基于LDC1614的精密刻度盘设计

黄 健，张善文

西京学院信息工程学院, 陕西西安 710123

【电子与信息科学 / Electronics and Information Science】

基于LDC1614的精密刻度盘设计

黄 健，张善文

西京学院信息工程学院, 陕西西安 710123

为准确检测仪表盘的旋转位置，采用新型数字式非接触电感传感器LDC1614检测金属圆盘的旋转角度．由于LDC1614是具有集成电路总线(inter-integrated circuit, IIC)接口的4通道、28 bits的数字式传感器，采用4个自制电感线圈，均匀分布在一个圆平面上，检测移动物体的转动角度．软件编程中加入四点校正算法，可使准确度达到0.02°．传感器可与微处理器连接，完成对数据的采集处理，实现对旋转角度的准确测量．

传感器技术；数字式电感传感器；刻度盘；非接触电感传感器；LDC1614；测量准确度

在工程实践和科研实验中，经常要检测转盘的旋转角度．目前，常用的检测角度方法有两类，第一类是依靠提取物体的几何形状，再采用模式识别和图形图像的相关算法来实现．如采用像素递归法和块匹配法，利用仿射变换模型可估算连续帧的运动平移矢量或图像间的旋转角度[1]．朱齐丹等[2]提出对采集到的图像进行边缘检测、细化处理和霍夫变换来确定物体的旋转角度，但是该方法对于轮廓缺失或是图像中直线特征不明显的情况适应性较差．第二类方法是靠检测物体的运动状态来实现，如使用物理传感器测量刚体绕某一个轴的旋转角度．常用的传感器有陀螺仪、电子罗盘和加速度计等．然而，不管是加速度计还是陀螺仪，在检测物体旋转角度时，都存在抖动误差和零偏稳定性问题，其测量的角度准确度很难达到0.02°．电子罗盘由于是以地磁为基准，当被测物体周围有磁场干扰时，其测量精度很难提高．曹建安等[3]提出采用敏感角速度光纤传感器结合单片机的方式测量角度，虽然精度可以很高，但光学测量系统对条件要求较高且复杂．本研究采用LDC1614数字式电感传感器，运用自制的印刷电路板(printed circuit board，PCB)线圈，基于电涡流原理，测量附件金属物体的旋转角度．LDC1614是4通道、28 bit的新型数字式电感传感器，在检测物体旋转角度时，可输出高达28 bit的数字量，使测量准确度达到1°．在硬件设计时，若在一个平面内布置4个传感器，每2个传感器之间的角度差是90°，当圆盘旋转时，则可实现360°全方位检测．软件采集处理时加入4点校正算法，可将准确度提高到0.02°．

1 LDC1614角度检测原理[4]

LDC1614的工作原理基于电磁感应现象．当给电感线圈接通交流电时，线圈周围会产生磁场，此时若有金属物靠近该磁场，金属物表面就会产生电流，称为涡流．涡流同样会产生自身的磁场，但该磁场的方向与电感线圈产生的磁场方向相反．这就像一对耦合线圈，电感线圈磁场是初级，涡流磁场则是次级．由于互感现象，在初级线圈这边就可检测到次级的参数．涡流的大小与金属物体的材质、大小和距离等有关．抽象的互感模型如图1．

图1 互感模型Fig.1 Mutual inductor model

在图1中，自制电感线圈两端的互感电压V(d)为

(1)

其中，d为自制电感线图两端的距离；M(d)为线圈之间的互感；L(d)为目标金属物的互感电感；I1是流过电感传感器的电流；I2是感应的涡流．对电感传感器做适当等效变换，可得到等效电路如图2．

图2 电感传感器等效电路Fig.2 Inductance sensor circuit

图2(a)是RLC并联等效电路，由于LC构成震荡电路，按照一定的频率震荡，基本上不消耗能量．所以对外而言，整个电路的等效电阻是R， 如图2(b)．图2(a)中整个电路的震荡频率f[5-7]为

(2)

其中，L为电感量；C为电容量．

2 LDC1614传感器数字量输出原理

当用电感传感器检测角度时，对应的结构图如图3．图3左侧是电感传感器自制线圈，右边转动的圆盘上涂有面积不同的金属层．与其等价的平面图如图4，其中线圈会在金属层上有一个投影．

图3 电感检测角度结构图Fig.3 Inductance detecting angle chart

图4 电感检测角度平面图Fig.4 Inductance detecting angle floor plans

图4中当物体沿着固定轴旋转时，电感线圈与金属层耦合的面积将会产生明显的变化．耦合时，由于互感作用，会产生寄生电感和电容，如同在图2(a)所示的电路中将电感量由原来的L变成L+LS， 电容量则由原来的C变为C+CS． 由式(2)可知，整个电路的震荡频率fnew变为

