CN110398196A - 一种用于精密测量的lvdt传感器信号处理方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械工件测量技术领域，具体涉及一种用于精密测量的LVDT传感器信号处理方法及***，方法包括如下步骤：步骤1：获取LVDT传感器输出的模拟信号作为激励信号；步骤2：根据激励信号设置脉冲信号的频率、脉宽和延时；步骤3：利用步骤2获得的脉冲信号的频率、脉宽和延时对步骤1获得的激励信号进行选点采样得到多个采样点，然后对所有采样点的信号幅度进行叠加并进行平滑滤波，得到伪直流信号；步骤4：对伪直流信号进行补偿，然后经过平滑滤波，输出数字信号。本发明将采集、调理、AD三个步骤一步到位，提高了***的响应速度，适用于精密测量的要求。
Description
技术领域
本发明属于机械工件测量技术领域，具体涉及一种用于精密测量的LVDT传感器信号处理方法及***。
背景技术
近年来，测量技术已广泛应用于航空、航天、汽车、高精度机械制造、新型电子、新能源、医用人工关节等行业的新产品研发和生产过程的质量控制中。传感器能将微小的位移量转换为模拟量电信号，如果对该模拟量信号进行AD转换，转换为数字信号，就可以得到相应的位移量，并以此确保所需工件的精度。
在传统的高精度测量***中，例如图2所示的解调方案，在完成解调后对模拟量电信号进行AD转换时，往往都需要配有高位的A/D转换器来输出数字量信号。这样既占用空间又增加了成本，使得高精度测量仪器往往高大笨重，使用不便，然而而小巧的测量仪器又不能满足精度和功能上的要求。同时采用硬件解调还具有灵活性不足的缺陷，相对于软件来说，硬件实现在改变参数时往往面临更多的困难。例如当我们需要修改驱动信号的频率时，硬件往往需要更换元器件，这是很不方便的。
发明内容
针对现有的信号处理方案中存在的电路体积大，信号处理过程繁杂的问题，本发明提供了一种基于精密测量仪器的LVDT传感器信号处理方法及***，采用如下技术方案实现：
一种用于精密测量的LVDT传感器信号处理方法，包括如下步骤：
步骤1：获取LVDT传感器输出的模拟信号作为激励信号；
步骤2：根据激励信号设置脉冲信号的频率、脉宽和延时；
步骤3：利用步骤2获得的脉冲信号的频率、脉宽和延时对步骤1获得的激励信号进行选点采样得到多个采样点，然后对所有采样点的信号幅度进行叠加并进行平滑滤波，得到伪直流信号；
步骤4：对伪直流信号进行补偿，然后经过平滑滤波，输出数字信号
进一步的，步骤2中对激励信号的采样以及对所有采样点的信号幅度进行叠加包括以下步骤：
步骤a：对连续n个周期内的激励信号中所有波峰和波谷各选取q个点完成采样，其中n、q为正整数；
步骤b：对所有波峰采样点的幅度值进行叠加，所有波谷采样点的幅度值取绝对值后进行叠加，最后将两次进行叠加后的值求和。
更进一步的，所述平滑滤波为2n点的平滑处理。
更进一步的，设置单片机的脉冲信号频率f为激励信号频率的两倍，设置脉冲信号的脉宽P和延时Td使得Td＝T-P/2，T为脉冲信号的周期且T＝1/f，所述脉冲信号频率f＝10KHz，所述脉宽P＝20μs，所述延时Td90μs。
更进一步的，步骤3中对伪直流信号进行补偿包括线性补偿和非线性补偿。
一种用于精密测量的LVDT传感器信号处理***，包括：LVDT传感器单元、脉冲信号参数设置单元、采样及叠加单元和补偿单元；
所述LVDT传感器单元用于输出模拟信号并将其传递给单片机作为单片机的激励信号；所述脉冲信号参数设置单元用于根据激励信号设置单片机的脉冲信号的频率、脉宽和延时；所述采样及叠加单元用于利用脉冲信号的频率、脉宽和延时对激励信号进行采样，然后对所有采样点的信号幅度进行叠加并进行平滑滤波，得到伪直流信号；所述补偿单元用于对采样及叠加单元输出的伪直流信号进行补偿，然后进行平滑滤波得到数字信号。
进一步的，采样及叠加单元包括采样子单元和叠加子单元；
所述采样子单元用于对连续n个周期内的激励信号中所有波峰和波谷各选取q个点，其中n、q为正整数；
所述叠加子单元用于将采样子单元输出的对所有波峰采样点的幅度值进行叠加，所有波谷采样点的幅度值取绝对值后进行叠加，最后将两次进行叠加后的值求和。
进一步的，设置单片机的脉冲信号频率f为激励信号频率的两倍，设置脉冲信号的脉宽P和延时Td使得Td＝T-P/2，T为脉冲信号的周期且T＝1/f，所述脉冲信号频率f＝10KHz，所述脉宽P＝20μs，所述延时Td＝90μs。
进一步的，所述补偿单元中对伪直流信号进行补偿包括线性补偿和非线性补偿。
进一步的，其特征在于所述单片机采用C8051F061单片机作为主芯片。
本发明还具有以下有益效果：
