自動(dòng)增益控制技術(shù)在時(shí)柵位移傳感器信號(hào)處理中的應(yīng)用

1、第26卷第5期儀器儀表學(xué)報(bào)2005年5月自動(dòng)增益控制技術(shù)在時(shí)柵位移傳感器信號(hào)處理中的應(yīng)用X劉小康彭東林張興紅楊偉11222(重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶400044 2(重慶工學(xué)院電子信息與自動(dòng)化學(xué)院重慶400050摘要許多傳感器都存在加工制造精度不足和安裝誤差問題, 導(dǎo)致通過轉(zhuǎn)換元件拾取的信號(hào)時(shí)強(qiáng)時(shí)弱, 而信號(hào)幅值的波動(dòng)又引起傳感器的測(cè)量誤差。針對(duì)這一問題, 作者在“運(yùn)用電子技術(shù)去彌補(bǔ)機(jī)械精度的不足”的思想指導(dǎo)下, 提出了一種電子校正的方法, 將無線電信號(hào)處理中的自動(dòng)增益控制技術(shù)應(yīng)用到傳感器信號(hào)處理中, 并設(shè)計(jì)了由乘除法器A D 534構(gòu)成的自動(dòng)增益控制(A G C 電路。最后, 以作

2、者正在研制的時(shí)柵位移傳感器為例, 給出了采用自動(dòng)增益控制技術(shù)前后的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)鍵詞自動(dòng)增益控制傳感器信號(hào)處理電子校正時(shí)柵中圖分類號(hào)T H 7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科分類與代碼460. 4030An Application of the AGC Technology for Time -grating Displacement Sensor Signal ProcessingLiu Xiao kang Peng Dong lin Zhang Xing hong Yang Wei121222(State K ey L abor atory of M echanical T ransmissi

3、on , Chong qing U niver sity , Chongqing 400044, China (D ep t . of Electr onic Engineering , Chongqing I nstitute of T echnology , Chongqing 400050, China Abstract M achining precision deficiency and fixing error are of ten seen in many sensors , which may result in un-st able amplitude of the sign

4、al picked by probes and furt her cause measurement error of the sensors. Guided by t he concept of using electronic technology t o off set machinery precision deficiency, a method of elect ronic deviat ion rectifying is proposed , which applies automat ic gain control (A GC t echnology used in the f

5、ield of wireless com-munication t o sensor signal processing and devises an A GC circuit consisting of a mult iplier divider AD 534. L ast -ly , an example of t ime -grat ing displacement sensor under research is given to provide a comparison of experimen-tal result s before and af ter adopting AGC

6、t echnology.Key words AGC Sensor signal processing Electronic rect ifying T ime-grat ing相位測(cè)量的誤差; 光柵由于光柵間隙等因素的影響,21引言許多傳感器都存在由于加工制造精度的不足和安裝誤差引起轉(zhuǎn)換元件拾取的信號(hào)幅值波動(dòng), 最終導(dǎo)致測(cè)量誤差的現(xiàn)象。如磁柵式傳感器由于在磁模不均勻或錄制過程不完善造成磁柵上信號(hào)幅值不相等, 引起細(xì)分誤差; 感應(yīng)同步器由于制造、安裝的誤差, 兩相激勵(lì)電壓的不對(duì)稱等引起感應(yīng)電壓的幅值變化而導(dǎo)致1造成多路信號(hào)幅度不一致, 要產(chǎn)生電子細(xì)分誤差3等。作者在研制時(shí)柵位移傳感器這樣的問題。

7、45的過程中, 亦遇到了2時(shí)柵位移傳感器工作原理時(shí)柵位移傳感器工作原理如圖1所示, 在空間對(duì)稱的三相交流繞組中通以按時(shí)間120°均分的三相交流X ( 第5期自動(dòng)增益控制技術(shù)在時(shí)柵位移傳感器信號(hào)處理中的應(yīng)用531處于區(qū)域D 內(nèi)的某一位置, 使動(dòng)測(cè)頭R 與時(shí)珊內(nèi)圓面的氣隙在一周內(nèi)忽大忽小。當(dāng)R 與時(shí)柵內(nèi)圓面較近時(shí), R 上的感應(yīng)信號(hào)幅值較大, 反之, 則幅值較小, 其效果相當(dāng)于偏心信號(hào)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行了調(diào)幅調(diào)制。從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn), 就是原始信號(hào)乘上了一個(gè)低頻正弦信號(hào)。這樣, 動(dòng)測(cè)頭感應(yīng)信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式就變?yōu)?u =K (1+M a sin X 1t U mn sin(n X t -A n 圖1

