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【摘要】金属表面水平平整度检测仪是基于MSP430单片机的电感传感器接近测量的一款测量装置。本装置主要作用是测量金属表面水平的平整度，在逐步提高装置精确度后应用到工业生产中精密金属样品合格率检验中。装置中电感传感器进行接近测量，单片机处理电感传感器发送和接收的数据，USB口传输数据到上位机，最后上位机显示实时数据。本设计采用的是TI公司生产的电感传感器，价格较低，测量效果较好，能够为真正普及电感传感器应用做出一定贡献。
【关键词】接近测量;单片机;电感传感器;上位机
1.绪论
1.1 课题背景及目的
运用接触式测量传感器测量金属表面水平平整度是检验精密金属样品的主流方法，但是接触式测量传感器与样品接触时会产生接触电阻，接触电阻阻值影响实际测量的精确性，采用非接触式测量传感器就可以减少这个误差。非接触式测量传感器主要有：电涡流式传感器、电感传感器、超声波传感器和辐射式传感器等。
利用电涡流效应制成的传感器叫电涡流传感器，根据涡流在导体贯穿情况，分高频反射式和低频透射式两大类[1]。电感传感器分自感式电感传感器和差动变压式电感传感器[2]。超声波传感器是产生超声波和接收超声波的装置，具有正、逆双向传感器。常见的超声波传感器有压电式探头，此外还有磁致伸缩式、电磁式等[3]。辐射式传感器主要包括红外辐射式传感器、核辐射式传感器以及激光探测器[4]。以上所述的非接触式测量传感器，高精度电涡流式传感器制作难度较大，市场上价格一般较高，超声波与辐射式传感器在毫米级变化的距离差值测量上误差较大，故本次设计装置选择电感传感器进行测量。
1.2 重点与难点
电感式传感器的线圈并非是纯电感，该电感由有功分量和无功分量两部分组成。有功分量包括：线圈线绕电阻和涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻，这些都可折合成为有功电阻，其总电阻可用R来表示;无功分量包含：线圈的自感L，绕线间分布电容，为简便起见可视为集中参数，用C来表示[5]。等效线圈阻抗为：
（1-1）
有理化上式可得：
（1-2）
由于并联电容的存在，导致有效串联损耗电阻及有效电感增加，而有效Q值减小，在有效阻抗不大的情况下，它会使灵敏度有所提高，从而引起传感器性能的变化。即电感传感器要考虑并联一个大小合适的电容，这样对测量性能有不少提高。
2.硬件电路设计
2.1 系统框图
图1 系统框图
图1中，电感传感器LDC1000收集传感器附近磁场强度变化的数据，MSP430單片机接收数据，然后进行数据处理，之后将数据通过USB口传输到上位机。
2.2 功能模块设计
2.2.1 电感传感器电路
电路中主要由一个电感传感器和多个滤波电容组成。为了电感传感器测量时的稳定性并联了多个电容。传感器在使用时可以保证其性能的稳定性。
2.2.2 MSP430原理图
电路原理图中，MSP430晶振为24MHz，通过DP、DM两个I/O口连接USB与上位机进行通信。
2.2.3 USB通信电路
芯片TPD4E保护附加在通信线路上的敏感电子元件。每个通道包含一对将ESD电流脉冲引导至VCC或者GND的二极管。此器件每通道有一个1.5pF IO电容值，使得它非常适合用在高速数据IO接口中。
2.2.4 装置实物
通过实物装置右侧的线圈组成电感传感器，当金属接近线圈时，磁场发生改变，MSP430接收变化的数据，传输到上位机进行显示。
3.上位机软件
上位机功能：
上位机中当装置正常与上位机进行通信时，上位机中LED为ON状态，同时装置上绿色LED为常亮状态。
正常通信后，点击上位机按钮start，装置开始进行工作，数据将以图表的形式显示出来。如图2所示。
图2 测量数据
通过图中数据可以知道，当前的电感传感器状态，同时将其值可以转换为金属材料与电感传感器之间的距离，从而达到测量目的。
4.成果
工作中主要成绩和收获：做了一系列项目相关的实验，对测量方面的传感器知识有了部分了解，在实验中培养细心，科学和严谨的实验态度，在测量实验里学会从数据中发现规律，知道哪些是干扰因素导致的异常数据，同时对自身和团队能力有了清晰的认识，工作中磨合了同学之间的感情，动手方面的实际操作加强了不少。收获最大的就是要保持不断学习进取的精神，努力做好自己分配的工作，相互配合完成整项工作。当然测量过程中有很多不完善的地方，但是从实验装置得到的数据还是具有一定的真实和可靠性。本次项目最大的特色就是选用的传感器，TI公司的LDC1000传感器在很多方面有着很不错的优势，而且PCB板上线圈可以自行设计，可以将装置自带的线圈换成高精度的线圈，同时可以修改电容值和电感值，以及测试时可以选用不同的时钟震荡频率。实验测量装置输出的数据波形较好，波形波动比较稳定。不过装置想实际应用到工业测量当中去还需很多的改进，修改电路参数，不断提高装置的精确度，才有可能真正应用到实际生活生产中。
参考文献
[1]宋雪臣，单振清，郭永欣.传感器与检测技术[M].邮电大学出版社，2011.
[2]童敏明，戴新联.现代传感器技术[J].中国矿业大学出版社，2006.