(1)用软件调理电路，简化了硬件电路，使得***更稳定，更具抗干扰性，保证了好的***频率特性。
(2)采集、调理、AD一步到位，提高了***的响应速度，适用于精密测量的要求。
(3)精简的硬件电路大幅度的减小了***的体积，使整个***变得更便携，成本更廉价，生产过程更简单。
附图说明
图1为传统信号调理流程简图与本发明调理简图对比图；
图2为一种常规电路调理过程中的信号变化图；
图3为本发明信号调理对应的波形图；
图4为本发明的流程框图。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施方式，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
首先对本方案中出现的技术名词进行解释：
线性补偿：根据LVDT传感器分别在正负最大量程下的输出电压值，得到比例系数K，并分别在正负最大量程和零点附近利用K进行线性拟合；
非线性补偿：将LVDT传感器的正负最大量程之间对应的电压进行等分并为不同电压分配不同地址空间，并在这些地址空间写入偏移值，并与测量结果相加。
如图2所示，传统的对信号进行的调理方案，例如，传感器输出一个正弦波的信号，经过运放、比较器以及多路选择开关后形成一个半波，在经过一个减法器将正弦波与半波经过各种运算放大器后，输出一个馒头波。在经过一个二阶的多路反馈滤波电路以及一些必要的一节滤波后便会得到一个可控的直流输出，该输出的电压值与传感器的位移成线性关系。到此，完成了电路的调理部分。接下来要将输出接入一个高位的AD转换器得到数字信号后，才能将信号送人计算机进一步处理。
本实施例公开了一种用于精密测量的LVDT传感器信号处理方法，无需接入高位AD转换器，包括如下步骤：
步骤1：获取LVDT传感器输出的模拟信号作为激励信号；
步骤2：根据激励信号设置脉冲信号的频率、脉宽和延时；
步骤3：利用步骤2获得的脉冲信号的频率、脉宽和延时对步骤1获得的激励信号进行选点采样得到多个采样点，然后对所有采样点的信号幅度进行叠加并进行平滑滤波，得到伪直流信号；采样过程包括设置采样时间、采样间隔和采样点个数，采样时间由脉冲信号的周期个数决定，采样间隔由脉冲信号的周期长度决定；
步骤4：对伪直流信号进行补偿，然后经过平滑滤波，输出数字信号。
步骤2中对激励信号的采样以及对所有采样点的信号幅度进行叠加包括以下步骤：
步骤a：对连续n个周期内的激励信号中所有波峰和波谷各选取q个点完成采样，其中n、q为正整数；
步骤b：对所有波峰采样点的幅度值进行叠加，所有波谷采样点的幅度值取绝对值后进行叠加，最后将两次进行叠加后的值求和。
其中，如图3所示，对n个周期内任一周期的激励信号进行的采样和叠加包括如下步骤，其中n＝8，q＝5：
具体的，设置单片机的脉冲信号的频率、脉宽和延时后，需要根据激励信号和脉冲信号的相对相位，对频率和延时进行微调，当传感器达到最大量程时或略超出最大量程时，若激励信号产生形变，则调整频率至全量程的信号峰值落入采样范围内，每当频率被修改后，激励信号的峰值便会偏移，需要重新设置与之对应的脉冲延时；
在实际操作中，当改变延时的时候，信号会产生一定的拉伸，使得波峰波谷的位置发生相移。因为在软件中首次给出理想延时时间后，需要根据实际波形对其进行调整。调整的方法如下：
首先给将被读取的延时信号一个可读写的地址，如102；然后用多路示波器对比输出信号与脉冲信号，拨动传感器，只要全量程范围内，输出波形的波峰均落在脉冲信号的高电平脉宽内即可；否则，将新的延时参数写入存储器102单元。
具体的，设置单片机的脉冲信号频率f为激励信号频率的两倍，设置脉冲信号的脉宽P和延时Td使得Td＝T-P/2，T为脉冲信号的周期且T＝1/f。
优选的，所述脉冲信号频率f＝10KHz，所述脉宽P＝20μs，所述延时Td90μs。
具体的，步骤3中对伪直流信号进行补偿包括线性补偿和非线性补偿。
如图4所示，输出1是输出给生产者用于调试，作为补偿的依据，输出2是输出给使用者，是补偿后最终得到的测量值。
本实施例还公开了一种用于精密测量的LVDT传感器信号处理***，包括：LVDT传感器单元、脉冲信号参数设置单元、采样及叠加单元和补偿单元；
所述LVDT传感器单元用于输出模拟信号并将其传递给单片机作为单片机的激励信号；所述脉冲信号参数设置单元用于根据激励信号设置单片机的脉冲信号的频率、脉宽和延时；所述采样及叠加单元用于利用脉冲信号的频率、脉宽和延时对激励信号进行采样，然后对所有采样点的信号幅度进行叠加并进行平滑滤波，得到伪直流信号；所述补偿单元用于对采样及叠加单元输出的伪直流信号进行补偿，然后进行平滑滤波得到数字信号。
