基于数字位移传感器的位移测量系统

　　0 引言

　　在许多计算机应用系统中，并行接口和RS 232串行通用接口是使用最为普遍的两种标准接口。标准并行接口采用8位数据的并行正向传输，其特点是传输速度快、传输距离短。而RS 232串行接口常用于数据终端设备和数据通信设备之间的连接，其特点是传输速度相对较慢，但传送距离较远。

　　云台一米红外太阳望远镜(以下简称YNST)的主镜调焦将采用基于数字位移传感器的位移测量系统，在所提出来的科学目标中，要求主镜调焦中M3镜调焦范围为O～20 mm，并且位移测量值实时地显示在数显表或控制软件上，传输速率要求不高，但传输距离要在10～15 m。而系统选择的高精度数字位移传感器只提供标准并行接口(standard Parallel Port，SPP)，它与上位机连接的SPP数据传输线较短，为此在保证系统反馈环节数据传输速率达到系统要求的前提条件下，在上位机与数字位移传感器之间接入SPP转RS 232接口电路，解决传输距离短的问题。

　　1 系统的结构及位移传感器工作原理

　　1.1 系统结构

　　系统的整体结构如图1所示，系统主要由上位机、运动控制环节和位移反馈环节组成。上位机为至少含有两个COM口的工业控制计算机。运动控制环节主要由运动控制器、驱动器、混合式步进电机和水平机械运动装置组成;位移反馈环节主要由带数显表的数字位移传感器和SPP转RS 232接口电路组成。数字位移传感器型号为5CB～10C，位移测量范围为0～20 mm，数显表读数范围为O～19.999 mm，分辨率为1μm，线性度达到满量程的0.05%，即精度达到10μm。

　　1.2 数字位移传感器工作原理

　　数字位移传感器由差动变压器(LVDT)和电测仪器组成。LVDT是把被测位移量变换成电信号的传感器，它具有结构简单使用方便、使用寿命长等特点，可直接用于测量物体间的相对变位，物体的长度变化。它不但可测静态位移也可测量动态位移，电测仪器由电子测量线路和数字面板表、A/D转换板组成。A/D转换板有单端16路模拟量输入，A/D转换位数为14位，转换速度达到10μs。LVDT最基本的结构是由在圆柱形骨架上绕有螺旋形的原边和两个付边绕组所组成的线圈及一可动铁芯构成，其原理如图2所示。

　　当原边供给一振荡电压时，由于电磁感应，两付边就分别产生感应电压V1和V2。若铁芯正处线圈的中心位置时，两付边对原边的互感量正好相等，同时两付边的交流电压分别经检测电路检波后，把所得两直流电压取其差值，则输出差动直流电压V为零。当铁芯往上位移时，上边的付边与原边的互感量增大，而下边的减小，即出现V1>V2，则差动直流输出电压V>O，反之亦然。LVDT两付边的感应电压V1，V2和差动直流输出电压V与铁芯在线圈中的位置的定性关系见图3，可见差动直流电压V与铁芯位移的大小在某一范围内是呈线性关系的。测量时把LVDT壳体夹固在参照物上，把和铁芯连接的测杆紧固在被测点上，当被测对象位移时就带动铁芯相对于线圈移动，从而线性地改变LVDT的输出电压。这样通过电测仪器测量LVDT输出电压的大小，即可测量出被测对象的位移量。