基于容柵技術(shù)的數(shù)顯角度尺的研發(fā)

王玉珍 賀小軍 張磊

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

0 引言

隨著工業(yè)測量領(lǐng)域“數(shù)字化”的提出，越來越多的機械式量具被電子數(shù)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(shù)、使用繁瑣、測量效率低、成本較高等缺點，而數(shù)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(nèi)外電子數(shù)顯式角度尺較少，因此，數(shù)顯式角度尺的研發(fā)便成為市場亟需。自20 世紀80 年代從國外引進容柵技術(shù)以來，國內(nèi)容柵技術(shù)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(jié)構(gòu)簡單，分辨率高，成本低，安裝方便，對使用環(huán)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(shù)進行測量量具、量儀等研發(fā)[1-4]。綜上，本文基于容柵技術(shù)研發(fā)一款數(shù)顯角度尺。該數(shù)顯角度尺能夠進行角度測量，同時直接顯示角位移，讀數(shù)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(shù)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(zhuǎn)變?yōu)殡娙萘康淖兓?，可進行大位移測量。通過設(shè)計兩塊能夠相對移動的電極板組成平板電容器，當(dāng)兩極板間距、介電常數(shù)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(jù)容柵傳感器電極柵狀及結(jié)構(gòu)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(yīng)用于數(shù)顯卡尺、數(shù)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(shù)顯角度尺、數(shù)顯千分尺等量具中廣泛應(yīng)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(gòu)成；副柵由發(fā)射電極、接收電極和屏蔽電極構(gòu)成。其中每8 條發(fā)射電極為一組，與一個反射電極相對應(yīng)，對每組發(fā)射電極進行編號，并采用引線連接每組編號相同的發(fā)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(fā)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(chǎn)生位移變化，發(fā)射電極與反射電極的電容值也產(chǎn)生相應(yīng)變化，再經(jīng)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(shù)顯角度尺的設(shè)計

本文研發(fā)的角度尺基本設(shè)計原理為基于容柵技術(shù)，采用圓容柵傳感器測量角度，并對傳感器信號進行相關(guān)處理，再采用主控芯片處理數(shù)據(jù)，并進一步將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為角度值并顯示，同時響應(yīng)按鍵操作。本文主要從數(shù)顯角度尺的角度測量原理、主控電路設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(jù)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(zhuǎn)換為二進制數(shù)字信號輸出。

2.1.1 圓容柵傳感器的設(shè)計

根據(jù)容柵傳感器基本原理，本文設(shè)計滿足要求的圓容柵傳感器，其印制線路板設(shè)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(yīng)傳感器副柵中1 組發(fā)射電極（發(fā)射電極條數(shù)及極距可根據(jù)實際測量需求進行設(shè)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(fā)射電極設(shè)計不同組數(shù)時，相應(yīng)分辨率和預(yù)計達到的精度情況。

表1 圓容柵傳感器副柵發(fā)射電極不同組數(shù)時，分辨率及精度情況

綜上，本文所設(shè)計圓容柵傳感器的副柵發(fā)射電極組數(shù)為45 組，其可達到的分辨率為1′，該數(shù)顯角度尺預(yù)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(shù)發(fā)生器產(chǎn)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(fā)射電極，經(jīng)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(jīng)解調(diào)器解調(diào)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(jīng)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(dāng)圓容柵傳感器主柵與副柵的相對位置發(fā)生變化時，角位移信號N改變。假設(shè)主柵與副柵相對轉(zhuǎn)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(guān)系：

2.2 主控電路設(shè)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(yōu)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(shè)（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(nèi)置16 位ADC（硬件過采樣）、超低功耗時鐘振蕩器、液晶顯示驅(qū)動器、比較器等，減少了處理時間及功耗，簡化了外圍電路設(shè)計，可方便快速對數(shù)據(jù)進行處理和顯示輸出。

主控電路硬件設(shè)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(shù)據(jù)運算處理，并將該角度值輸送至液晶顯示屏顯示。假設(shè)液晶屏顯示G°M′，則根據(jù)公式（1）角度值θ有如公式（2）所示關(guān)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(shù)據(jù)接口將該角度值輸出至上位機測量軟件進行數(shù)據(jù)分析及管理。同時，該主控芯片還響應(yīng)各不同按鍵操作，主要包括：開/關(guān)按鍵、清零按鍵、模式切換按鍵，其中，模式切換按 鍵 可 實 現(xiàn)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(shè)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(jīng)相關(guān)運算處理，將處理后的角度值送入液晶屏顯示。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)顯角度尺基本結(jié)構(gòu)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(lián)動部分。其中，測量尺包括基尺和直尺；基座聯(lián)動部分包括基座和由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)動齒輪等構(gòu)成的同軸旋轉(zhuǎn)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(nèi)，主控電路功能板與副柵通過軟線實現(xiàn)電氣連接，其測量結(jié)果可在液晶顯示屏上直接顯示。上述基尺經(jīng)基座底部使用螺釘來連接聯(lián)動部分的轉(zhuǎn)動齒輪；直尺經(jīng)鎖緊帽固定于基座側(cè)邊緣處，根據(jù)各種角度的測量需求，直尺的兩個側(cè)面均可作為測量面。微動波輪可用于正反方向的微調(diào)轉(zhuǎn)動。

上述角度尺結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)顯部件，該部件區(qū)別于角度尺的基尺和直尺單獨裝配，具有獨立精度。該設(shè)計安裝簡便，使用簡易、直觀，便于生產(chǎn)及測試[11]。

3 實驗結(jié)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(shù)顯角度尺樣品進行精度檢測。通過在角度尺0°～8°范圍內(nèi)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(yù)計的精度2′，檢測結(jié)果均合格。

4 結(jié)論

本文基于容柵技術(shù)，通過相關(guān)硬件設(shè)計、軟件程序設(shè)計以及緊湊的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計進行數(shù)顯角度尺的研發(fā)。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(tǒng)機械式角度尺，該數(shù)顯角度尺避免了人為讀數(shù)誤差，具有操作簡單、穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)可輸出等優(yōu)點，可在測量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。