8、時(shí)柵位移傳感器工作原理圖n =1k=K (1+M a sin X 1t U m 1sin(X t -A 1 +K (1+M a sin X 1t U mn sin(n X t -A n n =2k(3電流時(shí), 在三相繞組周圍會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)M 。在線圈骨架上埋一根導(dǎo)線S 作為定測(cè)頭, 以線圈骨架中心O 為基準(zhǔn), 埋一根導(dǎo)線R 作為動(dòng)測(cè)頭。根據(jù)法拉第定律, 動(dòng)、定測(cè)頭上將產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)交流電機(jī)理論6, 感生電動(dòng)勢(shì)基波表達(dá)式為:u 1=U m 1sin(X t -A 1 式中:U m 1為基波信號(hào)幅值X 為三相交流電源頻率A 1為與測(cè)頭所處位置相對(duì)應(yīng)的初始相位值定測(cè)頭位置固定, 信號(hào)初始相位恒

9、定, 動(dòng)測(cè)頭在繞O 點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中, 初始相位隨所處的位置不同而變化。因此, 通過檢測(cè)動(dòng)、定測(cè)頭兩路信號(hào)的相位差, 即可實(shí)現(xiàn)對(duì)空間角位移H 的測(cè)量。相位檢測(cè)的原理是將兩路正弦信號(hào)通過過零檢測(cè)器(ZCD 整形成方波, 然后送入數(shù)字比相器中, 再通過時(shí)鐘插補(bǔ)反映出來。但是, 三相激勵(lì)電壓的不對(duì)稱和幅值變化會(huì)引起感應(yīng)信號(hào)的幅值波動(dòng)。線圈骨架上用于嵌放交流繞組的槽由于受機(jī)械加工精度限制在空間分布不均勻; 繞制的交流線圈也不可避免地存在不均勻性問題; 在動(dòng)測(cè)頭按圖1所示方向, 由Z 位置轉(zhuǎn)向B 位置的過程中, Z 處導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)動(dòng)測(cè)頭R 上的感應(yīng)信號(hào)影響逐漸減弱, B 處導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)其影響逐漸加

10、大。這些因素都會(huì)引起感應(yīng)電信號(hào)的相應(yīng)諧波分量, 因此, 就動(dòng)測(cè)頭在繞O 點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)一周來看, 動(dòng)測(cè)頭R 上感應(yīng)的信號(hào)為幅值不等的非正弦周期信號(hào)。實(shí)驗(yàn)觀察也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。從傅氏級(jí)數(shù)的觀點(diǎn)看, 感應(yīng)信號(hào)中除了有用的基波外, 還包含了其它的諧波分量, 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:u =k式中:K 為與偏心有關(guān)的偏心系數(shù)M a 為調(diào)幅系數(shù), 與偏心有關(guān)X 1為偏心角頻率(13電子校正方法動(dòng)測(cè)頭感應(yīng)信號(hào)從式(3 可看出, 由于包含了偏心調(diào)制信號(hào)和許多諧波分量, 導(dǎo)致信號(hào)正弦性變差和幅值波動(dòng)。過零檢測(cè)器由于輸入漂移電壓的存在, 過零檢測(cè)并非絕對(duì)過零, 而是有一個(gè)偏移電壓。這樣信號(hào)幅值波動(dòng)必然引起相位測(cè)量的誤差, 使時(shí)柵位

11、移傳感器工作在非線性狀態(tài)。因此, 為提高傳感器測(cè)量精度, 改善其性能, 應(yīng)確保送入過零檢測(cè)器的兩路信號(hào)盡量為正弦基波信號(hào), 需針對(duì)性地設(shè)計(jì)信號(hào)提純電路。式(3 中諧波分量可通過窄帶帶通濾波器濾掉, 則剩下的信號(hào)為:u =K (1+M a sin X 1t U m 1sin(X t -A 1(4該信號(hào)并非完全的基波分量, 而是偏心信號(hào)對(duì)基波信號(hào)的調(diào)制信號(hào)。對(duì)于這種調(diào)制信號(hào), 要對(duì)其進(jìn)行分解和濾波, 比對(duì)一般疊加信號(hào)的分解和濾波要困難得多。對(duì)疊加信號(hào)只要分別采用高通、低通或帶通濾波器即可獲得所需頻率成分的信號(hào), 而對(duì)調(diào)制信號(hào)則做不到這一點(diǎn)。調(diào)制在數(shù)學(xué)上是兩信號(hào)相乘的關(guān)系, 不能簡(jiǎn)單地靠普通的濾波方

