调频式电容位移传感器高速测频与非线性校正技术研究

论文摘要

电容式位移传感器由于具有结构简单、分辨率高、动态特性好、能实现非接触式测量等特点,在精密加工、高精度定位、超精密测量等领域得到广泛的应用。电容位移传感器的输出信号较小,而且输入输出特性存在一定的非线性,如何实现电容信号的提取以及对其输入输出特性进行有效的非线性处理就成了影响电容传感器性能的关键。本文基于调频式电容位移传感器输出信号的特点,对调频信号频率测量技术以及非线性校正技术进行深入了的研究,具体研究工作如下:首先,在对频率测量的方法进行归纳、总结的基础上,设计了以现场可编程门阵列(FPGA)为核心的频率测量模块,对多周期同步测频进行了方法改进,实现FPGA内部多周期同步测频逻辑代码的编写;其次,对基于神经网络的非线性校正以及曲线拟合技术进行了研究,设计了基于傅立叶级数神经网络的非线性校正算法并进行仿真,实现了算法向DSP芯片中程序的移植。再次,研制了基于TMS320VC5402芯片的电容位移传感器非线性校正和信号处理模块,进行了DSP外围的FLASH存储器扩展、串口通信、液晶显示等模块的软硬件设计。最后,对频率测量以及非线性校正模块进行了性能测试、实验和研究,为电容位移传感器性能的改进提供了理论和数据的参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 电容位移传感技术研究现状
• 1.2.2 频率测量技术研究现状
• 1.2.3 非线性校正技术研究现状
• 1.2.4 基于神经网络的非线性校正技术研究现状
• 1.3 课题研究的主要内容
• 第2章 高速测频模块设计
• 2.1 引言
• 2.2 常用的频率测量方法
• 2.3 多周期同步法测频方案设计
• 2.3.1 多周期同步法测频的原理及误差分析
• 2.3.2 多周期同步测频的方法改进
• 2.4 频率测量模块的硬件电路设计
• 2.5 频率测量模块的软件设计
• 2.5.1 FPGA逻辑代码设计
• 2.5.2 VHDL逻辑代码的仿真
• 2.6 本章小结
• 第3章 非线性校正模块设计
• 3.1 引言
• 3.2 非线性校正模块的原理
• 3.2.1 傅立叶级数神经网络的数学模型
• 3.2.2 傅立叶级数神经网络在非线性校正中的应用
• 3.3 非线性校正模块的硬件设计
• 3.3.1 DSP硬件系统总体方案设计
• 3.3.2 DSP扩展FLASH存储器设计
• 3.3.3 DSP串行通信模块硬件设计
• 3.3.4 显示模块硬件电路设计
• 3.3.5 调频式电容位移传感器信号处理模块的实物图
• 3.4 非线性校正模块的软件设计
• 3.4.1 软件的总体流程设计
• 3.4.2 基于傅立叶级数神经网络的曲线拟合的仿真程序设计
• 3.4.3 DSP非线性校正程序设计
• 3.4.4 读取FPGA数据及数据转换的程序设计
• 3.4.5 在线FLASH存储器编程及Boot loader程序设计
• 3.4.6 基于TL16C550 的串口通信程序设计
• 3.4.7 液晶显示模块固件程序设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 实验及性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 频率测量模块实验
• 4.2.1 多周期同步法测频实验
• 4.2.2 实验对比及性能分析
• 4.3 非线性校正模块仿真
• 4.3.1 傅立叶级数神经网络法曲线拟合仿真
• 4.3.2 非线性校正模块实验
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