(3)

传感器数字量的输出是根据频率变化而转换的．LDC1614数字传感器输出的数字量为

(4)

其中，f为周围没有金属物时电感线圈自身的震荡频率．

当电感线圈与金属层耦合的面积增大时，耦合的寄生电感和电容亦会加大，使fnew变小，因此传感器输出的数字量变大；当电感线圈与金属层耦合的面积减小时，耦合的寄生电感和电容会变小，使fnew变大，因此传感器输出的数字量变小．所以，通过计算D值，就可判断旋转的角度[8-10]．

树篱和农舍虽然在奥斯汀的作品中不如庄园那般引人关注，却同样是作者细致描绘出的英国乡村景观中的重要一笔。英国乡村在议会圈地运动中在政治、经济、社会阶层等方面发生了翻天覆地的变革，奥斯汀虽然以男女爱恋婚嫁为主题，却通过乡村景观的细致描绘真实地记录了这些变化，并隐晦地透露出自己地态度。

3 具体设计及检测原理

3.1 旋转位置检测传感器的设计

指针旋转位置检测结构图设计如图5，圆平面上灰色部分为金属层，按虚线所示的圆在金属层正下方正交放置4个自制PCB电感线圈，位置分别在A+、B+、A-和B-，相位差为90°，d1∶d2∶d3=1.0∶1.1∶1.2(其中d1、d2和d3为图5中对应线圈的直径)．每个电感线圈连接1个LDC1614传感器．

图5 旋转位置检测结构图Fig.5 Rotation location testing chart

当上方的圆平面绕圆心o顺时针旋转时，下方的电感线圈保持不动．由于灰色的金属层与电感线圈耦合的面积发生变化，与A+、B+、A-和B-处安置的线圈连接的数字电感传感器将输出不同的数字量．本研究将A+点和A-点通过式(4)计得数字量的值相减得到数字量A， 将B+和B-通过式(4)计得数字量的值相减得到数字量B[11-13]． 规定当A+和A-的连线与图5中x轴重合时的角度设为0°，即与图5中x轴的夹角为0°．当整个圆盘旋转1圈时，输出的数字量经过归一化处理后，得到一组曲线如图6．

图6 旋转角度与输出数字量之间的对应曲线Fig.6 The corresponding curve between the rotation angle and the output digital quantity

图6中数字量A为上面的正弦曲线；数字量B为下面的正弦曲线；DN为归一化处理后的数字量，用每次通过式(4)计得的值除以其最大值，得到DN的变化范围为-1～+1；φ为图5中A+与A-的连线与x轴的夹角．纵坐标的数字量已进行了量化处理．分析图5和图6，当圆盘位于水平位置，即图6中角度为0°时，A+处电感线圈与金属层耦合的面积最大，与A+相连的传感器LDC1614将输出最大值．A-与金属层耦合的面积最小，与A-相连的传感器LDC1614将输出最小值．此时两者的差最大，将其按一定的比例缩小，使其对应的数字量的值为1．当圆盘按顺时针旋转时，A+与金属层耦合的面积减小，传感器输出值减小；A-与金属层耦合的面积增大，传感器输出值变大，两者差值减小．按此原理旋转一圈后，可得到数字量A的对应曲线．数字量B的计算方法同A． 从图6还可知，每一个角度与数字量A和B有唯一的对应值．

3.2 旋转角度计算

分析图6曲线，用θ表示圆盘的旋转角度，则可知θ与数字量A是余弦函数关系，如式(5)．θ与数字量B是正弦函数关系，如式(6)．

A=cosθ

(5)

B=sinθ

(6)

联立式(5)和式(6)可计算出圆盘的旋转角度[14-17]为

(7)

3.3 四点校正算法

由于存在机械误差、电感线圈误差、金属物涂层不均匀误差等，实测中数字量A和B的曲线如图7．

图7 有相位误差的旋转曲线Fig.7 Phase error of the rotation curve

由图7可见，对于数字量A而言，在φ=90°和φ=270°分别存在相位误差α1和α2； 对于数字量B而言，在φ=0°和φ=180°分别存在相位误差β1和β2； 对于任意一对A和B， 误差偏移角度的计算公式为

θ1=A2β+B2α

(10)

因为存在角度误差，所以旋转角度θ可校正为

θ=θ2-θ1

(11)

