水平監(jiān)測(cè)。采用CDC 芯片AD7746作為傳感器信號(hào)調(diào)理電路,直接將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,以自帶I2C口線及PWM產(chǎn)生器單片機(jī)ADuC841作為為核心控制器件,以直流電機(jī)作為水平調(diào)節(jié)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本儀器通過高集成電路模塊的使用,降低了儀器成本,并保證了高精度的要求,具有精度高、成本低的優(yōu)勢(shì)。
2. 儀器功能框圖
本文設(shè)計(jì)的激光掃平儀功能框圖如圖1所示,該儀器以單片機(jī)為核心控制器件,以激光射線的形式給出標(biāo)準(zhǔn)水平面。在安置激光管的掃平臺(tái)上以一定角度交叉放置傾角傳感器X、Y,監(jiān)測(cè)掃平面傾斜度,當(dāng)掃平面水平時(shí)單片機(jī)控制進(jìn)行激光旋轉(zhuǎn)掃描。而所謂的自動(dòng)安平功能就是儀器底座發(fā)生傾斜時(shí),單片機(jī)根據(jù)傳感器得到的數(shù)據(jù)控制直流電機(jī)X、Y運(yùn)轉(zhuǎn),調(diào)節(jié)掃平面傾斜度使其保持水平。當(dāng)?shù)鬃鶅A斜度超出儀器能夠調(diào)平的角度范圍時(shí),儀器停止掃描,并發(fā)出聲音報(bào)警,提醒工作人員調(diào)整儀器放置位置。另外,儀器還具有變速掃描、變角度掃描、發(fā)射激光點(diǎn)等功能,這些功能通過鍵盤輸入進(jìn)行控制。
 
3. 儀器功能實(shí)現(xiàn)
根據(jù)儀器功能的要求,本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)安平掃平儀在水平監(jiān)測(cè)電路中高精度、完全集成的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)AD7746作為傳感器信號(hào)調(diào)理電路,直接將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。所選的ADuC841單片機(jī)自身帶有I2C口線,直接與AD7746進(jìn)行通訊,而且該單片機(jī)自帶PWM產(chǎn)生器,輸出兩路PWM可直接用來對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。本儀器通過高集成電路模塊的使用,大大降低了成本,并保證了高精度的要求。
3.1 水平監(jiān)測(cè)
電容式傳感器,常用于小尺寸和低功耗應(yīng)用——例如壓力監(jiān)測(cè)和位置檢測(cè)——實(shí)現(xiàn)高精密測(cè)量,它們具有極高的魯棒性、精確度和靈敏度。本系統(tǒng)使用玻璃電子水泡作為水平監(jiān)測(cè)傳感器,它是根據(jù)差動(dòng)電容原理進(jìn)行水平度測(cè)量,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。在玻璃內(nèi)徑部位研磨成一定曲率,先在一端燒熔封口,另一端拉成小嘴抽真空灌注介電液體和惰性氣體,當(dāng)氣泡長度合格后燒封。玻璃管外殼由兩個(gè)半殼體組成,一個(gè)作為底座,另一個(gè)作為電路接地層。在兩個(gè)半殼體之間,兩邊等距地置有電容極板,電容極板上左右對(duì)稱的刻蝕出2個(gè)可變靜電板。這樣的結(jié)構(gòu)可獲得2倍的電容變化效果。極板表面用聚四氟乙烯薄膜覆蓋,作為電介質(zhì)液體與電容極板的電隔離,殼內(nèi)有隔板作為兩個(gè)靜電容的隔離,防止串接。
傳感器保持水平時(shí),2個(gè)靜電極板浸在液體的面積相同,當(dāng)傳感器以重力方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)時(shí)一邊的靜電極板浸在液體的面積減少,另一邊的靜電極板浸在液體的面積增大。由于封入的介電液體的介電常數(shù)比氣體的高,因此,液面的流動(dòng)造成電容發(fā)生變化,據(jù)此可測(cè)出傾斜角。該傳感器的輸出特性由電容極板的形狀決定。
 
 
傳統(tǒng)的電容傳感器信號(hào)處理解決方案要么就只限于低精度的應(yīng)用,要么就需要昂貴的多芯片電容電壓前端。ADI公司推出的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)是世界上首款高精度、完全集成的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器,其24 BIT的分辨率,是業(yè)界最高精密度連接電容傳感器解決方案。它在一顆芯片上集成了電容到數(shù)字轉(zhuǎn)換的所有電路,降低了設(shè)計(jì)難度和外部元件成本,從而根除了傳統(tǒng)電容傳感器的限制,比傳統(tǒng)的多芯片解決方案降低了65%的成本。
CDC是在成熟的∑-Δ技術(shù)基礎(chǔ)之上,對(duì)其進(jìn)行改進(jìn),使得完整的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以在單芯片中實(shí)現(xiàn)!-Δ是一種成熟的技術(shù),許多年來一直用于通常要求16 bit或更高分辨率的高性能ADC 。標(biāo)準(zhǔn)Σ-△ ADC是通過切換片上固定的電容,并平衡可變電壓輸入和固定的電壓基準(zhǔn)輸入之間電荷來實(shí)現(xiàn)的。如果電荷正比于電壓和電容,那如果使輸入電壓固定,而改變輸入電容呢?修改后的Σ-△電路如圖3所示,這便是CDC轉(zhuǎn)換電路的原理。該電路固定輸入電壓可以被理解成一個(gè)激勵(lì)電壓。移到片外的可變電容可以是一個(gè)電容式傳感器。這樣,輸出數(shù)據(jù)將代表該傳感器電容量和CREF之間的比率。


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