一种为倾角计子系统设计定制板支架的方法

使用高精度传感器时，考虑外壳至关重要。在本文中，我们讨论了倾角计子系统定制板设计中的机械设计注意事项。

当您设计具有高精度的系统时，机械设计有很多考虑因素。我最近设计了一个基于倾角计的定制 PCB，其精度非常高，以至于我需要设计一个沉重、稳定的外壳来保护它收集的数据的完整性。

正如我在倾角计子系统概述中提到的，整个项目应该允许 0.001° 的分辨率，这意味着如果板移动 1 µm，传感器就会拾取它。这意味着每次在支架中调整电路板时，您都需要对电路板进行数字重新校准。为了让事情变得更容易，我决定将我的电路板固定在支架上，以减少对持续数字重新校准的需求。

使用差动驱动螺钉手动调整板

因为我是 Mark “Hard-way” Hughes，所以我决定添加一个手动调整系统。在支架的一端，我选择了一种差速驱动螺杆机构。另一方面，我 在板架的另一端添加了两个额外的 M3 抛光橡子螺母。这两个不可调节的支脚用螺丝固定在电路板的底部，并成为与差动螺钉相对的枢轴点。此外，这种安排允许对测试项目进行一些调整。

PCB 支架、定位销、PCB 和 PCB 夹具的分解图

差动螺钉机构有两个螺距略有不同的螺纹，它们同时围绕中心轴旋转。它们的排列方式是，当一个螺钉前进时，另一个螺钉会后退。结果是一个复合螺钉，其有效螺距是原始两个螺钉的螺距之差。

该视频演示了通用差动螺钉，而该视频显示了该项目中使用的 Thorlabs 差动螺钉。

差速器螺丝的渲染。图中的螺纹尺寸被夸大了。图片由马克休斯

这种差动丝杠机构可以通过多种方式进行调整。旋转粗略部分（如上图蓝色所示）提供粗略调整。旋转微调部分（如上图红色所示）提供微调。旋转中间部分（如上图绿色所示）同时影响粗调和细调，提供微细（微分）调整。

如果您可以使用公司信用卡，则可以由您友好的邻居机械师制造定制的差速器螺钉机构。由于预算问题，我选择了由 Thorlabs 制造的25 µm/rev 差动调节螺钉。

该机构旋转一整圈会使 PCB 支架末端的高度改变 25µm，但螺钉可以转动较小的量。

在这种差动螺钉的情况下，1 µm 对应于大约 15° 的旋转。虽然这不是一个理想的调整水平，但至少在合理范围内。而且，作为备份，我可以对设备进行数字校准。

PCB 机械设计：减轻热量和机械应力

我们将一些机械设计考虑因素纳入我们的 PCB 设计本身。

六个 3 毫米的槽口沿电路板的长边在中心 1 英寸处放置，这些槽口将与铝制载体中的分度销配合。PCB 由两个 3 英寸长的铝制夹具固定在适当的位置，这些夹具将通过 M3x0.5 或 #4-40 硬件松散地固定在 PCB 上。

这种设计不是使用产生集中应力点的固定安装孔，而是允许在电路板的大面积上施加少量压力，在固定它的同时允许平行于电路板平面的一些运动。

4 层 PCB叠层如上图所示。深绿色是地网。红色是 12V 网络。三文鱼是3V3网。浅绿色为2V5网。深蓝色是 5V0 VRef 网络。

该电路板中唯一具有数据表中规定的机械考虑因素的组件是 5V 电压基准 U4，Linear 的LT1027LS8。

数据表指出“在参考电压 IC 下方应省略电源和接地层”，这相对容易通过布线保留来实现。更直接的关注​​是“［切槽］通过 PC 板的所有四个侧面的指令。插槽应尽可能长，而拐角应大到足以容纳走线的布线。”

数据表中的图 8显示了建议使用的电路板切割模式。

这样做是为了尽量减少参考电压附近 PCB 上的任何机械应力。湿度和温度的变化会导致 PCB 收缩或拉伸，进而会对 LT1027LS8 封装施加应力。这些提议的切口减少了来自附近组件的任何热传导，并提供了机械应力消除。

切口的宽度，有时称为“切口”，由 PCB 制造商的能力决定——在我的例子中，它是 1 毫米的下限。我选择用一个小角度的浮雕来扩展每个切口，以扩展插槽并进一步隔离组件。

通过更精细的设计可能会进一步减轻压力。如果您对此有任何建议，请在下面的评论中告诉我，因为我没有就此设计咨询机械工程师。

在 PCB 布局期间，切断电源和接地层可能是一件危险的事情。所有信号都会找到返回路径，而中断的接地层会使该路径变得不可预测。

而且，为了与“Hard-way Hughes”范式保持一致，我应该借此机会指出，传感器提供比例输出，ADC 参考输入和传感器电源输入均由该电压参考的输出供电。比例意味着输出与参考电压成线性比例，因此参考电平的变化应该同样影响输入和输出。

因此，在开始影响数据转换之前，电压基准可能会发生大幅漂移，因此对于本设计而言，纳入数据表建议所需的额外工作可能在很大程度上是不必要的。

我很遗憾没有在电压基准和 ADC 之间加入电压跟随器/缓冲器，特别是因为我在板上有一个有两个可用通道的通道。我必须测试电路板，以确定没有它的设计是否可以接受。

热/应力有限元分析的艺术印象

上述混合热/应力有限元分析的艺术印象说明了电路板切口如何用于机械和热隔离电路板的内部部分与 IC 产生的热量，以及施加到外部的一些理论压力的董事会。电路板切口减少了施加到电压基准 IC 占用的电路板区域的整体应力。

PCB 本身没有校准开关，因为按下它们可能会干扰电路板的对齐。相反，一个 20 针 0.5 英寸 FFC 将多条电容式触摸线从微控制器连接到尚未设计的外部控制面板。数据将通过 USB 到 UART 接口从板上获取。

概括

在创建高精度模拟电路时，某些设备需要充分考虑以获得最大性能。虽然我可能很容易忽略了最佳实践或在此设计中忽略了一些制造商建议，但我尽一切努力将它们整合用于教育目的。