屠乾磊,王學影,鄭永軍

(中國計量大學 計量測試工程學院,浙江 杭州 310018)

“十三五計劃”實施“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃,發(fā)展網(wǎng)絡經(jīng)濟,寬帶提速,實施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略等措施,拉動微電子加工技術、計算機技術及信息處理技術的飛速發(fā)展[1].工業(yè)流水線上,傳感器作為工件信息傳遞的起始端起著舉足輕重的作用.其中LVDT位移傳感器能夠進行非接觸式位移測量,且已有成熟的數(shù)字信號處理技術:算法、離散模擬電路和人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術等,來改善LVDT的線性范圍[2-4].由于該傳感器的結構構成簡單、磨損率低、輸出信號的線性和重復性佳,能勝任除強磁場外的其他惡劣工作環(huán)境,因此受到青睞[5].

現(xiàn)有的LVDT的調(diào)理電路,采用同步檢測技術來測量ui1和ui2的幅度差,以初級線圈激勵電壓作為相位參考,確定輸出電壓的極性.這需要發(fā)生器具有穩(wěn)定的振幅,恒定的頻率,局限性大.又LVDT初級信號至次級信號會發(fā)生相移,為減小誤差需要進行相移的補償.然而補償與溫度和頻率呈函數(shù)關系,軟件補償繁瑣、工作量大且容易出錯,造成測量誤差[6].經(jīng)過反復研究和測試,設計出一種次級信號差值(ui1-ui2)與和值(ui1+ui2)比例為工作原理的在線測量電路,能解決原先方法所產(chǎn)生的缺陷,既無需穩(wěn)定振幅,恒定頻率的發(fā)生器,初級次級信號的相移又不影響系統(tǒng)精度,提高了溫度穩(wěn)定性,使得數(shù)據(jù)更準確.

信號調(diào)理電路一般封裝在LVDT的變送器中,變送器通過導線與顯示儀表相連接.對于車間的LVDT實際應用中往往是多個LVDT同時測量,每個LVDT攜帶一個變送器,造成導線凌亂不工整、有時甚至會出現(xiàn)導線過短的現(xiàn)象.導線傳輸模擬信號,抗干擾能力較弱,通信系統(tǒng)內(nèi)部的噪音會導致通信質(zhì)量的降低,微小的電壓信號還容易受到線路溫度的影響[7].這些原因都會使測量結果出現(xiàn)誤差.因此完成遠距離傳輸,可采用“物聯(lián)網(wǎng)”思想[8],將變送器連入網(wǎng)絡中,利用網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù).傳統(tǒng)測量零件方法采用離線測量,不僅耗費大量的時間,而且人工成本高,現(xiàn)代化生產(chǎn)講究高效率和低成本,采用在線測量,可以解決上述問題,并對生產(chǎn)的樣品構建網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫與提高產(chǎn)品的可溯源性有很大的幫助.

1 LVDT位移傳感器原理

本文采用常見的回彈式差動變壓器式位移傳感器,它主要由銜鐵芯、一個初級線圈、兩個次級線圈和觸頭組成,結構示意圖如圖1.圖2是LVDT位移傳感器的等效電路圖,e1產(chǎn)生激勵信號,初級線圈為L1,L2、L3為次級線圈,ui為次級線圈的差動電壓信號輸出.等效電路中輸出電壓的有效值為

(1)

式(1)中,M1、M2原邊線圈與兩個副邊線圈之間互感系數(shù).

圖1 LVDT結構示意圖Figure 1 LVDT structure

2 硬件電路

圖2 等效電路圖Figure 2 Equivalent circuit

LVDT次級輸出的正弦波經(jīng)整流后產(chǎn)生兩個直流輸出ui1和ui2,在除法電路中采集這兩個信號,得到一個比例直流輸出u0.直流信號分別輸入一個差分減法電路得到ui1與ui2信號的差值,一個反向加法運算電路得到ui1與ui2的和值,然后在除法電路中得到u0：

(2)

電路原理如圖3.

圖3 除法電路Figure 3 Division circuit

LVDT次級輸出由一對正弦波組成,其振幅差(ui1-ui2)與LVDT核心磁鐵位置成比例.原先LVDT信號調(diào)理采用同步檢測,將振幅差的絕對值轉換為與銜鐵芯成比例的電壓,該方法需要穩(wěn)定振幅、恒頻的激勵信號;先對LVDT主相移到二次相移進行補償;再對由于溫度、頻率變化造成的偏移進行二次補償.這么做不僅麻煩而且容易產(chǎn)生問題:發(fā)生器要求局限性大，信號抗干擾能力弱，相移的補償與溫度和頻率呈函數(shù)關系,需要頻繁補償,數(shù)據(jù)誤差大,軟件補償繁瑣,工作量大等[6].

采用設計電路后,將輸出的兩個次級信號先相除,得到它們的比值,就不需要恒定振幅的發(fā)生器,因為處理信號、比較信號都是基于LVDT輸出信號的比值.其次初、次級線圈之間的相移不敏感,比值僅僅要求LVDT次級線圈產(chǎn)生的ui1和ui2電壓之和隨LVDT行程長度的變化而保持一定.在查閱了市面上大部分主流LVDT的使用手冊后,發(fā)現(xiàn)大部分LVDT滿足這一條件.

將u0經(jīng)過處理最后由下位機接收.最小系統(tǒng)選用MSP430FR4133單片機作為系統(tǒng)的MCU,其更多的寫入量,更低的功耗和更簡化的開發(fā)滿足系統(tǒng)的需求[7],搭載WiFi模塊能進行方便快捷的數(shù)據(jù)傳輸.

