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高精度自动安平扫平仪
[ 2009-8-17 ] [转载请注明来源：就是要仪器网 www.94117.net]
扫平仪是一种提供平面或直线基准的仪器[1]。新型的自动安平激光扫平仪，利用半导体激光器发出的激光束轨迹作为测量基准，具有小巧、廉价、操作简单、适用面宽等特点。它与探测器配合，可以在一定的半径范围内控制任一测点的水平高度，能将测量与施工结合在一起，实现施工的自动化，在各种工民建施工场合中得到广泛应用。但是，目前国内工程建筑中使用的自动安平激光扫平仪精度能达到10‘’以上的多为进口，成本过高。
电容式传感器以其灵敏度高、动态响应块、成本低等诸多优越性得到广泛应用[2]。而检测电容传感器的电荷变化的困难在于实现高性能、低成本的电容输入的信号处理前端。一直以来很多人对此进行了大量研究。例如王莉田[3]等提出的差动线性电路，谢楠[4]等提出的利用集成芯片XE2004的电容电压转换电路。邱桂苹[5]等对目前微小电容测量电路的测量方法进行了总结，分析了它们的优缺点，诸如基于充/放电原理、AC电桥原理、交流锁相放大原理、电荷放大原理等各种电容测量电路。这些传统的电容测量电路，或者方法简单，达不到高的精度要求（分辨率都在fF量级），或者电路复杂，需要的器件数量多。ADI公司推出了世界上首款高精度、完全集成的电容数字转换器（CDC），它在一颗芯片上集成了电容到数字转换的所有电路，分辨率达到aF量级，大大降低了设计难度和外部元件成本，从而根除了传统电容传感器的限制。
本文设计的自动安平扫平仪选用电容式倾角传感器进行水平监测。采用CDC 芯片AD7746作为传感器信号调理电路，直接将传感器信号转换成数字量，以自带I2C口线及PWM产生器单片机ADuC841作为为核心控制器件，以直流电机作为水平调节的执行机构。本仪器通过高集成电路模块的使用，降低了仪器成本，并保证了高精度的要求，具有精度高、成本低的优势。
2. 仪器功能框图
本文设计的激光扫平仪功能框图如图1所示，该仪器以单片机为核心控制器件，以激光射线的形式给出标准水平面。在安置激光管的扫平台上以一定角度交叉放置倾角传感器X、Y，监测扫平面倾斜度，当扫平面水平时单片机控制进行激光旋转扫描。而所谓的自动安平功能就是仪器底座发生倾斜时，单片机根据传感器得到的数据控制直流电机X、Y运转，调节扫平面倾斜度使其保持水平。当底座倾斜度超出仪器能够调平的角度范围时，仪器停止扫描，并发出声音报警，提醒工作人员调整仪器放置位置。另外，仪器还具有变速扫描、变角度扫描、发射激光点等功能，这些功能通过键盘输入进行控制。
3. 仪器功能实现
根据仪器功能的要求，本文设计的自动安平扫平仪在水平监测电路中高精度、完全集成的电容数字转换器（CDC）AD7746作为传感器信号调理电路，直接将传感器信号转换成数字量。所选的ADuC841单片机自身带有I2C口线，直接与AD7746进行通讯，而且该单片机自带PWM产生器，输出两路PWM可直接用来对直流电机进行调速。本仪器通过高集成电路模块的使用，大大降低了成本，并保证了高精度的要求。
3.1 水平监测
电容式传感器，常用于小尺寸和低功耗应用——例如压力监测和位置检测——实现高精密测量，它们具有极高的鲁棒性、精确度和灵敏度。本系统使用玻璃电子水泡作为水平监测传感器，它是根据差动电容原理进行水平度测量，其结构如图2所示。在玻璃内径部位研磨成一定曲率，先在一端烧熔封口，另一端拉成小嘴抽真空灌注介电液体和惰性气体，当气泡长度合格后烧封。玻璃管外壳由两个半壳体组成，一个作为底座，另一个作为电路接地层。在两个半壳体之间，两边等距地置有电容极板，电容极板上左右对称的刻蚀出2个可变静电板。这样的结构可获得2倍的电容变化效果。极板表面用聚四氟乙烯薄膜覆盖，作为电介质液体与电容极板的电隔离，壳内有隔板作为两个静电容的隔离，防止串接。
传感器保持水平时，2个静电极板浸在液体的面积相同，当传感器以重力方向为轴旋转时一边的静电极板浸在液体的面积减少，另一边的静电极板浸在液体的面积增大。由于封入的介电液体的介电常数比气体的高，因此，液面的流动造成电容发生变化，据此可测出倾斜角。该传感器的输出特性由电容极板的形状决定。
传统的电容传感器信号处理解决方案要么就只限于低精度的应用，要么就需要昂贵的多芯片电容电压前端。ADI公司推出的电容数字转换器（CDC）是世界上首款高精度、完全集成的电容数字转换器，其24 BIT的分辨率，是业界最高精密度连接电容传感器解决方案。它在一颗芯片上集成了电容到数字转换的所有电路，降低了设计难度和外部元件成本，从而根除了传统电容传感器的限制，比传统的多芯片解决方案降低了65％的成本。
CDC是在成熟的∑-Δ技术基础之上，对其进行改进，使得完整的电容数字转换器可以在单芯片中实现。∑-Δ是一种成熟的技术，许多年来一直用于通常要求16 bit或更高分辨率的高性能ADC 。标准Σ-△ ADC是通过切换片上固定的电容，并平衡可变电压输入和固定的电压基准输入之间电荷来实现的。如果电荷正比于电压和电容，那如果使输入电压固定，而改变输入电容呢？修改后的Σ-△电路如图3所示，这便是CDC转换电路的原理。该电路固定输入电压可以被理解成一个激励电压。移到片外的可变电容可以是一个电容式传感器。这样，输出数据将代表该传感器电容量和CREF之间的比率。
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