摘要：针对目前容栅数显皮革测厚仪在测量过程中的测量准确度不高的现状，对测厚仪的工作原理进行分析后，找出误差的影响因素，提出了一种分别从硬件、软件2个方面进行改进的办法。在机械加工和安装方面，通过添加半圆形限位片以及弹簧片的方法进行改进。在软件方面进行优化，即编写测量出错提示以及定时5 S后在LCM06XK上进行锁定当前显示的经过数字滤波算法求平均的厚度值的软件程序以提高测量准确度。最后通过实验数据证明改进后的仪器具有测量准确度高、稳定性好、抗干扰能力强等优点。

　　1 容栅数显皮革测厚仪的工作原理

　　与光栅、磁栅、感应同步器等对使用环境和安装要求很高、成本高、结构复杂、抗干扰能力差的仪表相比，容栅传感器在数显仪表中占有很大的优势。对使用环境无任何特殊要求，而且结构简单，成本低，抗干扰能力强，无温漂、时移等优点 。在容栅数显皮革测厚仪中，对容栅传感器输出信号的准确采集与处理是实现皮革厚度的准确测量的前提。

　　容栅传感器共有4根引线，分别为：电源线，地线，同步时钟线(CLK)和数据线(DATA)。DATA信号是在CLK信号控制下输出的非标准的串行数字信号，表示某一时刻传感器动栅片与静栅片之间的相对位移量。传感器的输出信号波形 如图1所示。

　　DATA信号是在CLK时钟信号的44 s的下降沿开始发送，在每一个发送周期中，数据信号共有2组，每组24 bit数据。一组是绝对数据，一组为相对数据(相对于测量基准点的位移值)。将传感器的Vdd端与CLK端短接的时间大于传感器发送信号的一个周期后，液晶LCM06XK上的显示也清零。

　　容栅传感器输出的待测皮革试样的数字信号表示的位移值D与动栅片、静栅片间实际的相对位移值￡的关系为：L=AS×D/8 (1)

　　式中：AS为传感器的脉冲当量(AS=0.009 921 875);D为传感器输出数据信号的十进制表示值。传感器的工作电压为1.5 V，查阅相关资料得知：在1.6～1.9 V时工作更加稳定。而系统的工作电压为5 V，因此选用三端稳压器LM317进行电压变换，将5 V的电压转换成1.66 V的电压供给容栅传感器，这个时候的传感器的工作更加稳定。系统上电之后，容栅传感器采集到位移信号(皮革厚度)之后，以非标准的串行数字信号的方式通过LM393将容栅传感器接近1.66 V的电平信号转换成为接近5 V的电平信号，再经过74LS14反相器进行整形。这部分的电路如图2所示。

　　整形过后的信号通过接口电路准确地送人单片机的RAM单元，一旦单片机检测到导向杆接触皮革试样即开始计时，5 s末将在LCM06XK上显示的厚度值锁定，此时就可以得到符合测量标准的厚度数据。整个系统的硬件框图如图3所示。

　　在设计中还加入了自动断电电路，当测厚仪有一段时间(软件程序设定为90 s)没有采集到新的数据，则通过将与光耦TP一521连接的P1.0口设置为高电平从而使9013截止以切断电源电路，达到节省电池能耗以及电源的目的。

　　2 误差分析及解决方案

　　在对多台装配完成的数显皮革测厚仪进行调试时发现一些问题，比如：按动压柄时，导向杆不能正常运动。而且导向杆有时在某一位置会出现固定不动的情况，此时的LXM06XK上显示的厚度的测量值就会不准确。在发现上述问题之后，对硬件加工和安装方面以及测量过程进行了仔细分析，查找出了引起误差的原因，并分别进行了改进。

　　2.1 硬件Jjn-r和安装

　　2.1.1 动栅片和静栅片的安装

　　传感器的动栅片和静栅片是相互独立的，因此需要通过手工的方式进行安装。如果安装得过紧，会使得两栅片在发生相对移动时产生的摩擦力增大。如果相对间距超过0.1 mm时，就会使传感器在不稳定的状态下工作，增大了厚度数据的测量误差。出现上述两种情况，都会使得容栅传感器两栅片问的耦合电容发生变化，导致LXM06XK上显示的厚度值会出现不稳、不准的现象。容栅位移传感器的原理公式为：

　　式中：AC为两栅片间耦合的电容量;s为介电常数;AS为两栅片问的耦合面积的变化量;d为两栅片间的间距。如果增大反射极和发射极间的耦合面积就可以增大耦合的电容量，测量的数据才更准确，同时能增强抗干扰能力和提高稳定性。

　　对于动静栅片间的接触问题，决定采用弹簧压片来实现固定静栅片的滑动块与导向杆之间的连接。只把弹簧压片的一端用螺丝固定在滑动块上，再通过螺丝将滑动块与导向杆连接，弹簧压片的另一端紧贴滑动块的另一端。通过这种安装方式实现极板间间距有效接触的控制。在测量过程中，通过导向杆的运动使得静栅片与动栅片间在滑动过程中产生的相对位移即为厚度值。

　　2.1.2 部件的加工

　　由于固定静栅片进行相对滑动的导向杆在机械加工和热处理的过程中会产生高温形变，导致导向杆的轴线和固定导向杆的轴套的轴线在垂直方向上不在同一条直线上而引起同轴误差。如果导向杆的表面不够光滑，会使导向杆在垂直方向的运动过程受阻。

　　对于这一问题，考虑加入半圆形限位片，如图4所示，可以在很大程度上限制了导向杆在水平方向上的绕轴旋转。由于滑动块与导向杆之间的连接方式，即使由于机械加工误差使导向杆在上下移动时存在微小的转动，在水平方向上也不会使传感器的两栅片间的相对间距发生变化。从而可以避免导向杆在水平方向上发生的轴向转动给测量带来误差的影响。

