基于LVDT和SGS的微定位嵌入式控制系统

　　0 引言

　　LVDT( Linear Variable Differential Transformer) 工作原理简单地说是铁芯可动变压器。它由一个初级线圈，两个次级线圈，铁芯，线圈骨架，外壳等部件组成。初级线圈、次级线圈分布在线圈骨架上，线圈内部有一个可自由移动的杆状铁芯，当铁芯处于中间位置时，两个次级线圈产生的感应电动势相等，这样输出电压为零; 当铁芯在线圈内部移动并偏离中心位置时，两个线圈产生的感应电动势不等，有电压输出，这个输出的电压值与铁芯的位移量成线性关系。LVDT 采用电磁感应原理来检测微小的位移变化，实现精密定位。其分辨率一般 < 30 nm，精度 < 50 nm，线性度 <0. 25% ，并且结构简单，工作可靠，寿命长，重复性好，工作温度范围大，因而得到了广泛的应用。

　　SGS( Strain Gauge Sensor) 是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件，SGS 应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘合剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。SGS 一般会配合惠斯通电桥一起使用，当电桥电阻发生变化时，电桥输出与应变成正比的差分电压。SGS 分辨率一般 <10 nm，精度 < 10 nm，线性度 < 0. 1% ，侧量范围广，结构简单，寿命长，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化，因此它广泛应用于自动测试和控制技术中。

　　目前，美国、日本、欧盟等都把纳米加工技术和相关设备的研发作为纳米科技的重点发展领域，投入了大量的人力物力。纳米制造是纳米科技中重要的一环，纳米压印技术是以模板为基础的纳米制造技术中的佼佼者，而纳米压印中最重要的一项技术就是纳米级定位。为此，设计了基于 LVDT 和 SGS 的纳米定位嵌入式控制系统，最后，通过实验验证了系统的实用性。

　　1 系统总体结构框图

　　纳米定位嵌入式控制系统以欧式 3u 板卡的规格安装在欧式3u 机箱中，系统要安装的板卡主要包括 LVDT CARD，SGSCARD，ARM CARD。其中 LVDT CARD 包含了 3 个独立的 LVDT信号调理通道，可同时对外接的 3 路 LVDT 信号进行调理并输出。每路通道的输入为位移信号，量程为 ±130 μm，对应的输出为线性变化的电压，电压范围为0 ～10 V，线性度小于 0. 25%，分辨率小于30 nm. SGS CARD 也包含3 个独立的 SGS 信号调理通道，可同时对外接的 3 路 SGS 信号进行调理并输出。每路通道的输入为电阻应变片的应变，采用了惠斯通半桥电路转化成差分电压输出，然后通过滤波、放大、有源滤波、微调电路以及偏置电路，电压输出范围为线性的 0 ～10 V，线性度小于 0. 1%，分辨率小于10 nm. ARM CARD 以 ARM7 为核心，外扩 6 通道 16 位ADC，对 3 路 LVDT 和 3 路 SGS 信号进行采集并将数字信号储层在 FLASH 中，ARM7 对采集的数据进行处理并将信号送到 LCD中显示位移信号。ARM CARD 上也扩展了16 位 DAC，用户可以在检测到各个通道的位移信号后驱动 DAC 输出，来满足用户需求。板卡上扩展了6 个通道的 DAC，DAC 电压输出范围为0 ～10V，分辨率为 V. 为了方便系统与计算机进行通讯，ARM CARD 也扩展了 RS232、ETHERNET、USB 接口。