内蒙古大学传感器与检测技术讲义第16章位移测量系统的设计

第16章 位移测量系统的设计16.1 设计要求用霍尔传感器设计一个量程范围为-0.60.6mm的位移测量仪。霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度低一点、不等位电位小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。当物体在一对相对的磁铁中水平运动时，在一定的范围内，磁场的大小随位移的变化而发生线性变化，利用此原理可制成位移测量器。通过本设计，要掌握以下内容：Ø 了解霍尔传感器测量位移的原理Ø 掌握霍尔元件的测量电路Ø 测量电路硬件实现后，当输出模拟信号时，会用数据采集卡进行采集Ø 掌握采集后的信号在LabVIEW中的处理，实现位移值的显示Ø 了解分别采用软件仿真和实际硬件电路时，在LabVIEW中编程与处理的不同16.2 电路原理与设计1传感器模型建立霍尔传感器基于霍尔效应，用公式表示如下 （16-1）式中，UH为霍尔电压；KH为霍尔元件灵敏度；I为控制电流；B为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。两块相对的磁铁间形成磁场，当物体在沿垂直于磁场方向运动时，在一定的测量范围内，磁感应强度与位移的关系是近似线性的，所以输出电压与位移也存在线性关系。图16-1所示为实际霍尔传感器测量位移的特性，可见在-0.60.6mm之间，电压位移关系近似线性。对实验数据进行拟合，由于实际数据是经过放大后的数据，在拟合前要将数据除以放大倍数。拟合后的数学表达式为 （16-2）式中，UH为霍尔元件输出电压，单位为mV；X为被测位移量，单位为mm。图16-1 霍尔位移传感器的特性由以上分析可知，霍尔位移传感器只在很小的范围内呈线性，所以它是用来测量微小位移的。在Mulitisim中霍尔传感器模型的建立如图16-2所示（图中1、2为激励电极，3、4为霍尔电极），它的测量范围是-0.60.6mm。V1可模拟位移，压控电压源V2模拟霍尔元件随位移而变化的输出电压UH。图16-2 霍尔传感器模型2放大电路设计霍尔电势一般在mV量级，在实际使用时必须加放大电路，此处加的是差分放大电路，如图16-3所示。图16-3 测量电路3电路仿真分析1）交流分析 将图16-3所示电路的1和2节点之间改接一个交流电压源，设其幅值和相位分别为1V和50Hz，然后对电路进行交流分析，设开始和终止频率分别为1Hz和1MHz，输出节点选择节点12，其他设置按默认设置，仿真结果如图16-4所示，该放大电路的带宽约100kHz。2）傅里叶分析 电路的输入端仍然接上面的交流源，对电路进行傅里叶分析，其设置如图16-5所示，频率分辨率（基本频率）项和采样停止时间项都可通过单击其后的“Estimate”按钮进行估计，输出节点仍然选择12点，分析结果如图16-6所示，由图中表格可知电路的总谐波失真（THD）较小，各次谐波的幅值也非常小。 图16-4 交流分析结果 图16-5 傅里叶分析设置3）直流扫描分析 按图16-3所示输入端接霍尔传感器模型，对模拟实际位移量的电压源V1进行直流参数扫描，分析设置如图16-7所示，扫描的范围为-0.60.6V，每0.2V扫描一次，输出节点选择节点12，扫描的结果如图16-8所示，可见在-0.60.6mm位移范围内，电路的输出近似线性。 图16-6 傅里叶分析结果 图16-7 直流扫描分析设置4）传递函数分析 将放大电路的输入端改接一小信号直流电压源作为输入源，然后进行传递函数分析，结果如图16-9所示，放大电路的放大倍数约为-4.8倍，电路输入阻抗约为20kW，输出阻抗约为0.024W。 图16-8 直流扫描分析结果 图16-9 传递函数分析结果5）参数扫描分析 滑动变阻器RW1的中心抽头打在中间位置不变，对电阻R3的阻值进行参数扫描，分析其大小的变化对电路放大倍数的影响。参数扫描的设置如图16-10所示，要分析的输出变量设为输出节点与两输入节点之差的比值，即放大电路的放大倍数。参数扫描的分析结果如图16-11所示，由于电阻R4为51kW，所以当反馈回路上总的电阻和R4的阻值不相等，即参数不对称时，放大倍数并不等于反馈回路总电阻与R1阻值的比值，还和R4有关。 （a）分析参数设置 （b）输出变量设置图16-10 参数分析设置图16-11 参数分析结果6）实验数据处理 电路调好后进行仿真，可得表16-1的实验结果。表16-1 实验结果位移X/mm-0.6-0.4-0.200.20.40.6电压Uo/mV464.408309.659154.9110.162598-154.586-309.334-464.083用Matlab进行对表16-1的实验结果拟合后得 （16-3）16.3 LabVIEW显示模块设计1位移测量子程序的设计由16.2节式（16-3）可得位移表达式 （16-4）根据式（16-4）可建立一个子VI，具体步骤如下。（1）从开始菜单中运行“National Instruments LabVIEW 8.2”，在“Getting Started”窗口左边的Files控件里，选择Blank VI建立一个新程序。（2）框图程序的绘制：为了解决数据转换问题，采用上个设计中采用的数据转换的第3种实现方法设计程序框图。用这种方法设计的子程序在接口电路设计时就不用考虑数据转换了。