电感测微仪
1、引 言
电感测微仪是一种能够测量微小尺寸变化的精密测量仪器，它由主体和测头两部分组成，配上相应的测量装置（例如测量台架等），能够完成各种精密测量。例如，检查工件的厚度、内径、外径、椭圆度、平行度、直线度、径向跳动等，被广泛应用于精密机械制造业、晶体管和集成电路制造业以及国防、科研、计量部门的精密长度测量。目前，国内常用的电感测微仪有指针式和数字式两种，存在的问题较多，如高精度测量范围小，零位调节不方便、功能单一和通用性差等。它通过编制软件实现仪表的高精度、智能化、多功能化，经过反复的实验与使用，已证明其精度高、操作方便、性能稳定。
其主要的技术指标如下：
（1）测量范围：0~±30μm档及0~±500μm档；
（2）示值误差：0~土30μm档为0.1μm，0~±500μm档为1μm；
（3）分辨率：0~±30μm档为0.01μm，0~±500m档为0.1μm.
（4）极性：当测量值为负时，自动显示“-”；为正时，无极性符号。
2、工作原理及硬件电路设计
2.1工作原理
该智能电感测微仪的硬件电路主要包括电感式传感器、正弦波振荡器、放大器、相敏检波器及单片机系统。正弦波振荡器为电感式传感器和相敏检波器提供了频率和幅值稳定的激励电压，正弦波振荡器输出的信号加到测量头中由线圈和电位器组成的电感桥路上。工件的微小位移经电感式传感器的测头带动两线圈内衔铁移动，使两线圈内的电感量发生相对的变化。当衔铁处于两线圈的中间位置时，两线圈的电感量相等，电桥平衡。当测头带动衔铁上下移动时，若上线圈的电感量增加，下线圈的电感量则减少；若上线圈的电感量减少，下线圈的电感量则增加。交流阻抗相应地变化，电桥失去平衡从而输出了一个幅值与位移成正比，频率与振荡器频率相同，相位与位移方向相对应的调制信号。此信号经放大，由相敏检波器鉴出极性，得到一个与衔铁位移相对应的直流电压信号，经A/D转换器输入到单片机，经过数据处理进行显示、传输、超差报警、统计分析等。
2.2硬件系统组成
硬件系统由前相通道、单片机系统、人机通道电路组成，前相通道电路的作用是把电感式传感器转换成的电信号进行放大、分档、相敏检波等处理后供A/D采样用。它包括正弦波振荡电路，交直流放大电路，相敏检波电路，A/D转换电路。单片机系统及人机通道电路主要实现把前相通道电路传送的模拟信号经A/D转换后，送入单片机系统进行数据处理，实时地显示测量结果，按不同的功能键可以实现不同的功能。
2.3硬件特点
（1）在运算放大器的选择上，本仪器均采用低漂移、低噪声的运算放大器OP07.由OP07组成了集成化的交、直流放大器电路，双T网络正弦波发生器，集成的相敏检波电路和滤波器等，省去了传统电感测微仪使用的二极管、三极管和变压器等，使得由二极管和三极管造成的非线性特性以及饱和压降和反向电流得以改善；省去变压器，调试制作比较方便，重量也较轻，可靠性增强。
（2）本仪器选用了逐次比较式12位A/D转换器AD574，它的非线性误差小于±1/2LBS或±1LBS，一次转换时间约为25μs ，因其片内配有三态输出缓冲器，可直接与各种典型的8位和16位微处理器相连，满足了测量精度和实时显示的要求，应用非常方便。
（3）本仪器采用了专业的显示器及键盘接口芯片8279，单个芯片就能完成键盘输入和LED显示控制两种功能，显示方式为动态显示，6位LED显示器可以实现显示测量结果。整机设有5个功能键，能够实现如下功能：显示被测工件的峰值，并把峰值存入数据存储器，留待处理；可以进行统计分析，显示一百个工件分组后各组的平均值和极值，直方图的频数，总平均值和极值；可以进行绝对测量和相对测量的转换；可以设定被测工件的上、下偏差，当被测工件的峰值超出设定值时，就要报警显示；可以实现±500μm和±30μm档的转换。
