鈹青銅傾角傳感器及其線性度補(bǔ)償*

王宏偉

(北京信息科技大學(xué)，北京100192)

0 引 言

傾角傳感器在農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、軍事、水利、海洋、工程建筑、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用［1～3］。“三明治”式差動(dòng)電容檢測(cè)結(jié)構(gòu)非常適合設(shè)計(jì)制作傾角傳感器［4］。差動(dòng)電容可以消除干擾，并受溫度影響較小，靈敏度高，結(jié)構(gòu)制作工藝簡(jiǎn)單［5］。

模擬傾角傳感器在實(shí)際應(yīng)用中往往存在較大的非線性誤差，線性化程度不好。所以，需要進(jìn)行線性化的補(bǔ)償，硬件補(bǔ)償法的精度有限，電路復(fù)雜，成本較高［7］。隨著單片機(jī)和ASIC 技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，其制造成本也越來(lái)越低，使軟件補(bǔ)償法成為更好的選擇［8］。

鈹青銅材料彈性好，密度大，耐疲勞，適于做慣性振動(dòng)元件。本文提出了用鈹青銅材料作為彈性振動(dòng)元件，制作得到“三明治”電容敏感式傾角傳感器，并對(duì)其進(jìn)行了軟件線性度補(bǔ)償，傳感器線性度得到改善。

1 傳感器結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，中間是鈹青銅振動(dòng)元件，包括質(zhì)量、彈性梁和外框，左右兩邊為覆銅有機(jī)板，鈹銅質(zhì)量和左右極板間有間隙，形成電容器C1 和C2。傳感器發(fā)生傾斜時(shí)，兩個(gè)電容發(fā)生一大一小的變化，通過(guò)交流電橋可以測(cè)出電容變化的大小，傾角的大小就可以測(cè)得［9］。

圖1 傾角傳感器敏感頭結(jié)構(gòu)Fig 1 Structure of sensing head of tilt sensor

傾角傳感器信號(hào)處理電路主要是將差動(dòng)電容的變化轉(zhuǎn)換為電壓，其原理如圖2 所示。信號(hào)處理電路由高頻發(fā)生器、電橋、放大電路組成。

根據(jù)鈹青銅彈性振動(dòng)元件實(shí)物尺寸，把它分成幾個(gè)區(qū)域，如圖3 所示，質(zhì)量包括A，B，C 三個(gè)區(qū)域，D 區(qū)域?yàn)閺椥粤骸?/p>

圖2 信號(hào)處理電路Fig 2 Circuit for signal processing

a0=19.69 mm;a1=16.07 mm;a2=13.83 mm;a3=4.09 mm;a4=1.78 mm;b0=19.77 mm;b1=16.03 mm;b2=14.88 mm;b3=9.06 mm;b4=1.05 mm;鈹青銅質(zhì)量厚度h1=0.50 mm;彈性梁厚度h2=0.10 mm。鈹青銅密度ρ=8.3×103kg/m3。

圖3 鈹銅彈性元件幾何結(jié)構(gòu)Fig 3 Geometric construction of beryllium copper elastic element

2 力學(xué)分析

如圖4 所示，當(dāng)傳感器傾斜α 角時(shí)，鈹青銅元件偏離β角度，鈹青銅元件相對(duì)于重垂線的偏角為α－β。

圖4 敏感頭傾斜后鈹青銅元件偏離情況Fig 4 Deviation of beryllium copper element after sensing head tilt

傾斜時(shí)鈹青銅對(duì)于梁根部產(chǎn)生的重力力矩可分為兩個(gè)部分A 部分、B 和C 部分，A 部分產(chǎn)生的力矩為

式中 lA為A 部分中心到彈性梁根部的距離，且

B，C 部分產(chǎn)生的力矩和為

彈性元件質(zhì)量產(chǎn)生的力矩和為

對(duì)于方形條狀結(jié)構(gòu)，在受力矩作用下，產(chǎn)生彎曲，如圖5所示。彎曲形成的曲率半徑r 為

其中，E 為彈性模量，Iz為慣性矩，且

式中 b 為條形結(jié)構(gòu)的寬度，h 為厚度。由于

將式(2)代入式(3)得

圖5 方形條狀結(jié)構(gòu)在彎矩作用下受力Fig 5 Square shaped structure stress under bending moment

