屠乾磊,王學(xué)影,鄭永軍

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

“十三五計(jì)劃”實(shí)施“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃,發(fā)展網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì),寬帶提速,實(shí)施國(guó)家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略等措施,拉動(dòng)微電子加工技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展[1].工業(yè)流水線上,傳感器作為工件信息傳遞的起始端起著舉足輕重的作用.其中LVDT位移傳感器能夠進(jìn)行非接觸式位移測(cè)量,且已有成熟的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù):算法、離散模擬電路和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等,來改善LVDT的線性范圍[2-4].由于該傳感器的結(jié)構(gòu)構(gòu)成簡(jiǎn)單、磨損率低、輸出信號(hào)的線性和重復(fù)性佳,能勝任除強(qiáng)磁場(chǎng)外的其他惡劣工作環(huán)境,因此受到青睞[5].

現(xiàn)有的LVDT的調(diào)理電路,采用同步檢測(cè)技術(shù)來測(cè)量ui1和ui2的幅度差,以初級(jí)線圈激勵(lì)電壓作為相位參考,確定輸出電壓的極性.這需要發(fā)生器具有穩(wěn)定的振幅,恒定的頻率,局限性大.又LVDT初級(jí)信號(hào)至次級(jí)信號(hào)會(huì)發(fā)生相移,為減小誤差需要進(jìn)行相移的補(bǔ)償.然而補(bǔ)償與溫度和頻率呈函數(shù)關(guān)系,軟件補(bǔ)償繁瑣、工作量大且容易出錯(cuò),造成測(cè)量誤差[6].經(jīng)過反復(fù)研究和測(cè)試,設(shè)計(jì)出一種次級(jí)信號(hào)差值(ui1-ui2)與和值(ui1+ui2)比例為工作原理的在線測(cè)量電路,能解決原先方法所產(chǎn)生的缺陷,既無需穩(wěn)定振幅,恒定頻率的發(fā)生器,初級(jí)次級(jí)信號(hào)的相移又不影響系統(tǒng)精度,提高了溫度穩(wěn)定性,使得數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確.

信號(hào)調(diào)理電路一般封裝在LVDT的變送器中,變送器通過導(dǎo)線與顯示儀表相連接.對(duì)于車間的LVDT實(shí)際應(yīng)用中往往是多個(gè)LVDT同時(shí)測(cè)量,每個(gè)LVDT攜帶一個(gè)變送器,造成導(dǎo)線凌亂不工整、有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)導(dǎo)線過短的現(xiàn)象.導(dǎo)線傳輸模擬信號(hào),抗干擾能力較弱,通信系統(tǒng)內(nèi)部的噪音會(huì)導(dǎo)致通信質(zhì)量的降低,微小的電壓信號(hào)還容易受到線路溫度的影響[7].這些原因都會(huì)使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差.因此完成遠(yuǎn)距離傳輸,可采用“物聯(lián)網(wǎng)”思想[8],將變送器連入網(wǎng)絡(luò)中,利用網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù).傳統(tǒng)測(cè)量零件方法采用離線測(cè)量,不僅耗費(fèi)大量的時(shí)間,而且人工成本高,現(xiàn)代化生產(chǎn)講究高效率和低成本,采用在線測(cè)量,可以解決上述問題,并對(duì)生產(chǎn)的樣品構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫與提高產(chǎn)品的可溯源性有很大的幫助.

1 LVDT位移傳感器原理

本文采用常見的回彈式差動(dòng)變壓器式位移傳感器,它主要由銜鐵芯、一個(gè)初級(jí)線圈、兩個(gè)次級(jí)線圈和觸頭組成,結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.圖2是LVDT位移傳感器的等效電路圖,e1產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào),初級(jí)線圈為L(zhǎng)1,L2、L3為次級(jí)線圈,ui為次級(jí)線圈的差動(dòng)電壓信號(hào)輸出.等效電路中輸出電壓的有效值為

(1)

式(1)中,M1、M2原邊線圈與兩個(gè)副邊線圈之間互感系數(shù).

圖1 LVDT結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 LVDT structure

2 硬件電路

圖2 等效電路圖Figure 2 Equivalent circuit

LVDT次級(jí)輸出的正弦波經(jīng)整流后產(chǎn)生兩個(gè)直流輸出ui1和ui2,在除法電路中采集這兩個(gè)信號(hào),得到一個(gè)比例直流輸出u0.直流信號(hào)分別輸入一個(gè)差分減法電路得到ui1與ui2信號(hào)的差值,一個(gè)反向加法運(yùn)算電路得到ui1與ui2的和值,然后在除法電路中得到u0：

(2)

電路原理如圖3.

