铍铜倾斜仪敏感头研制及其线性软件补偿

王宏伟

(北京信息科技大学理学院, 北京 100192)



铍铜倾斜仪敏感头研制及其线性软件补偿

王宏伟

(北京信息科技大学理学院, 北京 100192)

倾斜仪是测量倾斜角度的仪器, 利用铍青铜材料优良的弹性性能加工振动元件，制作"三明治"式差动电容检测结构的倾斜仪敏感头,分析了敏感头的力学特性，给出了被测倾角和铍铜元件偏角的关系。对敏感头进行测试,利用单片机软件编程方法对敏感头进行了非线性补偿,提高了敏感头的输出线性度。

铍青铜；倾斜仪;敏感头;差动电容；软件补偿；线性度

0 引言

倾斜仪在地震、军事、海洋、建筑、农业及电子产品等领域有广阔的应用[1]。

倾角测量常用水银珠水平器或液体摆式倾角传感器。这些仪器测量范围小，稳定测量时间较长，不便动态测量，不能用于自动控制系统。利用固体摆的原理研制的倾角传感器可获得较高测量精度，但传感器体积较大且抗冲击性能差[2-3]。

铍青铜材料弹性好、密度大、耐疲劳,适于做惯性振动元件[4]。文中用铍青铜材料作为振动元件，结合“三明治”式差动电容检测结构，设计制作倾角传感器。差动电容可以消除干扰，并受温度影响不大，灵敏度高，结构制作工艺简单[5-7]。

模拟倾角传感器在实际应用中往往存在较大的非线性误差，线性化程度不好。所以需要进行线性化的补偿，而一般模拟量传感器补偿还是硬件补偿法，但硬件补偿法的精度有限，电路复杂，成本较高。利用单片机技术的软件编程补偿方法，可使传感器性能得到大幅度提高 。

1 传感器结构

如图1所示，中间是铍青铜振动元件，包括质量、弹性梁和外框，左右两边为覆铜有机板，铍铜质量和左右极板间有间隙，形成电容C1和C2。传感器发生倾斜时，2个电容发生一大一小的变化，通过交流电桥可以测出电容变化的大小，进而得到倾角的大小[8]。

图1 倾角传感器敏感头结构

铍青铜元件实物如图2所示，包括质量、弹性梁和外框。

倾角传感器信号处理电路主要是将差动电容的变化转化为电压，信号处理电路如图3所示。由高频发生器、电桥、放大电路组成。

图2 铍青铜元件实物

图3 信号处理电路

根据铍青铜弹性振动元件实物尺寸，把它分成几个区域，如图4所示，质量包括A、B、C三个区域，D区域为弹性梁。

图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。铍铜质量厚度h1=0.50 mm；弹性梁厚度h2=0.10 mm;铍铜密度ρ=8.3×103kg/m3。

图4 铍铜弹性元件几何结构

2 力学分析

如图5所示，当传感器倾斜α角时，铍铜元件偏离β角度，铍铜元件相对于重垂线的偏角为α-β。

图5 敏感头倾斜后铍铜元件偏离情况

倾斜时铍铜对于梁根部产生的重力力矩可分为2个部分,A部分、B和C部分，A部分产生的力矩为：

MA=mAglAsin(α-β)

式中：lA为A部分中心到弹性梁根部的距离，

B、C部分产生的力矩和为

MB=2mBglBsin(α-β)

lB=b3

弹性元件质量产生的力矩和为

M=MA+MB=(mAlA+2mBlB)gsin(α-β)

(1)

对于方形条状结构，在受力矩作用下，产生弯曲，如图6所示。弯曲形成的曲率半径r为

(2)

式中：E为弹性模量；Iz为惯性矩，

式中：b为条形结构的宽度；h为厚度。

把式(2)中r代入得

(3)

把式(1)代入式(3)中，并考虑到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

在小偏角的情况下，整理得：

(5)

把结构尺寸代入上式，得

β≈0.15α

(6)

