張 浩， 王宏偉， 郝少華， 陳培敏

(北京信息科技大學(xué) 理學(xué)院,北京 100192)

0 引 言

傾角測量儀經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平、垂直測量。通過對系統(tǒng)偏離水平位置的角度測量反映出被測量對象偏離平衡位置的程度，進(jìn)而給被測對象的制動控制提供控制信息，該方法廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、安全控制、航空航天、建筑機(jī)械及電子產(chǎn)品等領(lǐng)域[1]。

本文設(shè)計的傾角測量儀主要由4部分構(gòu)成：傾角傳感器、檢測電路、控制芯片、顯示模塊。當(dāng)傾角傳感器發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)時，引起兩個電容器間隙相對變化，導(dǎo)致差分電容值出現(xiàn)。通過檢測電路可以將不易檢測的電容值變化轉(zhuǎn)換為容易檢測的電壓變化，通過電壓的變化得知傾角的變化。由于設(shè)計的傾角敏感頭體積較小，其電容量也較小(一般在皮法(pF)級)，引起電容值的變化量會更小，因此需要高精度的檢測電路。本文選擇微小電容值讀取芯片MS3110搭建檢測電路，其具有超低噪聲和良好的靈敏度?？刂齐娐凡捎贸凸牡腟TM32芯片來控制檢測電路的工作參數(shù)和采集電壓的變化，并將測量數(shù)據(jù)顯示到顯示模塊上。

1 傾角傳感器設(shè)計和制作

1.1 傾角傳感器設(shè)計和制作

本文采用了經(jīng)典的三明治式結(jié)構(gòu)，傾角傳感器的質(zhì)量主要取決于懸臂梁材料的性能。本文采用彈性好、密度大、不易疲勞的鈹青銅材料制作懸臂梁和中間的靈敏元件[2]。為避免傾角傳感器單梁設(shè)計的缺陷，采用雙梁結(jié)構(gòu)設(shè)計傾角傳感器，增加了其穩(wěn)定性，減小質(zhì)量塊的影響，延長使用壽命，如圖1所示。

圖1 制作的鈹青銅敏感元件

對鈹青銅敏感元件進(jìn)行加工，制成傾角傳感器：1)采用敷銅有機(jī)板作為傾角傳感器兩端的電極板；2)分別在鈹青銅和2個極板上焊接并引出導(dǎo)線；3)在極板和鈹青銅元件外框之間粘結(jié)絕緣墊圈以使鈹青銅元件和極板之間形成約600 μm的間隙，將鈹青銅外框和兩端極板對準(zhǔn)粘結(jié)。

1.2 傾角傳感器差分電容值計算

忽略彈性梁發(fā)生的撓度，只考慮梁的彎曲角度，據(jù)此計算電容值的變化量。鈹青銅敏感元件和上下極板構(gòu)成的電容值為C1和C2，如圖2所示。

圖2 傾角傳感器結(jié)構(gòu)

當(dāng)傾角傳感器不傾斜時，質(zhì)量塊垂直向下；當(dāng)傾角傳感器傾斜時，質(zhì)量塊發(fā)生偏移時，偏移角度為β。通過偏移角度的大小和振動元件的結(jié)構(gòu)計算C1和C2的值

(1)

(2)

2 檢測電路

采用MS3110芯片[3],其主要由電容補(bǔ)償電路、電荷積分電路、低通濾波器以及運算放大器組成，其原理如圖3所示。CS1IN，CS2IN為被讀取差分電容器對，CS1，CS2為芯片內(nèi)部的可調(diào)補(bǔ)償電容器，用于調(diào)節(jié)電容器不對稱而引起的偏置。CF為電荷放大器的可調(diào)的積分電容，通過調(diào)節(jié)可以設(shè)置前端積分器的增益[4]。

圖3 MS3110原理

MS3110芯片輸出電壓(模擬量)與被測電容值的關(guān)系為

Vo=1.14GaV2P25ΔC/CF+Vref，ΔC=CS2T-CS1T，

CS1T=CS1IN+CS1，CS2T=CS2IN+CS2

(3)

式中Vo為輸出電壓，Ga為增益系數(shù)，一般為2或者4，V2P25為參考電壓，差分模式下電壓為2.25 V，CF為電荷積分電容值，決定芯片測量范圍的大小，Vref一般在單變量輸入時為0.5 V,在差分輸入時為2.25 V。

本文設(shè)計了如圖4所示的MS3110檢測電路原理。采用調(diào)制解調(diào)的方法讀取電容值。MS3110芯片內(nèi)部可以輸出2路幅值相等、相位相反的方波作為待讀取電容值的激勵信號，實現(xiàn)對電容值變化的調(diào)制。調(diào)制信號經(jīng)過積分電荷放大器將電容值變化轉(zhuǎn)換為電壓變化，在經(jīng)過低通濾波、增益放大得到與電容值變化成正比的電壓信號。

圖4 MS3110檢測電路原理

3 系統(tǒng)整體設(shè)計

對MS3110檢測電路進(jìn)行配置，Ga=2，CF=9.728 pF，Vref=2.25 V，進(jìn)入差分模式工作。通過STM32芯片的12位的微秒(μs)級A/D轉(zhuǎn)換器將檢測電路從傳感器得到的模擬電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將數(shù)字信號通過16位真彩、分辨率為320×240的TFT_LCD顯示[5]。最終制作的硬件實物電路如圖5所示。

圖5 制作的傾角儀系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖6所示，采用模塊化設(shè)計，微控制器的初始化包括I/O口初始化、中斷初始化和I2C的初始化等 ；MS3110的初始化包括對MS3110 引腳的配置以及MS3110中寄存器的配置；ADC初始化包括數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換配置。FLAG 為中斷標(biāo)志，其初始值為0，當(dāng) INT0 中斷發(fā)生時置1，表示有中斷發(fā)生，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成。

圖6 系統(tǒng)軟件流程

4 實驗測試

將設(shè)計的傾角測量儀系統(tǒng)在光學(xué)分度平臺上進(jìn)行測試，首先進(jìn)行靜態(tài)測試，在傾角不變的情況下，通過STM32調(diào)節(jié)MS3110芯片的參數(shù)，補(bǔ)償轉(zhuǎn)換電壓，驗證電路能否有效進(jìn)行電壓補(bǔ)償；再進(jìn)行動態(tài)測量，通過改變傾角的大小，得到輸出電壓值。最后經(jīng)過對3次實驗數(shù)據(jù)的處理，通過擬合的方法得出輸出電壓隨傾角變化的曲線，如圖7。

圖7 輸出電壓隨傾角變化曲線

5 結(jié) 論

經(jīng)實驗證明:本文設(shè)計的傾角測量儀測量范圍廣、穩(wěn)定性高、線性度良好。