具有高精度的懸浮軸振動測量傳感器的設計

2.2信號處理電路

振蕩器、差頻計數器、控制電路、單片機共同組成信號處理系統(tǒng)。利用懸浮軸的振動位移與頻率信號存在的函數關系，將傳感器測量結果通過專門設計的振蕩電路轉換為頻率信號，利用差頻計數器進行控制計數，再經單片機處理，最終得到懸浮軸振動位移的大小。

2.2.1振蕩電路的選取

電容傳感器輸出的電容變化量通過振蕩器轉換成便于測量的頻率值，而且，要求電容量在幾十pF的情況下，振蕩器能輸出高達30 MHz的振蕩頻率，可以采用非對稱式振蕩電路，它的結構如圖3所示。

其中，反相器G1，G2選擇了74HC04芯片(六反相器)。RS是保護電阻，經過硬件電路的調試，得到RS=20.3 kΩ。Rf是反饋電阻，也是整個振蕩電路的延時環(huán)節(jié)，它的阻值大小直接影響到振蕩頻率的大小，因此，要合理確定反饋電阻參數Rf。由于電容傳感器極板間距與振蕩頻率的關系是：極板間距越大，振蕩器的振蕩頻率越高，計數器的計數值越大。為了保證測量結果的精確性，當極板間距最大時，計數器的計數值應該達到滿量程的90％左右。本設計采用串行輸入／12位并行輸出的差頻計數器，它的計數范圍為0～212，計數時間△T應略小于采樣周期取100μs，則Rf的參數確定過程如下：

2.2.2差頻計數的實現

差頻計數器采用頻率計數的方法，外部晶體振蕩器通過門控電路得到采樣基準信號和計數復位信號，在采樣基準信號上升沿來后計數器計數使能，計數模塊開始對輸入的頻率信號進行計數，計數時間恰為△T，計數復位信號用于每一次測量開始時對計數模塊進行復位，在計數復位信號的上升沿將采樣的數據結果鎖存，并清除上次測量的結果。計數時一方面考慮到電容傳感器的溫度補償，采用了2個計數器差頻計數的方式；另一方面，計數器本身由于采樣時間和計數脈沖的不同步性存在±1的計數誤差，加上差頻計數器由2個計數器構成，更增大了計數誤差，因此，關鍵是消除這部分誤差的影響。 假設兩電容傳感器的容量C，C0經振蕩器輸出的頻率信號分別對應為f，f0，即

f=f(D)+f(t)， (7)
f0=f(t)， (8)

式中f(D)為振動位移引起的頻率變化；f(t)為環(huán)境溫度引起的頻率變化。

這樣，通過差頻計數器的差頻輸出能消除環(huán)境溫度對測量結果的影響

Δf=f-f0=f(D) (9)

差頻計數器的工作原理是在計數時間△T內分別對2個頻率信號進行計數，測得的脈沖個數分別為n，n0，則有

n-n0=(f-f0)△T， (10)

式中n-n0為兩計數器的差值。