容栅高度仪的研究与设计

论文摘要

容栅传感器是上世纪70—80年代研制出来的新型高精度大位移测量传感器,与其它栅式传感器相比,容栅传感器具有结构简单、体积小、耗能少、抗干扰能力强、环境适应性强、测试精度高等优点。被广泛应用于测长仪,测高仪,电子卡尺和机床的行程测量中。在对鉴相式容栅和鉴幅式容栅工作原理研究的基础上,深入探讨了鉴相式容栅系统的信号激励方式和输出信号规律,经过大量的试验后,研制了一种鉴相式容栅高度测量仪。所设计的容栅高度仪以STC89C52RC为控制核心,以可编程计数器Intel8253为鉴相核心,用数字化鉴相法将由容栅尺发生相对位移引起的输出信号相位的变化转换为位移值。本文详细地介绍了鉴相式容栅传感器的激励信号发生电路及容栅尺输出电荷信号的放大电路,系统的激励信号是由D触发器分频移相阵列产生的8路相差45°的方波信号。激励信号加在容栅尺上后容栅尺输出相位随位移的变化而改变且与激励信号同频率的电荷信号,将电荷信号作放大整形后,经过数字化鉴相处理,将相位的变化转变为计数脉冲数的变化,这样就实现了位移的数字式测量。测量值用LED显示。设计的容栅高度仪可实现-100mm—100mm范围内的高度测量,分辨率可达0.00254mm（0.1mil）,可通过键盘预置显示初值和将显示值清零,可实现公制与英制显示的实时切换。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究意义
• 1.2 国内外容栅传感器的发展与研究动态
• 1.3 本文的主要内容及章节安排
• 第二章 容栅传感器的工作原理
• 2.1 容栅尺的结构
• 2.2 鉴幅式容栅工作原理
• 2.3 鉴相式容栅工作原理
• 2.3.1 发射电极与反射电极之间的电容变化规律
• 2.3.2 鉴相式容栅的激励及输出信号产生基理
• 2.3.3 数字式鉴相原理
• 2.4 容栅传感器谐波法分析
• 2.4.1 传感器等效电路分析
• 2.4.2 激励信号的矢量分析
• 第三章 系统的硬件电路设计
• 3.1 硬件电路总体设计
• 3.2 系统器件选择方案
• 3.2.1 控制器的选择
• 3.2.2 鉴相计数器的选择
• 3.2.3 数码管驱动及键盘控制芯片的选择
• 3.2.4 串行接口芯片MAX485及高输入阻抗运放LF353
• 3.2.5 基准电压源MC1403和多路开关CD4053
• 3.3 单元电路设计
• 3.3.1 STC89C52RC与Intel8253接口电路
• 3.3.2 对称式多谐振荡电路
• 3.3.3 D触发器分频移相阵列
• 3.3.4 激励信号发生电路
• 3.3.5 电荷放大电路
• 3.3.6 放大整形电路
• 3.3.7 单片机与MAX485接口电路
• 3.3.8 键盘显示电路
• 3.3.9 容栅尺的制作
• 3.4 电路综合设计
• 第四章 系统的软件设计
• 4.1 KeilC51编译器
• 4.2 主程序的设计
• 4.3 中断子主程序的设计
• 第五章 系统的调试
• 第六章 结论
• 参考文献
• 附录A 信号处理电路原理图
• 附录B 键盘显示电路原理图
• 在学研究成果
• 致谢