上式结果适于小倾角情况。对于在较大倾斜角情况下，只能通过实验测试值对传感器进行标定。

图6 方形条状结构在弯矩作用下受力情况

3 敏感头制作及性能测试

敏感头制作经过以下几步：

(1)线切割振动元件。编写切割程序代码，输入程序切割， 程中产生的毛刺；

(2)腐蚀铍青铜弹性梁。用保护胶铍青铜结构封起来(仅振动梁裸露)，放入到50﹪硝酸腐蚀液中腐蚀，使弹性梁得到合适的厚度；

(3)制作电极；

(4)粘结。完成敏感头制作后，分别把做好的敏感头标号，如图7所示，将敏感头两边用塑料方块粘接，以便稳定安放在被测物上。制作了10个易安放的敏感头，并进行了编号。如图8所示。

图7 敏感头

图8 倾角传感器敏感头

选择了5个传感器，把它和电路组合起来，在光学分度平台上进行测试。测试结果如表1所示。

从实验数据看出，倾角传感器的比例系数平均值大约为16.4 mV/(°)。

4 线性度补偿

倾角传感器在整个量程内，输入角度和输出电压之间的非线性较大，需对传感器的线性度进行软件补偿。SH796431单片机内置10位A/D转换器，分辨率高、转换速度快。

表1 5个敏感头在不同倾斜角度下传感器的输出电压

把倾角传感器输出的模拟信号通过单片机A/D口采样，和单片机中已写入的数据表中的数字进行比较，可以输出正确的数字信号。

这里只选了2号传感器，对其进行软件的线性化。单片机线性化软件程序如图9所示。

图9 单片机处理原理

用端基直线法把2号传感器的特性曲线作线性化处理，如图10所示。图中系列1为特性曲线，系列2为线性化后的拟合直线，系列3为经过单片机软件补偿后的输出曲线。

对补偿后的2号传感器进行测量，以数字值直接输出倾角角度。经过补偿，线性度得到较大的提高，但实际被测量和测试结果还有差距，最大差距达到6°。

图10 2号传感器的线性化

5 结论

本文利用铍青铜材料优良的弹性特点，加工制作成振动元件，和上、下电极构成"三明治"结构，形成电容敏感式倾角传感器敏感头。将电路和敏感头组合起来进行系列测试，得到了输出曲线。对传感器进行软件补偿，使线性度得到很大的提高，从而也提高了传感器的输出性能。该敏感头结构、处理电路和软件补偿具有普适性，而且成本低，可以用于一般性传感器开发，具有参考意义。

[1] 伍伟斌， 纪洪广， 陈建康. 数字开关式倾角传感器设计. 传感器与微系统, 2013, 32(12): 107-109.

[2] 黄玉,武立华. 高精度倾斜仪研究进展. 传感器世界，2008(5) : 54-56.

[3] 肖峻,吴艳霞,胡国庆,等. 高精度垂直摆倾斜仪静电标定方法的研究. 测控技术，2005(8) : 65-68.

[4] 陈乐平,周全. 铍铜合金的研究进展及应用. 热加工工艺， 2009(22) ：12-14．

[5] 李敏毅，王蕊.微机械电容式加速度传感器信号电路设计.传感器世界，2005(7)，31-32.

[6] 刘建锋,袁赣南,甘兴利. 表面测量的差动电容传感器研究. 仪器仪表学报,2006(S2) : 45-48.

[7] 陈超，续志军．电容式倾角传感器的研究与应用．传感器与仪器仪表，2009，6(1)：153-155.

[8] 王宏伟，江世宇，腾功清，等.一种小型电容敏感式加速度计的研制.微纳电子技术学报，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

国家自然科学基金项目(61471047)；北京市教育委员会科技发展计划项目(KM2014121232017)；

××××-××-×× 收修改稿日期：××××-××-××

TP212

A

1002-1841(2015)09-0008-03

王宏伟(1967—)，副教授，博士，从事传感器研究。E-mail: drhwh@bistu.edu.cn。