　　2.2 软件程序

　　2.2.1 测量出错提示和定时5 s显示

　　测量人员在测量皮革厚度时，如果没有满足操作要求，导致导向杆对皮革产生很大的冲力，测量出的数据会存在很大的误差。那么液晶模块上继续显示当前的厚度值而并不开启定时5 s末锁定LXM06XK上显示的厚度值的功能，以此提示当前操作出错，需要重新开始测量。如果测量过程满足轻缓接触的要求，则在测量压脚与皮革试样接触后，仪表的定时显示功能开启。LCM06XK在显示计时数据的同时也显示当前测量值。计时数据在达到5 S后，会将LXM06XK上显示的厚度数据锁定，同时在LCM06XK的左上方显示出字母“c”，表示此时的厚度数据是准确的，测量人员可以进行记录和读取。

　　判断压脚与皮革试样轻缓接触即计时开始时刻是通过相应的算法实现。因为皮革受压后由于自身的物理属性会产生形变，根据这一属性而提出了满足国家标准的5 S末进行读取准确的厚度测量值的软件设计：以放置皮革试样的平台为基准零位 分别代表单片机接收到的容栅传感器的相邻3个周期发送的厚度数据。在程序中不断地判断采集到的相邻2帧经过处理后的十进制的厚度数据的差值，如果差值同为正，则说明导向杆在下降。如果同时能满足此次的差值小于上次的差值已经变小，导向杆与皮革试样已经完全接触，定时开始。这部分的流程如图5所示。

　　2.2.2 测量的准确度

　　对于导向杆轻缓接触到皮革后，在定时5 S的过程中，显示读数不断地变化。因此，在5 S末锁定的厚度值可能偏大，也可能偏小，决定加入数字滤波算法来提高测量准确度，使得5 S末锁定的是经过滑动平均滤波算法求平均后在LCM06XK上显示的厚度值。数显皮革测厚仪便能够同时实现测量出错提示和定时5 S末锁定经过滑动滤波算反求平均后在LCM06XK上显示的厚度值这两项功能。

　　通过分析多种数字滤波算法的优缺点以及应用的条件，决定采用滑动滤波算法 来提高皮革厚度测量的准确度。具体实现方法如下：采用先入先出的环形队列，即只采样一次厚度值，将这次采样的厚度值与过去若干次采集到的厚度值一起求平均值，得到的值即为有效的厚度采样值。每次在单片机的RAM中存入新采集的一个厚度数据，同时去掉一个最早采集到的厚度数据，保持这Ⅳ个数据始终最新。具体的滤波程序如下：

　　3 实验结果

　　随后对改进后的容栅数显皮革测厚仪进行了综合调试。调试过程发现，测量分辨率为±0.0l mm，在LCM06XK显示厚度数据方面，测量数据的准确度得到了很大提高。此外，解决了以往测量过程中存在的导向杆的运动过程受阻、仪表操作不便等问题。

　　分析仪表的测量准确度时采取了下述方法：与台湾高铁公司的皮革厚度测量仪表(GT一313A1)进行了对比测量实验。在表1中，A组代表的厚度数据是使用GT一313A1对待测皮革样品上的不同部位进行测量得到的。B组对应的是使用数显皮革测厚仪得到的数据。

　　由对比实验数据发现：两组数据存在一定的偏差，使用A组的仪表测得的数据普遍偏小。在使用中，A组采取了人工读秒表来达到标准中规定的5 S末进行读数，这其中存在的很多人为因素都使测量数据出现误差。而B组是通过软件程序实现了5 s定时功能，并在5 S末锁定经过滤波算法求平均后在LCM06XK上显示的厚度值，避免了人为因素在测量过程中对数据的影响，能够在满足测量要求的前提下得到较准确的测量结果。

　　表2为容栅数显皮革测厚仪对5个不同的厚度标准块进行测量而得到的数据，分析发现，容栅数显皮革测厚仪是针对皮革受压后易产生形变以及容栅传感器的工作原理而设计的，仪表满足了皮革测量过程中相关行业标准，即：要求仪器测量压脚的负荷和尺寸须形成49.1 kPa的压强;测厚仪放至水平平面，将待测样品粒面向上放在测量台上，在压脚放下并与待测试样完全接触后的5 S末读数;仪表的测量分辨率达到0.叭mm等。

　　4 结束语

　　文中提出的对容栅数显皮革测厚仪的所有的改进方案都是基于单片机AT89C2051对LHE55型鉴相式线位移容栅传感器的数据进行准确的采集与处理而进行的。设计硬件电路结构时，将动栅片固定在电路主板的背面，而固定在滑动块上的静栅片通过弹簧片用螺丝固定在导向杆上，这样通过导向杆的上下运动而引起动栅片及静栅片之间相对位移的变化，从而得出待测皮革的厚度。改进后的仪表解决了动静栅片的有效接触以及导向杆的绕轴旋转问题。软件方面，编写测量出错提示以及定时5 S末进行锁定LCM06XK上显示的经过滑动滤波的算法求平均的厚度值的程序使得测量的数据更准确。(上接第88页)

　　参考文献：

　　[1] 张银芳.容栅位移传感器的工作原理及特点.航空精密制造技术，2005，41(4)：58—59.

　　[2] 王安敏，王辛立，崔伟.基于AT89C52单片机的容栅传感器测距系统.仪表技术与传感器，2008(9)：86—88，9O.

　　[3] 杨绍鹏，汪地，董峰，等.容栅尺和单片机的接口研究.计量与测试

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