將式(1)代入式(3)中，并考慮到θ=β，l=b3，b=a3，得

由于β?α，故

整理式(5)得

在小偏角的情況下

整理得

將結(jié)構(gòu)尺寸代入式(5)，得

上式結(jié)果適于小傾角情況。對(duì)于在較大傾斜角情況下，只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試值對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

3 敏感頭制作與性能測(cè)試

敏感頭制作的主要工藝過(guò)程:1)線切割振動(dòng)元件;2)腐蝕鈹青銅彈性梁;3)制作電極;4)粘接。

完成敏感頭制作后，分別將做好的敏感頭標(biāo)號(hào)，如圖6所示。

圖6 敏感頭Fig 6 Sensing head

將敏感頭兩邊用塑料方塊粘接，以便穩(wěn)定放置在被測(cè)物上。制作了10 個(gè)易放置的敏感頭，并進(jìn)行了編號(hào)，如圖7所示。

圖7 傾角傳感器敏感頭Fig 7 Sensing head of tilt sensor

選擇了5 只傳感器，分別電路組合起來(lái)，在光學(xué)分度平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 不同傾斜角度下傳感器的輸出電壓Tab 1 Output voltage of sensor in different tilt angle

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出:傾角傳感器的比例系數(shù)平均值大約為16.4 mV/(°)。

4 線性度補(bǔ)償

傾角傳感器在整個(gè)量程內(nèi)，輸入角度和輸出電壓之間的非線性較大，需對(duì)傳感器的線性度進(jìn)行軟件補(bǔ)償。用中潁單片機(jī)公司的SH796431，該單片機(jī)內(nèi)置10 位A/D 轉(zhuǎn)換器，分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快。

將傾角傳感器輸出的模擬信號(hào)通過(guò)單片機(jī)A/D 口采樣，和單片機(jī)中已寫(xiě)入的數(shù)據(jù)表中的數(shù)字進(jìn)行比較，可以輸出正確的數(shù)字信號(hào)。

這里只選了2#傳感器，對(duì)其進(jìn)行軟件的線性化。單片機(jī)線性化軟件程序如圖8 所示。

用單片機(jī)補(bǔ)償處理過(guò)的傾角傳感器置于傾角臺(tái)上，進(jìn)行測(cè)試并數(shù)字輸出，如圖9 所示，數(shù)字顯示如圖10 所示。

圖8 單片機(jī)處理原理Fig 8 Processing principle of MCU

圖9 線性補(bǔ)償后傾角測(cè)試Fig 9 Tilt angle test after linear compensation

圖10 傾角數(shù)字顯示Fig 10 Tilt angle digital display

用端基直線法把2#傳感器的特性曲線作線性化處理，如圖11 所示。圖中系列1 為特性曲線，系列2 為線性化后的擬合直線，系列3 為經(jīng)過(guò)單片機(jī)軟件補(bǔ)償后的輸出曲線。

圖11 2#傳感器的線性化Fig 11 Linearization of 2#sensor

對(duì)補(bǔ)償后的2#傳感器進(jìn)行測(cè)量，以數(shù)字值直接輸出傾角角度。經(jīng)測(cè)量2#傳感器的實(shí)際測(cè)試值和數(shù)字輸出值如表2 所示。

經(jīng)過(guò)補(bǔ)償，線性度得到較大的提高，但如表2 所示，實(shí)際被測(cè)量和測(cè)試結(jié)果還有差距，最大差距達(dá)到6°。

傳感器輸出信號(hào)的線性度補(bǔ)償?shù)暮脡囊蕾?lài)傳感器敏感頭的穩(wěn)定性。

表2 2#傾角傳感器測(cè)試結(jié)果Tab 2 Test results of 2#tilt sensor

5 結(jié) 論

本文利用鈹青銅材料優(yōu)良的彈性特點(diǎn)，加工制作成振動(dòng)元件，和上下電極構(gòu)成“三明治”結(jié)構(gòu)，形成電容敏感式傾角傳感器敏感頭。將電路和敏感頭組合起來(lái)進(jìn)行系列測(cè)試，得到了輸出曲線。對(duì)傳感器進(jìn)行軟件補(bǔ)償，使線性度得到很大的提高，從而也提高了傳感器的輸出性能。

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