其中，θ2是实测角度值，减去误差θ1， 可得到校正后的角度值．

要想得到任意位置的准确角度值，必须对0°～360°的数据进行校正．常用的有一圈校正算法、四点校正算法和自动校正算法等．其中效果最好的是四点校正算法[18-20]．

四点校正算法选择0°、90°、180°和270°这4个点，采用式(6)计算其对应偏移角度．分别得到θ3、θ4、θ5和θ6． 将θ4与θ3相减，得到0°～90°的累积误差，再将差值除以90，得到0°～90°中每1°所对应的误差值．在计算旋转角度时，用测量值减去这个误差平均值，就是当前的角度值．用此方法将θ5与θ4相减，得到90°～180°的累积误差，再将差值除以90，得到90°～180°中每1°所对应的误差值．依次类推，可以得到180°～270°的误差值和270°～360°的误差值.因为LDC1614输出28bit的数字量，在进行0°、90°、180°和270°校正时，4个点的误差都不会超过1°，因此将90°和0°的差值相减再除以90，其准确度可达到0.02°．可见四点校正法进一步提高了角度检测的精度．

4 测试结果

图8 自制仪表盘Fig.8 Self-made instrument panel

根据以上原理制作的金属圆盘旋转角度测量仪的表盘如图8，在中心点固定一个指针，当转盘旋转时，指针跟着旋转．加入四点校正算法，可准确读到指针所指的角度值．

图9是传感器LDC1614直接输出的数字量，并未用四点校正算法处理．

图9 未加入校正算法的数据Fig.9 Data without calibration algorithm

对图9中的数字量进行归一化处理后得到图10的波形，恰好满足正余弦的取值范围-1～1．

图10 加入校正算法后的数据Fig.10 Data with calibration algorithm

结合式(7)至式(11)，并加入四点校正法，可得输出角度与数字量之间的对应关系如图11．

图11 校正后的角度与数字量的对应关系Fig.11 The relationship between rectified angle and digital quantity

图11中的虚线表示没有加入4点校正时计算得到的曲线，黑色实线表示四点校正后的曲线．表1显示了测量角度和实际角度之间的对应关系．从图11和表1中的测试数据可以看出：在0°、90°、180°和270°这4个点上，几乎无误差，其角度测量的准确度达到0.02°．

表1 测量角度与实际角度的对应关系

表1中实际角度是用专用角度测量仪器，即角度尺测量得到的角度值，测量角度则是用LDC1614设计的仪表盘测量后得到的角度值．

结 语

分析新型数字电感传感器的工作原理，采用4个传感器正交圆形排列，检测涂有不同面积的金属物圆盘的旋转角度，设计出了仪表盘，通过计算，可测得仪表盘的旋转角度．为进一步提高精度，提出四点校正算法，使准确度提高到了0.02°．测试结果表明，各项指标均达到了设计要求．由于采用非接触、电感式传感器，相比机械测量角度的方法，其精度更高，使用寿命更长．

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【中文责编：英 子；英文责编：子 兰】

Design of precision dial based on LDC1614

Huang Jian and Zhang Shanwen†

Department of Information Engineering, Xijing University, Xi’an 710123, Shaanxi Province, P.R.China

In order to accurately detect the rotation position of the instrument panel, a new non-contact inductance sensor LDC1614 is adopted. LDC1614 is a four-channel, 28 bit digital sensor with inter-integrated circuit (IIC) interface. It tests the rotation angle of the moving object by the four self-made coils, evenly distributed on a circle plane. The measurement accuracy reaches up to 0.02° by using the four point correction algorithm in the software programming. The sensor can also be connected with the microprocessor to complete the data acquisition and processing and measure the rotation angle accurately.

sensor technology; digital converter for inductive sensor; dial; non-contact inductance sensor; LDC1614; measurement accuracy

：Huang Jian, Zhang Shanwen. Design of precision dial based on LDC1614[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2017, 34(2): 188-194.(in Chinese)

TN 212

A

10.3724/SP.J.1249.2017.02188

国家自然科学基金资助项目(61473237)

黄 健(1973—)，男，西京学院副教授．研究方向：嵌入式开发技术．E-mail：565200245@qq.com

Received：2016-08-26；Revised：2016-09-08；Accepted：2017-01-09

Foundation：National Natural Science Foundation of China (61473237)

† Corresponding author：Professor Zhang Shanwen. E-mail: 294617718@qq.com

引 文：黄 健，张善文．基于LDC1614的精密刻度盘设计[J]. 深圳大学学报理工版，2017，34(2)：188-194.