12、法將偏心信號(hào)去掉。為解決這一類問題, 作者將無線電信號(hào)處理中的自動(dòng)增益控制技術(shù)應(yīng)用到傳感器信號(hào)的解調(diào)處理中, 運(yùn)用電子技術(shù)來(2mnUn =1m nsin (n X t -A n 彌補(bǔ)機(jī)械制造精度的不足和安裝偏心。自動(dòng)增益控制電路主要用于無線電通信接收機(jī)中, 以維持整機(jī)輸出恒定, 幾乎不隨外來信號(hào)的強(qiáng)弱而變化。目前, 用于無線電信號(hào)處理的A GC 電路, 增益的控制是靠改變晶體管放大器工作點(diǎn)電流來實(shí)現(xiàn)的79。這必然會(huì)引起輸入、輸出阻抗的變化, 影響放大器的調(diào)諧與匹配, 導(dǎo)致放大器頻率特性曲線變形、通=U m 1sin (X t -A 1 +A n 為n 次諧波初相Un =2ksin (n X

13、t -A n 式中:U mn 為n 次諧波信號(hào)幅值第一項(xiàng)為有用的基波分量, 第二項(xiàng)為眾諧波分量之和, 可理解為噪聲。532儀器儀表學(xué)報(bào)第26卷了其根本無法應(yīng)用于高精密測(cè)量領(lǐng)域的信號(hào)處理當(dāng)中。并且該類A GC 電路均是針對(duì)高頻信號(hào)設(shè)計(jì), 不適于對(duì)低頻傳感器信號(hào)進(jìn)行處理。但是, 這種反饋控制電路的設(shè)計(jì)思想值得借鑒, 正是在這一思想的指導(dǎo)下, 作者研制出一種電子校正的方法。電子校正方法原理如圖2 所示。等于v o 的絕對(duì)值, 即:v z =ûv o û(5v z 經(jīng)低通濾波后得到其直流分量E , E 的大小與輸出電壓v o 的幅值成正比。E 與固定電壓E 0(其決定小信號(hào)增益 在

14、直流放大器中相減, 得到的直流信號(hào)輸入到A D 534的X 2腳, 因此:X 2=A 1(E -E 0(6X 2變化率與輸入信號(hào)v 1振幅變化率相反。圖3所示電路連接下, A D 534將以除法器方式工作, 其輸出與輸入的函數(shù)關(guān)系為:10(Z -Z +Y 1(7X 1-X 2式中:10是一個(gè)可以預(yù)置的比例因子。X 1、Y 1和Z 1引v o =腳均接地, 電壓值為0。再結(jié)合式(6 得到:10Z 10v =(8 -X 2A 1(E 0-E 當(dāng)v 1的振幅變化時(shí), A 1(E 0-E 作相同方向的變v o =化, A 1(E 0-E 變化規(guī)律跟蹤v i 振幅變化規(guī)律, 隨v i 振幅的增大而增大,

15、 減小而減小, 兩者作除法運(yùn)算后, 維持輸出電壓v o 幅度基本不變。圖2電子校正原理圖信號(hào)經(jīng)包絡(luò)檢波后, 解調(diào)出來的信號(hào)與輸入的振幅調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)變化規(guī)律相同, 其直流成分與包絡(luò)檢波器輸入信號(hào)的振幅成正比, 經(jīng)直流放大后得到一個(gè)直流電壓, 將該電壓作為一個(gè)反饋信號(hào)輸入到非線性比較器中。當(dāng)輸入信號(hào)幅值較大時(shí), 反饋信號(hào)就強(qiáng), 在非線性比較器中, 反饋信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)幅值進(jìn)行衰減; 當(dāng)輸入信號(hào)幅值較小時(shí), 反饋信號(hào)就弱, 在非線性比較器中, 對(duì)輸入信號(hào)幅值進(jìn)行放大。并且, 輸入信號(hào)幅值越大衰減越強(qiáng), 幅值越小放大倍數(shù)越大, 這樣輸出信號(hào)幅值維持基本不變, 進(jìn)入過零檢測(cè)器的信號(hào)就具有較為穩(wěn)定的信號(hào)幅