[3]王俊杰，曹丽，等.传感器与检测技术[J].清华大学出版社，2011.
[4]钱显毅.传感器原理与应用[M].东南大学出版社，2008.
[5]郁有文，常健，程继红.传感器原理及工程应用[M].西安电子科技大学出版社，2008.
【关键词】接近测量;单片机;电感传感器;上位机
1.绪论
1.1 课题背景及目的
运用接触式测量传感器测量金属表面水平平整度是检验精密金属样品的主流方法，但是接触式测量传感器与样品接触时会产生接触电阻，接触电阻阻值影响实际测量的精确性，采用非接触式测量传感器就可以减少这个误差。非接触式测量传感器主要有：电涡流式传感器、电感传感器、超声波传感器和辐射式传感器等。
利用电涡流效应制成的传感器叫电涡流传感器，根据涡流在导体贯穿情况，分高频反射式和低频透射式两大类[1]。电感传感器分自感式电感传感器和差动变压式电感传感器[2]。超声波传感器是产生超声波和接收超声波的装置，具有正、逆双向传感器。常见的超声波传感器有压电式探头，此外还有磁致伸缩式、电磁式等[3]。辐射式传感器主要包括红外辐射式传感器、核辐射式传感器以及激光探测器[4]。以上所述的非接触式测量传感器，高精度电涡流式传感器制作难度较大，市场上价格一般较高，超声波与辐射式传感器在毫米级变化的距离差值测量上误差较大，故本次设计装置选择电感传感器进行测量。
1.2 重点与难点
电感式传感器的线圈并非是纯电感，该电感由有功分量和无功分量两部分组成。有功分量包括：线圈线绕电阻和涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻，这些都可折合成为有功电阻，其总电阻可用R来表示;无功分量包含：线圈的自感L，绕线间分布电容，为简便起见可视为集中参数，用C来表示[5]。等效线圈阻抗为：
（1-1）
有理化上式可得：
（1-2）
由于并联电容的存在，导致有效串联损耗电阻及有效电感增加，而有效Q值减小，在有效阻抗不大的情况下，它会使灵敏度有所提高，从而引起传感器性能的变化。即电感传感器要考虑并联一个大小合适的电容，这样对测量性能有不少提高。
2.硬件电路设计
2.1 系统框图
图1 系统框图
图1中，电感传感器LDC1000收集传感器附近磁场强度变化的数据，MSP430單片机接收数据，然后进行数据处理，之后将数据通过USB口传输到上位机。
2.2 功能模块设计
2.2.1 电感传感器电路
电路中主要由一个电感传感器和多个滤波电容组成。为了电感传感器测量时的稳定性并联了多个电容。传感器在使用时可以保证其性能的稳定性。
2.2.2 MSP430原理图
电路原理图中，MSP430晶振为24MHz，通过DP、DM两个I/O口连接USB与上位机进行通信。
2.2.3 USB通信电路
芯片TPD4E保护附加在通信线路上的敏感电子元件。每个通道包含一对将ESD电流脉冲引导至VCC或者GND的二极管。此器件每通道有一个1.5pF IO电容值，使得它非常适合用在高速数据IO接口中。
2.2.4 装置实物
通过实物装置右侧的线圈组成电感传感器，当金属接近线圈时，磁场发生改变，MSP430接收变化的数据，传输到上位机进行显示。
3.上位机软件
上位机功能：
上位机中当装置正常与上位机进行通信时，上位机中LED为ON状态，同时装置上绿色LED为常亮状态。
正常通信后，点击上位机按钮start，装置开始进行工作，数据将以图表的形式显示出来。如图2所示。
图2 测量数据
通过图中数据可以知道，当前的电感传感器状态，同时将其值可以转换为金属材料与电感传感器之间的距离，从而达到测量目的。
4.成果
工作中主要成绩和收获：做了一系列项目相关的实验，对测量方面的传感器知识有了部分了解，在实验中培养细心，科学和严谨的实验态度，在测量实验里学会从数据中发现规律，知道哪些是干扰因素导致的异常数据，同时对自身和团队能力有了清晰的认识，工作中磨合了同学之间的感情，动手方面的实际操作加强了不少。收获最大的就是要保持不断学习进取的精神，努力做好自己分配的工作，相互配合完成整项工作。当然测量过程中有很多不完善的地方，但是从实验装置得到的数据还是具有一定的真实和可靠性。本次项目最大的特色就是选用的传感器，TI公司的LDC1000传感器在很多方面有着很不错的优势，而且PCB板上线圈可以自行设计，可以将装置自带的线圈换成高精度的线圈，同时可以修改电容值和电感值，以及测试时可以选用不同的时钟震荡频率。实验测量装置输出的数据波形较好，波形波动比较稳定。不过装置想实际应用到工业测量当中去还需很多的改进，修改电路参数，不断提高装置的精确度，才有可能真正应用到实际生活生产中。
参考文献
[1]宋雪臣，单振清，郭永欣.传感器与检测技术[M].邮电大学出版社，2011.
[2]童敏明，戴新联.现代传感器技术[J].中国矿业大学出版社，2006.
[3]王俊杰，曹丽，等.传感器与检测技术[J].清华大学出版社，2011.
[4]钱显毅.传感器原理与应用[M].东南大学出版社，2008.
[5]郁有文，常健，程继红.传感器原理及工程应用[M].西安电子科技大学出版社，2008.