具体的，采样及叠加单元包括采样子单元和叠加子单元；
所述采样子单元用于对连续n个周期内的激励信号中所有波峰和波谷各选取q个点，其中n、q为正整数；
所述叠加子单元用于将采样子单元输出的对所有波峰采样点的幅度值进行叠加，所有波谷采样点的幅度值取绝对值后进行叠加，最后将两次进行叠加后的值求和。
具体的，设置单片机的脉冲信号频率f为激励信号频率的两倍，设置脉冲信号的脉宽P和延时Td使得Td＝T-P/2，T为脉冲信号的周期且T＝1/f。
优选的，所述脉冲信号频率f＝10KHz，所述脉宽P＝20μs，所述延时Td90μs。
具体的，所述补偿单元中对伪直流信号进行补偿包括线性补偿和非线性补偿。
具体的，所述单片机采用C8051F061单片机作为主芯片，元器件需求量很少整个电路板只有56cm*16cm大小。成本廉价，也便于生产。
本***可以应用于多种仪器的精密测量，例如：
在测量轴的内径或外径时，先将轴固定，令LVDT传感器与轴接触并压至测量范围内，在轴旋转的过程中，会显示最大处内(外)径或最小处内(外)径，
首先测量轴标准件的Aout并通过按键置零，置零后，***会暂存当前值，并以传感器的当前位置为零点，然后测量别的工件的当前Aout值，计算当前Aout值与置零前保存的值相减，得到最大处内(外)径或最小处内(外)径。
Claims (10)
1.一种用于精密测量的LVDT传感器信号处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：获取LVDT传感器输出的模拟信号作为激励信号；
步骤2：根据激励信号设置脉冲信号的频率、脉宽和延时；
步骤3：利用步骤2获得的脉冲信号的频率、脉宽和延时对步骤1获得的激励信号进行选点采样得到多个采样点，然后对所有采样点的信号幅度进行叠加并进行平滑滤波，得到伪直流信号；
步骤4：对伪直流信号进行补偿，然后经过平滑滤波，输出数字信号。
2.如权利要求1所述的用于精密测量的LVDT传感器信号处理方法，其特征在于，步骤2中对激励信号进行选点采样得到多个采样点，然后对所有采样点的信号幅度进行叠加包括以下步骤：
步骤a：对连续n个周期内的激励信号中所有波峰和波谷各选取q个点完成采样，其中n、q为正整数；
步骤b：对所有波峰采样点的幅度值进行叠加，所有波谷采样点的幅度值取绝对值后进行叠加，最后将两次进行叠加后的值求和。
3.如权利要求2所述的用于精密测量的LVDT传感器信号处理方法，其特征在于，所述平滑滤波为2n点的平滑处理。
4.如权利要求1所述的用于精密测量的LVDT传感器信号处理方法，其特征在于，设置单片机的脉冲信号频率f为激励信号频率的两倍，设置脉冲信号的脉宽P和延时Td使得Td＝T-P/2，T为脉冲信号的周期且T＝1/f。
5.如权利要求1所述的用于精密测量的LVDT传感器信号处理方法，其特征在于，步骤3中对伪直流信号进行补偿包括线性补偿和非线性补偿。
6.一种用于精密测量的LVDT传感器信号处理***，其特征在于，包括：LVDT传感器单元、脉冲信号参数设置单元、采样及叠加单元和补偿单元；
所述LVDT传感器单元用于输出模拟信号并将其传递给单片机作为单片机的激励信号；所述脉冲信号参数设置单元用于根据激励信号设置单片机的脉冲信号的频率、脉宽和延时；所述采样及叠加单元用于利用脉冲信号的频率、脉宽和延时对激励信号进行采样，然后对所有采样点的信号幅度进行叠加并进行平滑滤波，得到伪直流信号；所述补偿单元用于对采样及叠加单元输出的伪直流信号进行补偿，然后进行平滑滤波得到数字信号。
7.如权利要求6所述的用于精密测量的LVDT传感器信号处理***，其特征在于，采样及叠加单元包括采样子单元和叠加子单元；
所述采样子单元用于对连续n个周期内的激励信号中所有波峰和波谷各选取q个点，其中n、q为正整数；
所述叠加子单元用于将采样子单元输出的对所有波峰采样点的幅度值进行叠加，所有波谷采样点的幅度值取绝对值后进行叠加，最后将两次进行叠加后的值求和。
8.如权利要求6所述的用于精密测量的LVDT传感器信号处理***，其特征在于，设置单片机的脉冲信号频率f为激励信号频率的两倍，设置脉冲信号的脉宽P和延时Td使得Td＝T-P/2，T为脉冲信号的周期且T＝1/f。
9.如权利要求6所述的用于精密测量的LVDT传感器信号处理***，其特征在于，所述补偿单元中对伪直流信号进行补偿包括线性补偿和非线性补偿。
10.如权利要求6所述的用于精密测量的LVDT传感器信号处理***，其特征在于所述单片机采用C8051F061单片机作为主芯片。
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