鈹銅傾斜儀敏感頭研制及其線性軟件補(bǔ)償

王宏偉

(北京信息科技大學(xué)理學(xué)院, 北京 100192)

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鈹銅傾斜儀敏感頭研制及其線性軟件補(bǔ)償

王宏偉

(北京信息科技大學(xué)理學(xué)院, 北京 100192)

傾斜儀是測量傾斜角度的儀器, 利用鈹青銅材料優(yōu)良的彈性性能加工振動元件，制作"三明治"式差動電容檢測結(jié)構(gòu)的傾斜儀敏感頭,分析了敏感頭的力學(xué)特性，給出了被測傾角和鈹銅元件偏角的關(guān)系。對敏感頭進(jìn)行測試,利用單片機(jī)軟件編程方法對敏感頭進(jìn)行了非線性補(bǔ)償,提高了敏感頭的輸出線性度。

鈹青銅；傾斜儀;敏感頭;差動電容；軟件補(bǔ)償；線性度

0 引言

傾斜儀在地震、軍事、海洋、建筑、農(nóng)業(yè)及電子產(chǎn)品等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用[1]。

傾角測量常用水銀珠水平器或液體擺式傾角傳感器。這些儀器測量范圍小，穩(wěn)定測量時(shí)間較長，不便動態(tài)測量，不能用于自動控制系統(tǒng)。利用固體擺的原理研制的傾角傳感器可獲得較高測量精度，但傳感器體積較大且抗沖擊性能差[2-3]。

鈹青銅材料彈性好、密度大、耐疲勞,適于做慣性振動元件[4]。文中用鈹青銅材料作為振動元件，結(jié)合“三明治”式差動電容檢測結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制作傾角傳感器。差動電容可以消除干擾，并受溫度影響不大，靈敏度高，結(jié)構(gòu)制作工藝簡單[5-7]。

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，而一般模擬量傳感器補(bǔ)償還是硬件補(bǔ)償法，但硬件補(bǔ)償法的精度有限，電路復(fù)雜，成本較高。利用單片機(jī)技術(shù)的軟件編程補(bǔ)償方法，可使傳感器性能得到大幅度提高 。

1 傳感器結(jié)構(gòu)

如圖1所示，中間是鈹青銅振動元件，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C1和C2。傳感器發(fā)生傾斜時(shí)，2個(gè)電容發(fā)生一大一小的變化，通過交流電橋可以測出電容變化的大小，進(jìn)而得到傾角的大小[8]。

圖1 傾角傳感器敏感頭結(jié)構(gòu)

鈹青銅元件實(shí)物如圖2所示，包括質(zhì)量、彈性梁和外框。

傾角傳感器信號處理電路主要是將差動電容的變化轉(zhuǎn)化為電壓，信號處理電路如圖3所示。由高頻發(fā)生器、電橋、放大電路組成。

圖2 鈹青銅元件實(shí)物

圖3 信號處理電路

根據(jù)鈹青銅彈性振動元件實(shí)物尺寸，把它分成幾個(gè)區(qū)域，如圖4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4中：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。鈹銅質(zhì)量厚度h1=0.50 mm；彈性梁厚度h2=0.10 mm;鈹銅密度ρ=8.3×103kg/m3。

圖4 鈹銅彈性元件幾何結(jié)構(gòu)

2 力學(xué)分析

如圖5所示，當(dāng)傳感器傾斜α角時(shí)，鈹銅元件偏離β角度，鈹銅元件相對于重垂線的偏角為α-β。

圖5 敏感頭傾斜后鈹銅元件偏離情況

傾斜時(shí)鈹銅對于梁根部產(chǎn)生的重力力矩可分為2個(gè)部分,A部分、B和C部分，A部分產(chǎn)生的力矩為：

MA=mAglAsin(α-β)

式中：lA為A部分中心到彈性梁根部的距離，

B、C部分產(chǎn)生的力矩和為

MB=2mBglBsin(α-β)

lB=b3

彈性元件質(zhì)量產(chǎn)生的力矩和為

M=MA+MB=(mAlA+2mBlB)gsin(α-β)

(1)

對于方形條狀結(jié)構(gòu)，在受力矩作用下，產(chǎn)生彎曲，如圖6所示。彎曲形成的曲率半徑r為

(2)

式中：E為彈性模量；Iz為慣性矩，

式中：b為條形結(jié)構(gòu)的寬度；h為厚度。

把式(2)中r代入得

(3)

把式(1)代入式(3)中，并考慮到θ=β，l=b3,b=a3,得

(4)

由于β≤α，故

(mAlA+2mBlB)g(sinαcosβ-sinβcosα)

≈(mAlA+2mBlB)g(sinα-βcosα)

整理式(4)得

在小偏角的情況下，整理得：

(5)

把結(jié)構(gòu)尺寸代入上式，得

β≈0.15α

(6)