16、值。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果按圖3設(shè)計(jì)的A GC 電路性能指標(biāo)為:輸入信號(hào)幅值變化20dB 時(shí), 輸出電壓的變化不超過1dB 。為了驗(yàn)證電子校正方法的實(shí)驗(yàn)效果, 作者開展了采用A GC 電路前后的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。時(shí)柵光柵對(duì)比實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示, 時(shí)柵固定在一塊金屬平板上, 通過四根支柱在平板上安裝一臺(tái)國(guó)產(chǎn)回轉(zhuǎn)工作轉(zhuǎn)臺(tái), 在轉(zhuǎn)臺(tái)上方裝有HEIDENHA IN 圓光柵ROD 880(柵線數(shù)為36000, 電子細(xì)分及數(shù)顯箱型號(hào)為N D 281B , 最小分辨率1 。實(shí)測(cè)時(shí), 以光柵測(cè)量值為對(duì)比實(shí)驗(yàn)基準(zhǔn), 按10°為間隔, 一周采樣36點(diǎn), 光柵測(cè)量值為橫坐標(biāo), 時(shí)柵測(cè)量值與光柵值之差作縱坐標(biāo), 各測(cè)試點(diǎn)連接之

17、折線圖即為測(cè)量值誤差曲線圖。時(shí)柵動(dòng)、定測(cè)頭兩路信號(hào)經(jīng)智能信號(hào)處理電路后得到的角位移值通過U SB 接口送入計(jì)算機(jī), 光柵測(cè)量值由編制的計(jì)算機(jī)軟件通過RS-232接口直接讀取, 由計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)完成誤差曲線的繪制。4AGC 電路原理根據(jù)上面介紹的電子校正原理, 采用乘除法器AD 534設(shè)計(jì)的自動(dòng)增益控制(AGC 電路如圖3 所示。圖3A GC 電路原理圖圖5為采用A GC 電路前后測(cè)量值誤差曲線圖, 其中曲線1是未采用A GC 電路時(shí)測(cè)得的誤差曲線, 時(shí)柵綜合誤差值即誤差曲線峰峰值為51, 曲線2是將AG C 電路接入時(shí)柵信號(hào)處理電路后測(cè)得的誤差曲線, AD 534是單片集成高精度四象限乘除法器

18、, X 、Y 和Z 三個(gè)輸入端均具有高阻抗, 并可采用差分輸入方式。信號(hào)v i 從Z 2端輸入, X 2輸入端加輸出信號(hào)v o 經(jīng)包絡(luò)檢波后得到的直流電壓信號(hào), 同時(shí)輸出信號(hào)從Y 2端反饋給。o , z 第5期自動(dòng)增益控制技術(shù)在時(shí)柵位移傳感器信號(hào)處理中的應(yīng)用533敏度。電子校正思想可推廣應(yīng)用于對(duì)信號(hào)幅值有要求的測(cè)量領(lǐng)域, 以降低對(duì)原始信號(hào)的要求, 并提高測(cè)量精度。參考文獻(xiàn)1單成祥. 傳感器的理論與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及其應(yīng)用. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 1999.2張承瑞. 機(jī)床傳動(dòng)鏈誤差實(shí)時(shí)建模與補(bǔ)償控制研究:博士學(xué)位論文.濟(jì)南:山東工業(yè)大學(xué), 1995.圖4時(shí)柵光柵對(duì)比實(shí)驗(yàn)裝 置3費(fèi)業(yè)泰, 盧榮勝. 動(dòng)

19、態(tài)測(cè)量誤差修正原理與技術(shù). 北京:中國(guó)計(jì)量出版社, 2001.4彭東林, 張興紅, 劉小康, 等. 場(chǎng)式時(shí)柵位移傳感器研究.儀器儀表學(xué)報(bào), 2003, 24(3 :329331.5D . Peng , W . T an , X . L iu , X . Zhang . T im e -space coo rdi-nate tr ansfor matio n and time gr ating displacement sen-so r. Pr oc of ISIST '2002, 2002, 3:440444.圖5采用A G C 電路前后測(cè)量值誤差曲線圖6李發(fā)海, 朱東起. 電機(jī)學(xué). 北京:科學(xué)出版社, 2001. 7王樹本. 高頻電子線路原理. 第2版. 大連:大連理工大學(xué)出版社, 1999.8謝嘉奎. 電子線路. 北京:高等教育出版社, 2000. 9吳運(yùn)昌. 模擬集成電路原理與應(yīng)用. 廣州:華南理工大學(xué)出版社, 1995.6結(jié)論從圖5可看出, 運(yùn)用電子校正方法, 不僅提高了時(shí)柵位移傳感器測(cè)量精度, 而且改善了時(shí)柵的線性度。另外一個(gè)角度, 經(jīng)過濾波網(wǎng)絡(luò)之后的動(dòng)測(cè)頭信號(hào)盡管已經(jīng)去掉大部分噪聲, 信號(hào)變得較為平整, 但一些幅度較大和帶外噪聲還是不能徹底濾掉, 經(jīng)過A GC 電路, 一方面可以將幅度過大的噪聲衰減下來; 另一方面還可以把幅