圖3 除法電路Figure 3 Division circuit

LVDT次級(jí)輸出由一對(duì)正弦波組成,其振幅差(ui1-ui2)與LVDT核心磁鐵位置成比例.原先LVDT信號(hào)調(diào)理采用同步檢測(cè),將振幅差的絕對(duì)值轉(zhuǎn)換為與銜鐵芯成比例的電壓,該方法需要穩(wěn)定振幅、恒頻的激勵(lì)信號(hào);先對(duì)LVDT主相移到二次相移進(jìn)行補(bǔ)償;再對(duì)由于溫度、頻率變化造成的偏移進(jìn)行二次補(bǔ)償.這么做不僅麻煩而且容易產(chǎn)生問題:發(fā)生器要求局限性大，信號(hào)抗干擾能力弱，相移的補(bǔ)償與溫度和頻率呈函數(shù)關(guān)系,需要頻繁補(bǔ)償,數(shù)據(jù)誤差大,軟件補(bǔ)償繁瑣,工作量大等[6].

采用設(shè)計(jì)電路后,將輸出的兩個(gè)次級(jí)信號(hào)先相除,得到它們的比值,就不需要恒定振幅的發(fā)生器,因?yàn)樘幚硇盘?hào)、比較信號(hào)都是基于LVDT輸出信號(hào)的比值.其次初、次級(jí)線圈之間的相移不敏感,比值僅僅要求LVDT次級(jí)線圈產(chǎn)生的ui1和ui2電壓之和隨LVDT行程長(zhǎng)度的變化而保持一定.在查閱了市面上大部分主流LVDT的使用手冊(cè)后,發(fā)現(xiàn)大部分LVDT滿足這一條件.

將u0經(jīng)過處理最后由下位機(jī)接收.最小系統(tǒng)選用MSP430FR4133單片機(jī)作為系統(tǒng)的MCU,其更多的寫入量,更低的功耗和更簡(jiǎn)化的開發(fā)滿足系統(tǒng)的需求[7],搭載WiFi模塊能進(jìn)行方便快捷的數(shù)據(jù)傳輸.

變送器連入網(wǎng)絡(luò),本文選用ESP-12S模塊,其體積尺寸緊湊,高度集成,因此，對(duì)外部電路的要求低,實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的無線傳輸.將數(shù)據(jù)通過軟件系統(tǒng)處理后,上位機(jī)儲(chǔ)存,從而完成了測(cè)量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫建立.

3 傳感器的標(biāo)定

因?yàn)檫@款LVDT在實(shí)際應(yīng)用中測(cè)量的是剎車片的平面度,對(duì)不同廠商的數(shù)據(jù)綜合后發(fā)現(xiàn),對(duì)測(cè)量精度要求在10～20 μm,即標(biāo)定-1到1 μm即可[8].選用3等量塊作為標(biāo)準(zhǔn)輸入量,并委托計(jì)量院對(duì)量塊參數(shù)進(jìn)行檢定如表1.

表1 量塊檢定Table 1 Volume block verification μm

校準(zhǔn)時(shí)使用微動(dòng)測(cè)量臺(tái)架和1.00 mm量塊調(diào)零傳感器,再依次更換1.20～2.00 mm,間隔0.2 mm并記錄穩(wěn)定時(shí)的采集數(shù)據(jù),完成對(duì)傳感器0 mm到1 mm的量程標(biāo)定數(shù)據(jù)記錄;通過微動(dòng)測(cè)量臺(tái)和2.00 mm量塊重新調(diào)零傳感器,依次更換1.8～1.00 mm量塊,間隔0.2 mm完成-1 mm到0 mm量程標(biāo)定數(shù)據(jù)記錄.

表2 LVDT標(biāo)定測(cè)試數(shù)據(jù)Table 2 LVDT calibration test data

表1的位移據(jù)采用最小二乘法擬合[9],得到方程為y=0.099 4x-1.401 8,該傳感器測(cè)頭分辨力為0.099 4 μm,滿足測(cè)量要求.

