基于容柵技術的數顯角度尺的研發

王玉珍 賀小軍 張磊

1.北京航天試驗技術研究所，北京100074；2.北京市航天動力試驗技術與裝備工程技術研究中心，北京100074

0 引言

隨著工業測量領域“數字化”的提出，越來越多的機械式量具被電子數顯量具取代。機械式角度尺作為常用的角度測量量具，亦存在不易讀數、使用繁瑣、測量效率低、成本較高等缺點，而數顯角度尺能夠很好地解決上述機械式角度尺存在的問題，且目前國內外電子數顯式角度尺較少，因此，數顯式角度尺的研發便成為市場亟需。自20 世紀80 年代從國外引進容柵技術以來，國內容柵技術也日趨成熟。與光柵、磁柵、電感式傳感器等其他類型相比，容柵傳感器具有結構簡單，分辨率高，成本低，安裝方便，對使用環境要求較低等特點，因此，越來越多的量具廠家基于容柵技術進行測量量具、量儀等研發[1-4]。綜上，本文基于容柵技術研發一款數顯角度尺。該數顯角度尺能夠進行角度測量，同時直接顯示角位移，讀數直觀，測量方便快捷，功能多樣且成本較低，大大提高了角度測量的效率。

1 容柵傳感器的基本工作原理

容柵傳感器作為一種新型數字式位移傳感器，基于平板電容理論，將電容器作為敏感元件，使機械位移量轉變為電容量的變化，可進行大位移測量。通過設計兩塊能夠相對移動的電極板組成平板電容器，當兩極板間距、介電常數一定的條件下，電容器的電容變化量與兩極板耦合面積變化量成正比[5]。

根據容柵傳感器電極柵狀及結構的不同，可將其分為長容柵傳感器和圓容柵傳感器。長容柵傳感器用于直線位移的測量，主要應用于數顯卡尺、數顯深度尺等測量儀器；圓容柵傳感器不僅用于測量角位移，還可對直線位移進行測量，在數顯角度尺、數顯千分尺等量具中廣泛應用。

容柵傳感器主要由主柵和副柵兩部分組成：主柵由屏蔽電極和反射電極構成；副柵由發射電極、接收電極和屏蔽電極構成。其中每8 條發射電極為一組，與一個反射電極相對應，對每組發射電極進行編號，并采用引線連接每組編號相同的發射電極，容柵傳感器等效電路如圖1 所示[6]。

容柵傳感器工作時，對副柵中編號為1 號到8 號的發射電極送入相位依次相差45°的等幅同頻方波激勵信號。測量時副柵相對主柵移動，產生位移變化，發射電極與反射電極的電容值也產生相應變化，再經反射電極和接收電極之間的反射電容器耦合后，引起接收電極上合成信號的相位變化。該相位變化反映了傳感器主柵和副柵的相對位移變化，最后通過對該合成輸出信號進行一系列的處理可獲得位移信號[7]。

2 數顯角度尺的設計

本文研發的角度尺基本設計原理為基于容柵技術，采用圓容柵傳感器測量角度，并對傳感器信號進行相關處理，再采用主控芯片處理數據，并進一步將數據轉化為角度值并顯示，同時響應按鍵操作。本文主要從數顯角度尺的角度測量原理、主控電路設計和結構設計3 部分進行闡述。

2.1 角度測量原理

本文角度尺的角度測量部分主要包括圓容柵傳感器的設計和圓容柵傳感器信號處理兩部分，其基本測量原理為根據容柵傳感器測量原理測量角度值，并通過一系列電路處理，將容柵信號轉換為二進制數字信號輸出。

2.1.1 圓容柵傳感器的設計

根據容柵傳感器基本原理，本文設計滿足要求的圓容柵傳感器，其印制線路板設計示意圖如圖2 所示。

圖2（a）為該傳感器主柵部分，圖2（b）為該傳感器副柵部分，兩部分通過盤心同軸安裝。傳感器主柵中1 對屏蔽電極加反射電極，對應傳感器副柵中1 組發射電極（發射電極條數及極距可根據實際測量需求進行設計）[8]。其中，傳感器屏蔽電極連接信號地，起隔離屏蔽作用。表1 為圓容柵傳感器副柵發射電極設計不同組數時，相應分辨率和預計達到的精度情況。

