小型电容式倾角测量仪系统设计*

张 浩， 王宏伟， 郝少华， 陈培敏

(北京信息科技大学 理学院,北京 100192)

0 引 言

倾角测量仪经常用于系统的水平、垂直测量。通过对系统偏离水平位置的角度测量反映出被测量对象偏离平衡位置的程度，进而给被测对象的制动控制提供控制信息，该方法广泛应用于汽车工业、安全控制、航空航天、建筑机械及电子产品等领域[1]。

本文设计的倾角测量仪主要由4部分构成：倾角传感器、检测电路、控制芯片、显示模块。当倾角传感器发生角度偏转时，引起两个电容器间隙相对变化，导致差分电容值出现。通过检测电路可以将不易检测的电容值变化转换为容易检测的电压变化，通过电压的变化得知倾角的变化。由于设计的倾角敏感头体积较小，其电容量也较小(一般在皮法(pF)级)，引起电容值的变化量会更小，因此需要高精度的检测电路。本文选择微小电容值读取芯片MS3110搭建检测电路，其具有超低噪声和良好的灵敏度。控制电路采用超低功耗的STM32芯片来控制检测电路的工作参数和采集电压的变化，并将测量数据显示到显示模块上。

1 倾角传感器设计和制作

1.1 倾角传感器设计和制作

本文采用了经典的三明治式结构，倾角传感器的质量主要取决于悬臂梁材料的性能。本文采用弹性好、密度大、不易疲劳的铍青铜材料制作悬臂梁和中间的灵敏元件[2]。为避免倾角传感器单梁设计的缺陷，采用双梁结构设计倾角传感器，增加了其稳定性，减小质量块的影响，延长使用寿命，如图1所示。

图1 制作的铍青铜敏感元件

对铍青铜敏感元件进行加工，制成倾角传感器：1)采用敷铜有机板作为倾角传感器两端的电极板；2)分别在铍青铜和2个极板上焊接并引出导线；3)在极板和铍青铜元件外框之间粘结绝缘垫圈以使铍青铜元件和极板之间形成约600 μm的间隙，将铍青铜外框和两端极板对准粘结。

1.2 倾角传感器差分电容值计算

忽略弹性梁发生的挠度，只考虑梁的弯曲角度，据此计算电容值的变化量。铍青铜敏感元件和上下极板构成的电容值为C1和C2，如图2所示。

图2 倾角传感器结构

当倾角传感器不倾斜时，质量块垂直向下；当倾角传感器倾斜时，质量块发生偏移时，偏移角度为β。通过偏移角度的大小和振动元件的结构计算C1和C2的值

(1)

(2)

2 检测电路

采用MS3110芯片[3],其主要由电容补偿电路、电荷积分电路、低通滤波器以及运算放大器组成，其原理如图3所示。CS1IN，CS2IN为被读取差分电容器对，CS1，CS2为芯片内部的可调补偿电容器，用于调节电容器不对称而引起的偏置。CF为电荷放大器的可调的积分电容，通过调节可以设置前端积分器的增益[4]。

图3 MS3110原理

MS3110芯片输出电压(模拟量)与被测电容值的关系为

Vo=1.14GaV2P25ΔC/CF+Vref，ΔC=CS2T-CS1T，

CS1T=CS1IN+CS1，CS2T=CS2IN+CS2

(3)

式中Vo为输出电压，Ga为增益系数，一般为2或者4，V2P25为参考电压，差分模式下电压为2.25 V，CF为电荷积分电容值，决定芯片测量范围的大小，Vref一般在单变量输入时为0.5 V,在差分输入时为2.25 V。

本文设计了如图4所示的MS3110检测电路原理。采用调制解调的方法读取电容值。MS3110芯片内部可以输出2路幅值相等、相位相反的方波作为待读取电容值的激励信号，实现对电容值变化的调制。调制信号经过积分电荷放大器将电容值变化转换为电压变化，在经过低通滤波、增益放大得到与电容值变化成正比的电压信号。

图4 MS3110检测电路原理

3 系统整体设计

对MS3110检测电路进行配置，Ga=2，CF=9.728 pF，Vref=2.25 V，进入差分模式工作。通过STM32芯片的12位的微秒(μs)级A/D转换器将检测电路从传感器得到的模拟电压值转换为数字信号，并将数字信号通过16位真彩、分辨率为320×240的TFT_LCD显示[5]。最终制作的硬件实物电路如图5所示。

图5 制作的倾角仪系统

系统软件设计流程如图6所示，采用模块化设计，微控制器的初始化包括I/O口初始化、中断初始化和I2C的初始化等 ；MS3110的初始化包括对MS3110 引脚的配置以及MS3110中寄存器的配置；ADC初始化包括数据采集和转换配置。FLAG 为中断标志，其初始值为0，当 INT0 中断发生时置1，表示有中断发生，数据转换完成。

图6 系统软件流程

4 实验测试

将设计的倾角测量仪系统在光学分度平台上进行测试，首先进行静态测试，在倾角不变的情况下，通过STM32调节MS3110芯片的参数，补偿转换电压，验证电路能否有效进行电压补偿；再进行动态测量，通过改变倾角的大小，得到输出电压值。最后经过对3次实验数据的处理，通过拟合的方法得出输出电压随倾角变化的曲线，如图7。

图7 输出电压随倾角变化曲线

5 结 论

经实验证明:本文设计的倾角测量仪测量范围广、稳定性高、线性度良好。