利用For Loop进行两次自动索引，使数据变为单个值显示，这里省去了矩阵索引函数。需要注意的是，后面的数据通道不能设为自动索引，否则输出将不再是单个数值。图中Input为时域信号采集器，它由控制模板I/O模块里的波形函数经矩阵化而成。连续的电压波形在外层For循环内必须加一个波形元素提取模块把Y值提取出来，否则数据在里层For循环中不能利用自动索引，达不到数据转换的目的。根据式（16-4）在里层For循环中用常数和运算函数构建程序框图，输出为位移值，如图16-12所示。图16-12 程序框图（3）定义图标与连接器：双击右上角图标编辑后如图16-13（a）所示。用鼠标右键单击前面板窗口中的图标窗格，在快捷菜单中选择“Show Connector”，此时连接窗格为默认模式，用鼠标右键点选一种单输入单输出的模式，左边窗格与时域信号采集器Input相关联，右边窗格与位移显示相关联。关联后的连接器窗格如图16-13（b）所示。完成上述工作后，将设计好的VI保存。2接口电路的设计与编译关于接口的研究及LabVIEW仪器向Multisim的导入的原理请参照第12章的内容。本设计中接口电路的设计与编译分以下几步：（1）把Multisim安装目录下Sampling/LabVIEW Instruments/Templates/Input文件夹复制到另外一个地方。（2）在LabVIEW 中打开步骤（1）中所复制的StarterInputInstrument .lvproj工程，如图16-14所示。接口电路的设计是在Starter Input Instrument.vit中进行的。 （a） （b）图16-13 图标与连接器 图16-14 StarterInputInstrument .lvproj工程图（3）打开Starter Input Instrument.vit的框图面板，完成接口框图的设计。在数据处理部分，选择CASE结构下拉菜单中的“Update DATA”选项进行修改。按框图中的说明，在结构框中右键点击选择Select a VI，把在LabVIEW完成的子VI添加在“Update DATA”选项中即可。子VI输入端Input与Multisim的对仪器的输入端相连，在子VI的输出端单击鼠标右键创建位移指示表，如图16-15所示。程序框图设计好后，要进行前面板的设计，除了要完成功能外，还要兼顾美观。设计好的前面板如图16-16所示。完成修改后选择重命名，保存为proj4.vit。（4）编译之前，要对虚拟仪器进行基本信息设置。打开subVIs下的Starter Input Instrument_multisimInformation.vi的后面板，如图16-17所示，在仪器ID中和显示名称中填入唯一的标志，如一起设为plotterproj4。同时把输入端口数设为“1”，因为只有一个电压输入；把输出端口设为“0”，此模块不需要输出。设置完后另存为proj4_multisimInformation.vi，注意前半部分的名字和接口程序部分的命名必须一致。 图16-15 接口部分设计 图16-16 前面板设计图16-17 虚拟仪器基本信息的修改（5）编译属性设置：打开Build Specifications，用鼠标右键单击“Source Distribution”，选择属性设置，在保存目录和支持目录中，都将编译完成后要生成的库文件重命名，如proj4（.lib）。同时在原文件设置中选择总是包括所有包含的条目，如图16-18所示。属性设置完成并保存后，再在“Source Distribution”上单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“Build”即可。（6）编译完成后，在Input文件夹下生成一个Build文件夹，打开后把里面的文件复制到National InstrumentsCircuit Design Suite 10.0下的lvinstruments文件夹中，这样就完成了虚拟仪器的导入，当再打开Multisim时，在LabVIEW仪器下拉菜单下就会显示所设计的模块（plotterproj4），如图16-19所示。 图16-18 编译属性设置 图16-19 Multisim下LabVIEW仪器菜单霍尔位移测量电路的输出接设计好的显示模块，对电路调零后可得图16-20所示的部分结果，可见设计结果基本符合要求。 （a）-0.2mm结果 （b）0.4mm结果图16-20 实验结果16.4将Multisim导入Labview1在Multisim中添加LabVIEW交互接口：这些Multisim中的接口是分级模块(Hierarchical Block)和子电路(Sub-Circuit)接口(Hierarchical connector)，用来与LabVIEW仿真引擎之间进行数据收发。1）右键点击鼠标并从弹出的快捷菜单中选择 Place on schematic/Hierarchical connector。如图16-21所示。放置一个接口在电路图的左上方，另一个放置在右上方。按照图16-22将电路与接口连接起来。图 16-21 选择交互接口图 16-22 接口电路2）设置接口：打开View菜单下的LabVIEW Co-simulation Terminals窗口，设置针对LabVIEW的输入或者输出。为了将各个接口配置为输