3、软件设计
软件部分采用了MCS-51汇编语言编写，运用了模块化的结构形式。系统软件分为主程序模块和中断处理模块。主程序由系统初始化子程序、A/D转换、数字滤波、非线性修正、数据处理及更新显示等子程序组成。
本仪器采用了防脉冲干扰的平均值滤波的方法，即把采样信号按照从大到小的顺序排列起来，然后将最大值和最小值去掉，再把其余值求和并取平均值。
非线性修正子程序采用了分段线性插值，首先将电感式传感器固定在高精度的标准台架上进行标定。在±30μm档标定的精度是0.01μm；在±500μm档标定的精度是0.1μm，然后根据实测的曲线将其分段。为了保证精度，采用了等距分段法，对于±500μm档，每隔10μm分段；对于±30μm档，每隔1μm分段。虽然分段数目增多，占用内存较多，但可以保证电感测微仪的精度。由于各段均用直线代替曲线，因此很容易求出传感器输入的电压值x所对应的位移值y。
设x在xi-1和xi之间，则线段的插值公式为
y=yi-1+ki-1(x-xi-1) （３）
式中：Ki-1=(yi-yi-1)/(xi-xi-1)为i-1段的斜率。
将ki-1及yi-1根据分段情况事先算出，并存入表格中，当单片机通过A/D转换采集到传感器输入电压值x时，通过查表法判断采集的值落在哪一段区间，按公式（3）算出相应的位移值y。
4、实验检测
通过非线性修正及标定，画出了0-±500μm档及0-±30μm档的误差与位移的修正曲线，如图4、图5所示。由图中曲线可以看出：经过非线性修正处理后，智能电感测微仪的测量误差大大降低。0-500μm档由修正前的最大误差29.1μm减少为0.6μm；0-500μm档由修正前的0.18μm减少为0.05μm，0-20μm档由修正前的最大误差1.01±m减少为0.06μm。
5、结论
此智能电感测微仪在设计上充分利用了单片机的系统功能，增加了统计分析、超差报警、绝对零点与相对零点的转换等功能，使仪器的性能有了较大的提高；采用单片机8031进行数据处理，用软件进行非线性修正，使高精度测量范围成倍扩展，用软件进行绝对零点与相对零点的转换，零位调节简单方便，功能扩展除了增加少量接口芯片外，主要由软件实现；硬件电路中，前向通道电路采用了集成电路，克服了以往采用变压器、二极管、三极管组成电路的非线性特性大、零漂严重等缺点；采用了切实可行的抗干扰措施，使整机测量精度高、可靠性好、稳定性好、抗干扰能力强。
电感测微仪是一种能够测量微小尺寸变化的精密测量仪器，它由主体和测头两部分组成，配上相应的测量装置（例如测量台架等），能够完成各种精密测量。例如，检查工件的厚度、内径、外径、椭圆度、平行度、直线度、径向跳动等，被广泛应用于精密机械制造业、晶体管和集成电路制造业以及国防、科研、计量部门的精密长度测量。目前，国内常用的电感测微仪有指针式和数字式两种，存在的问题较多，如高精度测量范围小，零位调节不方便、功能单一和通用性差等。它通过编制软件实现仪表的高精度、智能化、多功能化，经过反复的实验与使用，已证明其精度高、操作方便、性能稳定。
其主要的技术指标如下：
（1）测量范围：0~±30μm档及0~±500μm档；
（2）示值误差：0~土30μm档为0.1μm，0~±500μm档为1μm；
（3）分辨率：0~±30μm档为0.01μm，0~±500m档为0.1μm.
