Методы и средства обработки сигналов с индуктивных датчиков в микроконтроллерных системах

• Автор: Брякин, Алексей Леонидович
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Пенза
• Количество страниц: 191 с. : ил.

Оглавление
Введение

1 Методы обработки информации с индуктивных датчиков.

1.1 Постановка задачи

1.2 Общие сведения.

1.3 Области применения индуктивных датчиков

1.4 Классификация методов обработки информации с первичного преобразователя

1.5 Амплитудное считывание информации с первичного преобразователя

1.5.1 Измерительные мосты и их использование в качестве преобразователей параметров

1.5.2 Преобразователи параметров с импульсным питанием и области их применения

1.6 Частотное считывание сигнала с первичного преобразователя

1.6.1 Возможные схемные решения преобразователей параметров
1.6.2 Измерение частоты и периода сигнала
1.6.3 Уменьшение погрешности измерения весовым методом
1.7 Проблема калибровки и линеаризации характеристики измерительной части
системы.
Выводы по главе
2 Анализ и проектирование измерительной части системы
2.1 Постановка задачи
2.2 Анализ возможностей использования периферии современных микроконтроллеров для обработки сигналов.
2.3 Проблема выбора метода считывания информации с первичного преобразователя
2.4 Анализ работы индуктивного первичного преобразователя при питании импульсным сигналом типа меандр
2.5 Сравнительные свойства преобразователей параметров при питании разными сигналами
2.6. Масштабирование сигнала при питании импульсным сигналом.
2.7. Измерение периода сигнала.
2.8. Измерение частоты периодического сигнала
2.9 Прямое измерение постоянной времени цепочки
2. Проблема датирования результата.
2. Калибровка и линеаризация характеристики измерительной части системы
Выводы по главе
3 Способы ввода сигнала с первичного преобразователя в микроконтроллер
3.1 Постановка задачи
3.2 Проблема выбора параметров усилителя при амплитудной модуляции и питании измерительной цепи импульсным сигналом.
3.3 Анализ работы схемы при питании измерительной цепи импульсным сигналом.
3.4 Измерение периода сигнала с использованием встроенного модуля захвата .
3.5 Измерение периода с использованием программного опроса состояния входного сигнала3
3.6 Измерение частоты с использованием точной программной задержки
3.7 Измерение частоты с использованием прерываний.
3.8 Линеаризация характеристики методом кусочнолиней ной аппроксимации
Выводы по главе.
4 Практические результаты применения предложенных методов
4.1 Универсальный модуль для макетирования.
4.2 Результаты проверки алгоритмов измерения частоты и периода.
4.2.1 Библиотека математических функций
4.2.2 Цифровой частотомер на микроконтроллере I
4.2.3 Измерение периода с помощью микроконтроллера I
4.3 Разработка угломерного устройства
4.3.1 Описание принципиальной схемы
4.3.2 Программное обеспечение микроконтроллера угломерного устройства.
4.3.3 Способ масштабирования.
4.4 Разработка профилометра
4.4.1 Описание принципиальной схемы
4.4.2 Программное обеспечение микроконтроллера профилометра
4.5. Разработка платы управления электродвигателем.
Основные результаты работы.
СПИСОК ИСПОЛЬЗуеМОЙ Литературы


Различные схемные решения преобразователей параметров электрических цепей позволяют подготовить выходную информацию или в виде сигнала с амплитудной модуляцией АМ, или в виде частотномодулированного ЧМ сигнала. Рассмотрим в предлагаемом разделе варианты реализации тех и других преобразователей. При этом будем ориентироваться на применение индуктивных датчиков в составе преобразователей параметров, то есть собственно преобразователи параметров в нашем случае будут решать задачу преобразования величины индуктивности в сигнал с амплитудной или частотной модуляцией. В то же время индуктивные датчики решают задачу преобразования, например, механического перемещения в величину индуктивности, т. В измерительной системе можно выделить несколько блоков, каждый из которых принимает участие в преобразовании входной величины рисунок 1. Рисунок 1. Первичный преобразователь, в данном случае использующий катушку индуктивности, предназначен для преобразования входной величины А в соответствующую индуктивность катушки Ь. Преобразователь параметра представляет собой схему, преобразующую значение индуктивности катушки первичного преобразователя в понятную для регистратора величину, в напряжение или частоту. Первичный преобразователь и преобразователь параметра осуществляют необходимое преобразование физической величины в электрический сигнал. Контроллер обрабатывает полученный сигнал и формирует выходную информацию, зависящую от конкретного назначения системы. Начинать рассмотрение измерительной системы необходимо с первичного преобразователя, так как функциональная зависимость ЦА может понадобиться при построении остальных элементов системы. Эта часть системы может быть выполнена либо в виде одной катушки индуктивности, либо в виде дифференциального датчика для повышения чувствительности или линейности. Первое исполнение проще использовать при построении систем с частотной модуляцией сигнала, второе при построении систем на основе измерительного моста и амплитудной модуляции сигнала с датчика. В данной работе рассматриваются методы построения измерительной части системы на основе индуктивного преобразователя, везде далее будем понимать под первичным преобразователем индуктивный датчик. Индуктивные преобразователи нашли свое применение для измерения различных механических перемещений и физических величин, приводимых к ним. Весьма полный обзор индуктивных преобразователей приведен в . Наиболее распространенным является индуктивный преобразователь с малым воздушным зазором i длина которого изменяется под воздействием входной величины и изменяет индуктивность катушки. Варианты такого преобразователя приведены на рисунках 1. Следующим типом преобразователя является преобразователь с разомкнутой магнитной цепью, представленный на рисунке 1. Изменение индуктивности в нем происходит изза введения внутрь катушки индуктивности стального сердечника. Такая конструкция эффективна при измерении больших перемещений. А
Д
Е
Рисунок 1. Разновидности индуктивных преобразователей. Преобразователи на рисунках 1. Преобразователи на рисунках 1. Под действием физического воздействия индуктивности катушек меняются в разных направлениях, но на одинаковое значение. Такое использование катушек позволяет повысить диапазон входных воздействий, дающий линейный результат. Можно предложить множество других, более экзотических конструкций, так, на рисунке 1. В качестве базового выбран вариант с изменяющимся воздушным зазором, поскольку он широко используется. Остальные варианты имеют схожие зависимости. Определение зависимости индуктивности катушки от входной величины ЦА можно выполнить на примере датчика с изменяющимся воздушным зазором. Цч 1. С магнитное сопротивление сердечника, ц магнитная проницаемость воздуха, 5 площадь воздушного зазора, ширина воздушного зазора. Зазор, в свою очередь, зависит от измеряемой величины по некоторому закону 0А, однако эта зависимость должна рассчитываться для каждой системы отдельно. Существующие варианты обработки информации, заключенной в изменении индуктивности датчика, обобщены в таблице 1. Данные варианты получены на основе обзора литературы ,,,.