4 軟件實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)處理

單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集由一個(gè)主程序和一個(gè)外部中斷服務(wù)程序構(gòu)成.主程序進(jìn)行初始化設(shè)置后令單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式(LMP3).當(dāng)單片機(jī)外部中斷檢測(cè)到工件時(shí),外部中斷將單片機(jī)喚醒,退出LMP3模式,開始數(shù)據(jù)采集,完成后將數(shù)據(jù)用CRC方式校驗(yàn),接著數(shù)據(jù)通過WiFi模塊發(fā)送給上位機(jī),等上位機(jī)返回確認(rèn)信息.最后進(jìn)行空閑檢測(cè),系統(tǒng)重新進(jìn)入LMP3模式.程序流程如圖4、圖5.

圖4 主程序Figure 4 Main program

圖5 外部中斷服務(wù)程序Figure 5 External interrupt service routine

傳感器測(cè)量時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差,影響測(cè)量精度.為減小該誤差對(duì)測(cè)量精度的影響,使得傳感器在有限的測(cè)量次數(shù)內(nèi),測(cè)量值達(dá)到最優(yōu),必須進(jìn)行有效的數(shù)學(xué)處理[10-11].

1)算術(shù)平均值法:X=∑x/n,在一個(gè)點(diǎn)測(cè)量多次,然后去掉最大數(shù)和最小數(shù)后,剩下的數(shù)取平均值,這樣可以有效地消除隨機(jī)性誤差.2)中值濾波法:將采集到的若干變量值進(jìn)行排序,然后取排好順序值的中間值.它可以有效防止收到突發(fā)性脈沖干擾的數(shù)據(jù)進(jìn)入.在軟件設(shè)計(jì)中,綜合應(yīng)用了上述2種方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.對(duì)處理好的數(shù)據(jù)采用最小二乘法來算出平面度的誤差.

在專用檢測(cè)車間內(nèi)(恒溫,濕度60%),將原有測(cè)量裝置中的LVDT傳感器拆下?lián)Q上制作好的LVDT,先校準(zhǔn)后對(duì)剎車片(該剎車片在同樣溫度、濕度,型號(hào)為Explorer 07.10.05三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)下平面度誤差F0為19.16 μm作為約定真值[12])進(jìn)行重復(fù)測(cè)量10次,如圖6.計(jì)算出平面度誤差平均值與原LVDT測(cè)得平均值對(duì)比,結(jié)果如表3.

表3 新舊LVDT測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比Table 3 Comparison of new and old LVDT measurement data μm

圖6 測(cè)量裝置原理圖Figure 6 Measuring device schematic

從數(shù)據(jù)可得知原測(cè)量值的相對(duì)誤差為15.3%,新測(cè)量值的相對(duì)誤差為5.6%,相對(duì)誤差減小了9.7%.

測(cè)量系統(tǒng)相較于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的示值誤差為

(3)

測(cè)量系統(tǒng)重復(fù)性為

(4)

通過相對(duì)誤差,示值誤差和重復(fù)性計(jì)算,驗(yàn)證了在線測(cè)量系統(tǒng)的可靠性.原LVDT傳感器采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)采集,將采集數(shù)據(jù)的值顯示在LED屏幕中,再由人工輸入各點(diǎn)值,通過事先編好的程序進(jìn)行計(jì)算,表3中15.66 μm與其他測(cè)得值相差較大,可能為受干擾后采集的數(shù)據(jù).而新的LVDT傳感器在提高測(cè)頭分辨力的同時(shí),采用了WiFi傳輸數(shù)據(jù),同時(shí)優(yōu)化了原有算法,消除隨機(jī)誤差,使得新LVDT實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差在原有的基礎(chǔ)上減小了9.7%說明穩(wěn)定性好,節(jié)省了人工成本,并對(duì)每個(gè)產(chǎn)品建立了數(shù)據(jù)庫,以方便溯源.

5 結(jié)語

本文闡述了LVDT的結(jié)構(gòu)構(gòu)成、特性及應(yīng)用工作原理.針對(duì)工件的檢測(cè),改進(jìn)并設(shè)計(jì)了一個(gè)基于LVDT的在線測(cè)量系統(tǒng).將其應(yīng)用于工件測(cè)量,減小了相對(duì)誤差,降低了人工成本,提高了效率.在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量響應(yīng)具有一定的延遲性,無法達(dá)到實(shí)時(shí)的測(cè)量響應(yīng),但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,測(cè)量系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性都有了提升,并且實(shí)現(xiàn)了在線測(cè)量,為產(chǎn)品的測(cè)量建立了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫.說明此方法是有效的,從而為后續(xù)的相關(guān)在線測(cè)量實(shí)施提供了一定的參考.