上式結(jié)果適于小傾角情況。對于在較大傾斜角情況下，只能通過實(shí)驗(yàn)測試值對傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

圖6 方形條狀結(jié)構(gòu)在彎矩作用下受力情況

3 敏感頭制作及性能測試

敏感頭制作經(jīng)過以下幾步：

(1)線切割振動元件。編寫切割程序代碼，輸入程序切割， 程中產(chǎn)生的毛刺；

(2)腐蝕鈹青銅彈性梁。用保護(hù)膠鈹青銅結(jié)構(gòu)封起來(僅振動梁裸露)，放入到50﹪硝酸腐蝕液中腐蝕，使彈性梁得到合適的厚度；

(3)制作電極；

(4)粘結(jié)。完成敏感頭制作后，分別把做好的敏感頭標(biāo)號，如圖7所示，將敏感頭兩邊用塑料方塊粘接，以便穩(wěn)定安放在被測物上。制作了10個(gè)易安放的敏感頭，并進(jìn)行了編號。如圖8所示。

圖7 敏感頭

圖8 傾角傳感器敏感頭

選擇了5個(gè)傳感器，把它和電路組合起來，在光學(xué)分度平臺上進(jìn)行測試。測試結(jié)果如表1所示。

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，需對傳感器的線性度進(jìn)行軟件補(bǔ)償。SH796431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。

表1 5個(gè)敏感頭在不同傾斜角度下傳感器的輸出電壓

把傾角傳感器輸出的模擬信號通過單片機(jī)A/D口采樣，和單片機(jī)中已寫入的數(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。

這里只選了2號傳感器，對其進(jìn)行軟件的線性化。單片機(jī)線性化軟件程序如圖9所示。

圖9 單片機(jī)處理原理

用端基直線法把2號傳感器的特性曲線作線性化處理，如圖10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)過單片機(jī)軟件補(bǔ)償后的輸出曲線。

對補(bǔ)償后的2號傳感器進(jìn)行測量，以數(shù)字值直接輸出傾角角度。經(jīng)過補(bǔ)償，線性度得到較大的提高，但實(shí)際被測量和測試結(jié)果還有差距，最大差距達(dá)到6°。

圖10 2號傳感器的線性化

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進(jìn)行系列測試，得到了輸出曲線。對傳感器進(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。該敏感頭結(jié)構(gòu)、處理電路和軟件補(bǔ)償具有普適性，而且成本低，可以用于一般性傳感器開發(fā)，具有參考意義。

[1] 伍偉斌， 紀(jì)洪廣， 陳建康. 數(shù)字開關(guān)式傾角傳感器設(shè)計(jì). 傳感器與微系統(tǒng), 2013, 32(12): 107-109.

[2] 黃玉,武立華. 高精度傾斜儀研究進(jìn)展. 傳感器世界，2008(5) : 54-56.

[3] 肖峻,吳艷霞,胡國慶,等. 高精度垂直擺傾斜儀靜電標(biāo)定方法的研究. 測控技術(shù)，2005(8) : 65-68.

[4] 陳樂平,周全. 鈹銅合金的研究進(jìn)展及應(yīng)用. 熱加工工藝， 2009(22) ：12-14．

[5] 李敏毅，王蕊.微機(jī)械電容式加速度傳感器信號電路設(shè)計(jì).傳感器世界，2005(7)，31-32.

[6] 劉建鋒,袁贛南,甘興利. 表面測量的差動電容傳感器研究. 儀器儀表學(xué)報(bào),2006(S2) : 45-48.

[7] 陳超，續(xù)志軍．電容式傾角傳感器的研究與應(yīng)用．傳感器與儀器儀表，2009，6(1)：153-155.

[8] 王宏偉，江世宇，騰功清，等.一種小型電容敏感式加速度計(jì)的研制.微納電子技術(shù)學(xué)報(bào)，2007(Z1):284-288．

Production of Beryllium Copper Sensitive Head for Inclinometer and Linearity Software Compensation

WANG Hong-wei

(College of science, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China)

Inclinometer is an instrument for measuring inclination angle, by excellent elasticity properties of beryllium bronze, it was used for making vibration of elastic element for sensitive head whose structure is "sandwich" differential capacitance. The mechanical characteristics of sensitive head was analyzed, and the relationship between offset angle of beryllium copper element and measured tilt angle was given. The sensitive head was tested and MCU software programming method was used to compensate output linearity. The performance of the sensitive head is improved after compensation.

beryllium bronze;inclinometer;sensitive bead;differential capacitance;software compensationilinearity

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61471047)；北京市教育委員會科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(KM2014121232017)；

××××-××-×× 收修改稿日期：××××-××-××

TP212

A

1002-1841(2015)09-0008-03

王宏偉(1967—)，副教授，博士，從事傳感器研究。E-mail: drhwh@bistu.edu.cn。