變送器連入網(wǎng)絡,本文選用ESP-12S模塊,其體積尺寸緊湊,高度集成,因此，對外部電路的要求低,實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的無線傳輸.將數(shù)據(jù)通過軟件系統(tǒng)處理后,上位機儲存,從而完成了測量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫建立.

3 傳感器的標定

因為這款LVDT在實際應用中測量的是剎車片的平面度,對不同廠商的數(shù)據(jù)綜合后發(fā)現(xiàn),對測量精度要求在10～20 μm,即標定-1到1 μm即可[8].選用3等量塊作為標準輸入量,并委托計量院對量塊參數(shù)進行檢定如表1.

表1 量塊檢定Table 1 Volume block verification μm

校準時使用微動測量臺架和1.00 mm量塊調(diào)零傳感器,再依次更換1.20～2.00 mm,間隔0.2 mm并記錄穩(wěn)定時的采集數(shù)據(jù),完成對傳感器0 mm到1 mm的量程標定數(shù)據(jù)記錄;通過微動測量臺和2.00 mm量塊重新調(diào)零傳感器,依次更換1.8～1.00 mm量塊,間隔0.2 mm完成-1 mm到0 mm量程標定數(shù)據(jù)記錄.

表2 LVDT標定測試數(shù)據(jù)Table 2 LVDT calibration test data

表1的位移據(jù)采用最小二乘法擬合[9],得到方程為y=0.099 4x-1.401 8,該傳感器測頭分辨力為0.099 4 μm,滿足測量要求.

4 軟件實現(xiàn)及數(shù)據(jù)處理

單片機的數(shù)據(jù)采集由一個主程序和一個外部中斷服務程序構成.主程序進行初始化設置后令單片機進入低功耗模式(LMP3).當單片機外部中斷檢測到工件時,外部中斷將單片機喚醒,退出LMP3模式,開始數(shù)據(jù)采集,完成后將數(shù)據(jù)用CRC方式校驗,接著數(shù)據(jù)通過WiFi模塊發(fā)送給上位機,等上位機返回確認信息.最后進行空閑檢測,系統(tǒng)重新進入LMP3模式.程序流程如圖4、圖5.

圖4 主程序Figure 4 Main program

圖5 外部中斷服務程序Figure 5 External interrupt service routine

傳感器測量時會產(chǎn)生誤差,影響測量精度.為減小該誤差對測量精度的影響,使得傳感器在有限的測量次數(shù)內(nèi),測量值達到最優(yōu),必須進行有效的數(shù)學處理[10-11].

1)算術平均值法:X=∑x/n,在一個點測量多次,然后去掉最大數(shù)和最小數(shù)后,剩下的數(shù)取平均值,這樣可以有效地消除隨機性誤差.2)中值濾波法:將采集到的若干變量值進行排序,然后取排好順序值的中間值.它可以有效防止收到突發(fā)性脈沖干擾的數(shù)據(jù)進入.在軟件設計中,綜合應用了上述2種方法進行數(shù)據(jù)處理.對處理好的數(shù)據(jù)采用最小二乘法來算出平面度的誤差.

在專用檢測車間內(nèi)(恒溫,濕度60%),將原有測量裝置中的LVDT傳感器拆下?lián)Q上制作好的LVDT,先校準后對剎車片(該剎車片在同樣溫度、濕度,型號為Explorer 07.10.05三坐標測量機下平面度誤差F0為19.16 μm作為約定真值[12])進行重復測量10次,如圖6.計算出平面度誤差平均值與原LVDT測得平均值對比,結果如表3.

表3 新舊LVDT測量數(shù)據(jù)對比Table 3 Comparison of new and old LVDT measurement data μm

圖6 測量裝置原理圖Figure 6 Measuring device schematic

從數(shù)據(jù)可得知原測量值的相對誤差為15.3%,新測量值的相對誤差為5.6%,相對誤差減小了9.7%.

測量系統(tǒng)相較于三坐標測量機的示值誤差為

(3)

測量系統(tǒng)重復性為

(4)

通過相對誤差,示值誤差和重復性計算,驗證了在線測量系統(tǒng)的可靠性.原LVDT傳感器采用點對點采集,將采集數(shù)據(jù)的值顯示在LED屏幕中,再由人工輸入各點值,通過事先編好的程序進行計算,表3中15.66 μm與其他測得值相差較大,可能為受干擾后采集的數(shù)據(jù).而新的LVDT傳感器在提高測頭分辨力的同時,采用了WiFi傳輸數(shù)據(jù),同時優(yōu)化了原有算法,消除隨機誤差,使得新LVDT實測值相對誤差在原有的基礎上減小了9.7%說明穩(wěn)定性好,節(jié)省了人工成本,并對每個產(chǎn)品建立了數(shù)據(jù)庫,以方便溯源.

5 結語

本文闡述了LVDT的結構構成、特性及應用工作原理.針對工件的檢測,改進并設計了一個基于LVDT的在線測量系統(tǒng).將其應用于工件測量,減小了相對誤差,降低了人工成本,提高了效率.在實驗中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的測量響應具有一定的延遲性,無法達到實時的測量響應,但實驗結果顯示,測量系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性都有了提升,并且實現(xiàn)了在線測量,為產(chǎn)品的測量建立了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫.說明此方法是有效的,從而為后續(xù)的相關在線測量實施提供了一定的參考.