（4）极性：当测量值为负时，自动显示“-”；为正时，无极性符号。
2、工作原理及硬件电路设计
2.1工作原理
该智能电感测微仪的硬件电路主要包括电感式传感器、正弦波振荡器、放大器、相敏检波器及单片机系统。正弦波振荡器为电感式传感器和相敏检波器提供了频率和幅值稳定的激励电压，正弦波振荡器输出的信号加到测量头中由线圈和电位器组成的电感桥路上。工件的微小位移经电感式传感器的测头带动两线圈内衔铁移动，使两线圈内的电感量发生相对的变化。当衔铁处于两线圈的中间位置时，两线圈的电感量相等，电桥平衡。当测头带动衔铁上下移动时，若上线圈的电感量增加，下线圈的电感量则减少；若上线圈的电感量减少，下线圈的电感量则增加。交流阻抗相应地变化，电桥失去平衡从而输出了一个幅值与位移成正比，频率与振荡器频率相同，相位与位移方向相对应的调制信号。此信号经放大，由相敏检波器鉴出极性，得到一个与衔铁位移相对应的直流电压信号，经A/D转换器输入到单片机，经过数据处理进行显示、传输、超差报警、统计分析等。
2.2硬件系统组成
硬件系统由前相通道、单片机系统、人机通道电路组成，前相通道电路的作用是把电感式传感器转换成的电信号进行放大、分档、相敏检波等处理后供A/D采样用。它包括正弦波振荡电路，交直流放大电路，相敏检波电路，A/D转换电路。单片机系统及人机通道电路主要实现把前相通道电路传送的模拟信号经A/D转换后，送入单片机系统进行数据处理，实时地显示测量结果，按不同的功能键可以实现不同的功能。
2.3硬件特点
（1）在运算放大器的选择上，本仪器均采用低漂移、低噪声的运算放大器OP07.由OP07组成了集成化的交、直流放大器电路，双T网络正弦波发生器，集成的相敏检波电路和滤波器等，省去了传统电感测微仪使用的二极管、三极管和变压器等，使得由二极管和三极管造成的非线性特性以及饱和压降和反向电流得以改善；省去变压器，调试制作比较方便，重量也较轻，可靠性增强。
（2）本仪器选用了逐次比较式12位A/D转换器AD574，它的非线性误差小于±1/2LBS或±1LBS，一次转换时间约为25μs ，因其片内配有三态输出缓冲器，可直接与各种典型的8位和16位微处理器相连，满足了测量精度和实时显示的要求，应用非常方便。
（3）本仪器采用了专业的显示器及键盘接口芯片8279，单个芯片就能完成键盘输入和LED显示控制两种功能，显示方式为动态显示，6位LED显示器可以实现显示测量结果。整机设有5个功能键，能够实现如下功能：显示被测工件的峰值，并把峰值存入数据存储器，留待处理；可以进行统计分析，显示一百个工件分组后各组的平均值和极值，直方图的频数，总平均值和极值；可以进行绝对测量和相对测量的转换；可以设定被测工件的上、下偏差，当被测工件的峰值超出设定值时，就要报警显示；可以实现±500μm和±30μm档的转换。
3、软件设计
软件部分采用了MCS-51汇编语言编写，运用了模块化的结构形式。系统软件分为主程序模块和中断处理模块。主程序由系统初始化子程序、A/D转换、数字滤波、非线性修正、数据处理及更新显示等子程序组成。
本仪器采用了防脉冲干扰的平均值滤波的方法，即把采样信号按照从大到小的顺序排列起来，然后将最大值和最小值去掉，再把其余值求和并取平均值。
非线性修正子程序采用了分段线性插值，首先将电感式传感器固定在高精度的标准台架上进行标定。在±30μm档标定的精度是0.01μm；在±500μm档标定的精度是0.1μm，然后根据实测的曲线将其分段。为了保证精度，采用了等距分段法，对于±500μm档，每隔10μm分段；对于±30μm档，每隔1μm分段。虽然分段数目增多，占用内存较多，但可以保证电感测微仪的精度。由于各段均用直线代替曲线，因此很容易求出传感器输入的电压值x所对应的位移值y。
设x在xi-1和xi之间，则线段的插值公式为
y=yi-1+ki-1(x-xi-1) （３）
式中：Ki-1=(yi-yi-1)/(xi-xi-1)为i-1段的斜率。
将ki-1及yi-1根据分段情况事先算出，并存入表格中，当单片机通过A/D转换采集到传感器输入电压值x时，通过查表法判断采集的值落在哪一段区间，按公式（3）算出相应的位移值y。
4、实验检测
通过非线性修正及标定，画出了0-±500μm档及0-±30μm档的误差与位移的修正曲线，如图4、图5所示。由图中曲线可以看出：经过非线性修正处理后，智能电感测微仪的测量误差大大降低。0-500μm档由修正前的最大误差29.1μm减少为0.6μm；0-500μm档由修正前的0.18μm减少为0.05μm，0-20μm档由修正前的最大误差1.01±m减少为0.06μm。
5、结论
此智能电感测微仪在设计上充分利用了单片机的系统功能，增加了统计分析、超差报警、绝对零点与相对零点的转换等功能，使仪器的性能有了较大的提高；采用单片机8031进行数据处理，用软件进行非线性修正，使高精度测量范围成倍扩展，用软件进行绝对零点与相对零点的转换，零位调节简单方便，功能扩展除了增加少量接口芯片外，主要由软件实现；硬件电路中，前向通道电路采用了集成电路，克服了以往采用变压器、二极管、三极管组成电路的非线性特性大、零漂严重等缺点；采用了切实可行的抗干扰措施，使整机测量精度高、可靠性好、稳定性好、抗干扰能力强。
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