具有高精度的悬浮轴振动测量传感器的设计

2.2信号处理电路

振荡器、差频计数器、控制电路、单片机共同组成信号处理系统。利用悬浮轴的振动位移与频率信号存在的函数关系，将传感器测量结果通过专门设计的振荡电路转换为频率信号，利用差频计数器进行控制计数，再经单片机处理，最终得到悬浮轴振动位移的大小。

2.2.1振荡电路的选取

电容传感器输出的电容变化量通过振荡器转换成便于测量的频率值，而且，要求电容量在几十pF的情况下，振荡器能输出高达30 MHz的振荡频率，可以采用非对称式振荡电路，它的结构如图3所示。

其中，反相器G1，G2选择了74HC04芯片(六反相器)。RS是保护电阻，经过硬件电路的调试，得到RS=20.3 kΩ。Rf是反馈电阻，也是整个振荡电路的延时环节，它的阻值大小直接影响到振荡频率的大小，因此，要合理确定反馈电阻参数Rf。由于电容传感器极板间距与振荡频率的关系是：极板间距越大，振荡器的振荡频率越高，计数器的计数值越大。为了保证测量结果的精确性，当极板间距最大时，计数器的计数值应该达到满量程的90％左右。本设计采用串行输入／12位并行输出的差频计数器，它的计数范围为0～212，计数时间△T应略小于采样周期取100μs，则Rf的参数确定过程如下：

2.2.2差频计数的实现

差频计数器采用频率计数的方法，外部晶体振荡器通过门控电路得到采样基准信号和计数复位信号，在采样基准信号上升沿来后计数器计数使能，计数模块开始对输入的频率信号进行计数，计数时间恰为△T，计数复位信号用于每一次测量开始时对计数模块进行复位，在计数复位信号的上升沿将采样的数据结果锁存，并清除上次测量的结果。计数时一方面考虑到电容传感器的温度补偿，采用了2个计数器差频计数的方式；另一方面，计数器本身由于采样时间和计数脉冲的不同步性存在±1的计数误差，加上差频计数器由2个计数器构成，更增大了计数误差，因此，关键是消除这部分误差的影响。 假设两电容传感器的容量C，C0经振荡器输出的频率信号分别对应为f，f0，即

f=f(D)+f(t)， (7)
f0=f(t)， (8)

式中f(D)为振动位移引起的频率变化；f(t)为环境温度引起的频率变化。

这样，通过差频计数器的差频输出能消除环境温度对测量结果的影响

Δf=f-f0=f(D) (9)

差频计数器的工作原理是在计数时间△T内分别对2个频率信号进行计数，测得的脉冲个数分别为n，n0，则有

n-n0=(f-f0)△T， (10)

式中n-n0为两计数器的差值。