表1 圓容柵傳感器副柵發射電極不同組數時，分辨率及精度情況

綜上，本文所設計圓容柵傳感器的副柵發射電極組數為45 組，其可達到的分辨率為1′，該數顯角度尺預計可達到的測量精度為2′。

2.1.2 圓容柵傳感器信號處理

本文圓容柵傳感器信號處理基本原理框圖如圖3 所示[9-10]。

圖3 中，由信號函數發生器產生一組具有45°相位差的8 路激勵信號，并把該激勵信號施加于圓容柵傳感器副柵的發射電極，經主柵和副柵之間電容傳感器的耦合，在副柵接收電極輸出合成信號。該信號經解調器解調后，進入濾波器濾除雜波等，然后將有用信號輸入放大器進行放大，再經整形電路進行處理，之后將此信號測量相位與基準相位輸入鑒相器鑒別信號的相位變化，最后采用運算器進行運算處理，輸出角位移信號N。

當圓容柵傳感器主柵與副柵的相對位置發生變化時，角位移信號N改變。假設主柵與副柵相對轉動量為θ，其與角位移信號N、圓容柵傳感器分辨率R存在如公式（1）所示關系：

2.2 主控電路設計

選用STM32L0x3 系列芯片作為主控芯片，其具有低成本、易操作、易編程等優點。該芯片作為基于Cortex-M0+的超低功耗MCU，具備新的自主式外設（USART 等），多種低功耗模式（低功耗運行模式、低功耗睡眠模式、低功耗待機模式等），內置16 位ADC（硬件過采樣）、超低功耗時鐘振蕩器、液晶顯示驅動器、比較器等，減少了處理時間及功耗，簡化了外圍電路設計，可方便快速對數據進行處理和顯示輸出。

主控電路硬件設計框圖如圖4 所示。主控芯片采集角位移信號N，對其進行數據運算處理，并將該角度值輸送至液晶顯示屏顯示。假設液晶屏顯示G°M′，則根據公式（1）角度值θ有如公式（2）所示關系：

其中，G——顯示的度值；

M——顯示的分值。

主控芯片通過公式（2）可計算任意角度測量值。

該主控芯片也可通過數據接口將該角度值輸出至上位機測量軟件進行數據分析及管理。同時，該主控芯片還響應各不同按鍵操作，主要包括：開/關按鍵、清零按鍵、模式切換按鍵，其中，模式切換按 鍵 可 實 現0° ～90°、90° ～180°、180° ～270°、270°～360°、0°～360° 5 種測量模式切換。

主控電路軟件程序設計流程圖如圖5 所示。主控芯片先采集二進制角位移信號，經相關運算處理，將處理后的角度值送入液晶屏顯示。

2.3 結構設計

數顯角度尺基本結構示意圖如圖6 所示。主要由電子部件和機械部件兩部分組成。電子部件主要包括圓容柵傳感器、主控電路功能板、液晶顯示屏等；機械部件主要包括測量尺和基座聯動部分。其中，測量尺包括基尺和直尺；基座聯動部分包括基座和由轉軸、轉動齒輪等構成的同軸旋轉件。

該角度尺圓容柵傳感器安裝于基座處，主柵通過基尺的軸連接基尺，副柵連接直尺；主控電路功能板、液晶顯示屏部分安裝于顯示組件內，主控電路功能板與副柵通過軟線實現電氣連接，其測量結果可在液晶顯示屏上直接顯示。上述基尺經基座底部使用螺釘來連接聯動部分的轉動齒輪；直尺經鎖緊帽固定于基座側邊緣處，根據各種角度的測量需求，直尺的兩個側面均可作為測量面。微動波輪可用于正反方向的微調轉動。

上述角度尺結構設計方案便于將圓容柵傳感器、主控電路功能板、液晶顯示屏及基座集成為一個測量數顯部件，該部件區別于角度尺的基尺和直尺單獨裝配，具有獨立精度。該設計安裝簡便，使用簡易、直觀，便于生產及測試[11]。

3 實驗結果與分析

在常溫條件下，采用分辨率為0.001°角度測試儀對100 個上述數顯角度尺樣品進行精度檢測。通過在角度尺0°～8°范圍內平均選取20 個測試點進行對比測量，計算誤差（測量誤差為角度尺示值與角度測試儀示值之差），從而獲得該角度尺精度。本文以1#角度尺、2#角度尺為例，圖7 所示為1#角度尺測量誤差折線圖，其精度為0.022°，約1.3′；圖8 所示為2#角度尺測量誤差折線圖，其精度為0.028°，約1.7′；圖9 所示為上述所選100 個角度尺的精度散點圖。通過觀察各角度尺精度均不超過預計的精度2′，檢測結果均合格。

4 結論

本文基于容柵技術，通過相關硬件設計、軟件程序設計以及緊湊的機械結構設計進行數顯角度尺的研發。通過實驗驗證，該角度尺可進行較高精度的測量。相比于傳統機械式角度尺，該數顯角度尺避免了人為讀數誤差，具有操作簡單、穩定可靠、數據可輸出等優點，可在測量領域得到廣泛應用。