STM32开发位移传感器，大行程的位移传感器

2万 · 2019-7-19 12:03

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随着液压/气压系统在高精密设备上运用越来越广泛，对执行元件油缸/气缸输出轴
的轴向位移的测量精度要求也越来越高。常用的小量程位移传感器精确测量的范围小于
200mm，而大型、超大型液压/气压系统输出轴输出的位移一般可达到甚至超过SOOmm
已经远远超出了小量程位移传感器精确测量范围，所以不能单纯将小量程位移传感器用
于大型、超大型液压/气压系统输出轴输出位移高精度测量当中，而大量程位移传感器中
非线绕电位器式精度太低，不能满足测量精度要求。光栅式位移传感器技术已经比较成
熟，能够满足大量程高精确测量，但是玻璃材料的脆性使光栅式位移传感器抗冲击能力
有限，而大型、超大型液压/气压系统，施加重载的条件下会产生较强的高频抖动，因而
光栅式位移传感器稳定性和可靠性在此情况下难以保证。磁栅式位移传感器由于其高精
度，大量程，适应性强等优点越来越受欢迎，而市场上绝大多数磁栅式位移传感器以相
对位移测量为主，一般是通过脉冲记数对多个周期进行测量，这样就会有两个缺点:一
是每次测量都得从起始位置开始，需要上电调零;二是不具备掉电保持功能。其它类型
的大量程位移传感器或者是发展还不够完善，研究还不够成熟，或者是受到大型、超大
型液压/气压系统工作条件的制约，或者是价格过于昂贵，均不适合用于大型、超大型液
压/气压系统输出轴轴向位移的高精度测量中。

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根据大行程的工作特点设计出了两套位移检测方案，下面对每套方案进行介绍。

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该测量方案由两套完全相同的小量程检测子系统组成，每个子系统通过U型环对称
的固定在立柱上，子系统主要由步进电机、丝杠螺母、高精度小量程位移传感器等组成。

2万 · 2019-7-19 12:21

该方案同样由两套同样完全相同的小量程检测子系统组成，子系统通过滑台下的固
定底板固定在平面上，子系统主要由步进电机、导轨滑台、高精度小量程位移传感器等
组成。

2万 · 2019-7-19 12:24

试验仪的四根立柱上，而超大三轴试验仪顶端油缸在向试样加压时，四根立柱会变形很
大，严重影响到测量装置测量的稳定性，而方案二可以很方便的固定于试样容器上面，
实现平稳测量。因此，方案二比方案一更加适应于超大三轴试验仪液压缸轴向位移测量
当中。下面将以超大三轴输出轴轴向位移为测量对象，对方案二展开具体的设计和研究。

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LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境(Laboratory Virtual Instrument Engineering
Workbench)的简称，它是美国国家仪器公司的软件产品。
LabVIEW也是一种通用的编程系统，它具有各种各样、功能强大、简单易用的函
数库，这些函数库里包含着数据采集、网络传输、串行仪器控制、数据分析、数据显示
及数据存储等功能。

2万 · 2019-7-19 12:47

串行通信是指使用一条数据线(另外需要地线，可能还需要控制线)，将数据一位
一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。特别适用于计算机与计算机、
计算机与外设之间的远距离通信。串口通讯分为异步通讯和同步通讯，两者的比较如下:
(1)异步通信简单，双方时钟可允许一定误差。同步通信较复杂，双方时钟的允许
误差较小。
(2)异步通信只适用于点对点通信，同步通信可用于点对多通信。
(3)异步通信效率低，同步通信效率高。
由于PC端与STM32只是完成点对点的通信，异步通信即可满足要求，而且传输的
数据量很小，不需要很高的通信效率，异步通信亦可满足，考虑到异步通信的方式线路
简单、容易实现，因此本次设计采用异步通信的工作方式。
串口通信按照数据流方向可分成三种传送模式:单工、半双工、全双工。
(1)单工形式:数据传送是单向的，通信双方中，一方固定是发送端，另一方则固定
是接收端，使用一根传输线。
(2)半双工形式:RS-485。半双工通信使用同一根传输线，即可发送数据又可接受数
据，但不能同时发送和接受。在任何时刻只能由其中的一方发送数据，另一方接受数据。
半双工通信中每个端口都需要有一个收/发切换电子开关，通过切换来决定数据向哪个方
向传输。因为有切换，所以会产生时间延迟，信息传输效率较低。
(3)全双工形式:RS-232。全双工数据通信主要由两根可以在不同的端点同时发送和
接收的传输线组成，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作。
鉴于全双工工作模式具有同时发送数据的优势，本次设计采用全双工的工作模式。

2万 · 2019-7-19 12:47

在所设计的通讯方案中，上、下位机全双工异步串口通讯。两者分工明确，作为下
位机核心器件的STM32单片机负责数据的采集和通信，而上位机是PC端的LabVIEW
图形操作界面(图3.16所示)，负责对下位机的通讯，控制指令发送，数据处理和存储
等工作，具体实施方案如图3.17所示。

2万 · 2019-7-19 12:47

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当接收到同步运动信号后，单片机发送脉冲驱动A, B系统中的步进电机运动，两
子系统在位移传感器接触静止的测量挡板后，进入静态同步运动状态，闭环控制各自系
统中的位移传感器保持SV恒定输出，当挡板开始运动，A, B子系统保持SV恒定输出
动态同步跟随挡板运动，等待上位机发送开始位移检测信号。
当STM32接收到开始位移检测信号后，A系统立即进入检测状态，电机停止运动，
若挡板是向下运动的，传感器0-1 Omm检测挡板向下运动位移，若挡板是向上运动的，
传感器一10-Omm检测挡板向上运动位移;B系统立即进入跟随状态，传感器保持SV恒
定输出，跟随挡板运动。假定测量挡板首先向下/向上运动，当处于检测状态中的A系
统位移传感器输出达到8.9V/1.1 V时，B系统中的电机停止转动，等待A系统位移传感
器检测完毕之后，进入检测状态，而A系统检测完毕之后，进入跟随状态，位移传感器
SV恒定输出，跟随挡板运动。当B系统输出达到8.9V/1.1V时，A系统中的电机停止
工作，等待B系统检测完毕之后进入检测状态，而B系统检测完毕之后，保持位移传
感器输出SV ( Omm)跟随测量挡板向上或向下运动。
若在运动过程中，挡板突然变向，则保持SV跟随运动的系统迅速由跟随状态切换
至检测状态，若是由下降状态变为上升状态，则一10-On un检测挡板向上运动位移，若由
上升状态变为下降状态，则0-1 Omm检测挡板向下运动位移，而原先处于检测状态的系
统立即进入跟随状态，保持SV恒定输出，跟随挡板运动。就这样，通过两个系统交替
处于跟随状态与检测状态，实现对挡板双向大量程高精度位移的检测。

2万 · 2019-7-19 12:48

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在所设计的控制方案中，处于待检测状态的两子系统需要同步跟随挡板运动，等待
着上位机发送的开始位移检测信号，而A, B子系统相互独立运动，两子系统的同步特
性受电机型号不同而不匹配，同时双电机的同步特性随着转动误差和外界扰动等因素影
响而恶化，因此需要对双电机同步控制方法展开研究，消除同步误差，实现双电机的静
态、动态同步运动。

STM32开发位移传感器，大行程的位移传感器

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