小型電容式傾角測量儀系統設計*

張 浩， 王宏偉， 郝少華， 陳培敏

(北京信息科技大學 理學院,北京 100192)

0 引 言

傾角測量儀經常用于系統的水平、垂直測量。通過對系統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，進而給被測對象的制動控制提供控制信息，該方法廣泛應用于汽車工業、安全控制、航空航天、建筑機械及電子產品等領域[1]。

本文設計的傾角測量儀主要由4部分構成：傾角傳感器、檢測電路、控制芯片、顯示模塊。當傾角傳感器發生角度偏轉時，引起兩個電容器間隙相對變化，導致差分電容值出現。通過檢測電路可以將不易檢測的電容值變化轉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。控制電路采用超低功耗的STM32芯片來控制檢測電路的工作參數和采集電壓的變化，并將測量數據顯示到顯示模塊上。

1 傾角傳感器設計和制作

1.1 傾角傳感器設計和制作

本文采用了經典的三明治式結構，傾角傳感器的質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計的缺陷，采用雙梁結構設計傾角傳感器，增加了其穩定性，減小質量塊的影響，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行加工，制成傾角傳感器：1)采用敷銅有機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線；3)在極板和鈹青銅元件外框之間粘結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粘結。

1.2 傾角傳感器差分電容值計算

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

圖2 傾角傳感器結構

當傾角傳感器不傾斜時，質量塊垂直向下；當傾角傳感器傾斜時，質量塊發生偏移時，偏移角度為β。通過偏移角度的大小和振動元件的結構計算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為芯片內部的可調補償電容器，用于調節電容器不對稱而引起的偏置。CF為電荷放大器的可調的積分電容，通過調節可以設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，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。

本文設計了如圖4所示的MS3110檢測電路原理。采用調制解調的方法讀取電容值。MS3110芯片內部可以輸出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，實現對電容值變化的調制。調制信號經過積分電荷放大器將電容值變化轉換為電壓變化，在經過低通濾波、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 系統整體設計

對MS3110檢測電路進行配置，Ga=2，CF=9.728 pF，Vref=2.25 V，進入差分模式工作。通過STM32芯片的12位的微秒(μs)級A/D轉換器將檢測電路從傳感器得到的模擬電壓值轉換為數字信號，并將數字信號通過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

系統軟件設計流程如圖6所示，采用模塊化設計，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初始化包括數據采集和轉換配置。FLAG 為中斷標志，其初始值為0，當 INT0 中斷發生時置1，表示有中斷發生，數據轉換完成。

圖6 系統軟件流程

4 實驗測試

將設計的傾角測量儀系統在光學分度平臺上進行測試，首先進行靜態測試，在傾角不變的情況下，通過STM32調節MS3110芯片的參數，補償轉換電壓，驗證電路能否有效進行電壓補償；再進行動態測量，通過改變傾角的大小，得到輸出電壓值。最后經過對3次實驗數據的處理，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 論

經實驗證明:本文設計的傾角測量儀測量范圍廣、穩定性高、線性度良好。