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高精度自動安平掃平儀

[ 2009-8-17 ]  [轉(zhuǎn)載請注明來源:就是要儀器網(wǎng) m.mrboha.com]

掃平儀是一種提供平面或直線基準的儀器[1]。新型的自動安平激光掃平儀,利用半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光束軌跡作為測量基準,具有小巧、廉價、操作簡單、適用面寬等特點。它與探測器配合,可以在一定的半徑范圍內(nèi)控制任一測點的水平高度,能將測量與施工結(jié)合在一起,實現(xiàn)施工的自動化,在各種工民建施工場合中得到廣泛應(yīng)用。但是,目前國內(nèi)工程建筑中使用的自動安平激光掃平儀精度能達到10‘’以上的多為進口,成本過高。
電容式傳感器以其靈敏度高、動態(tài)響應(yīng)塊、成本低等諸多優(yōu)越性得到廣泛應(yīng)用[2]。而檢測電容傳感器的電荷變化的困難在于實現(xiàn)高性能、低成本的電容輸入的信號處理前端。一直以來很多人對此進行了大量研究。例如王莉田[3]等提出的差動線性電路,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]等對目前微小電容測量電路的測量方法進行了總結(jié),分析了它們的優(yōu)缺點,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量電路。這些傳統(tǒng)的電容測量電路,或者方法簡單,達不到高的精度要求(分辨率都在fF量級),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,分辨率達到aF量級,大大降低了設(shè)計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)計的自動安平掃平儀選用電容式傾角傳感器進行水平監(jiān)測。采用CDC 芯片AD7746作為傳感器信號調(diào)理電路,直接將傳感器信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,以自帶I2C口線及PWM產(chǎn)生器單片機ADuC841作為為核心控制器件,以直流電機作為水平調(diào)節(jié)的執(zhí)行機構(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。
2. 儀器功能框圖
本文設(shè)計的激光掃平儀功能框圖如圖1所示,該儀器以單片機為核心控制器件,以激光射線的形式給出標準水平面。在安置激光管的掃平臺上以一定角度交叉放置傾角傳感器X、Y,監(jiān)測掃平面傾斜度,當掃平面水平時單片機控制進行激光旋轉(zhuǎn)掃描。而所謂的自動安平功能就是儀器底座發(fā)生傾斜時,單片機根據(jù)傳感器得到的數(shù)據(jù)控制直流電機X、Y運轉(zhuǎn),調(diào)節(jié)掃平面傾斜度使其保持水平。當?shù)鬃鶅A斜度超出儀器能夠調(diào)平的角度范圍時,儀器停止掃描,并發(fā)出聲音報警,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)射激光點等功能,這些功能通過鍵盤輸入進行控制。
 
3. 儀器功能實現(xiàn)
根據(jù)儀器功能的要求,本文設(shè)計的自動安平掃平儀在水平監(jiān)測電路中高精度、完全集成的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)AD7746作為傳感器信號調(diào)理電路,直接將傳感器信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。所選的ADuC841單片機自身帶有I2C口線,直接與AD7746進行通訊,而且該單片機自帶PWM產(chǎn)生器,輸出兩路PWM可直接用來對直流電機進行調(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
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)測和位置檢測——實現(xiàn)高精密測量,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)測傳感器,它是根據(jù)差動電容原理進行水平度測量,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,當氣泡長度合格后燒封。玻璃管外殼由兩個半殼體組成,一個作為底座,另一個作為電路接地層。在兩個半殼體之間,兩邊等距地置有電容極板,電容極板上左右對稱的刻蝕出2個可變靜電板。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)有隔板作為兩個靜電容的隔離,防止串接。
傳感器保持水平時,2個靜電極板浸在液體的面積相同,當傳感器以重力方向為軸旋轉(zhuǎn)時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,液面的流動造成電容發(fā)生變化,據(jù)此可測出傾斜角。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,對其進行改進,使得完整的電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以在單芯片中實現(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 。標準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輸入之間電荷來實現(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激勵電壓。移到片外的可變電容可以是一個電容式傳感器。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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