如何设计定制的PCB支架:高精度传感器系统的机械考虑

当使用高精度传感器时，考虑外壳是至关重要的。在这篇文章中，我们讨论机械设计的考虑在一个倾斜计子系统的自定义板设计中发挥作用。

在设计具有高精度的系统时，机械设计需要考虑很多因素。我最近设计了一个基于倾斜仪的定制PCB，精度如此之高，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。

正如我在报告中提到的测斜仪子系统概述在美国，整个项目应该允许分辨率为0.001°，这意味着如果板移动哪怕1µm，传感器就会把它捡起来。这意味着你需要数字重新校准的板，每次它调整在其持有人。为了让事情更简单，我决定把我的电路板固定到一个支架上，以减少需要不断的数字校准。

上图所示为初步测试期间固定在铝测试夹具中的组装板。

请查看以下链接以了解有关精密测斜仪项目系列的更多信息。这篇文章特别提到PCB布局文章。

• 如何在定制PCB上设计精密测斜仪（完整项目概述）
• 方案设计
• PCB布局
• 固件设计

使用差速器驱动螺钉手动调整电路板

因为我是马克·休斯，所以我决定增加一个手动调节系统。在支架的一端，我选择了一个差速传动螺钉机构。另一方面，我添加了两个额外的M3橡子坚果在持牌人的另一端。这两个不可调节的脚被拧到板的下面，并成为一个枢轴点对面的差动螺钉。此外，这种安排允许在测试项目时进行一些调整。

爆炸渲染的PCB holder，校准引脚，PCB，和PCB夹具

差动螺杆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。它们是这样安排的，当一个螺丝钉前进时，另一个则后退。结果得到了一种有效螺距为原两螺杆螺距差的复合螺杆。

这视频演示了一个通用的差速器螺钉而此视频显示Thorlabs差速器螺钉用于这个项目。

差速螺丝的渲染图。在这张图中，线的尺寸被夸大了。马克·休斯图片

这种差动螺杆机构可以有多种调节方式。旋转粗糙部分(上面蓝色部分)提供粗略的调整。旋转微调部分(红色显示在上面)提供微调。旋转中间部分(显示在绿色上面)同时影响粗和细，提供微细(差动)调整。

如果你有公司的信用卡，可以由你友好的邻居机械师制造定制的差动螺丝机构。考虑到预算问题，我决定25µm/转速差速调节螺丝由Thorlabs制造。

该机构旋转一整圈可将PCB支架末端的高度改变25µm，但螺钉的转动量可以更小。

对于该差速器螺钉，1µm对应于约15°的旋转。虽然这不是一个理想的调整水平，但至少在合理的范围内。而且，作为备份，我有能力对设备进行数字校准。

PCB机械设计：减轻热量和机械应力

我们结合了一些机械设计方面的考虑我们的PCB设计它本身

6个3mm的缺口放置在1英寸的中心沿板的长边缘，将配合分度针在铝载体。PCB由两个3”长的铝夹紧件固定，将松散地用M3x0.5或#4-40硬件固定在PCB上。

这种设计不是使用固定的安装孔来产生集中的应力点，而是允许少量的压力施加在大面积的板上，确保它的同时允许一些平行于板平面的运动。

层印刷电路板层叠如上所示。深绿色是地面网。红色是12V网络。鲑鱼是3V3网。浅绿色是2V5网络。深蓝色是5V0 VRef网络。

在数据表中指定的机械考虑的唯一组件是5V电压参考U4，线性的LT1027LS8.

数据表表明，“参考电压IC下应省略电源和接地层”，这相对容易通过路由禁止实现。更直接的问题是指令“[切槽]在所有四个侧面穿过PC板。槽应尽可能长，角应足够大，以容纳迹线布线。”

图8来自数据表显示建议板切割模式使用。

这样做是为了最小化PCB上靠近参考电压的任何机械应力。湿度和温度的变化会导致PCB收缩或拉伸，从而对LT1027LS8封装产生应力。这些被提议的切断器减少了来自附近部件的任何热传导热量，并提供了机械应力消除。

切口的宽度，有时被称为“切口”，是由PCB制造商的能力决定的，在我的情况下，是1毫米的下限。我选择用一个小角度的浮雕延长每个切口，以延长槽和进一步绝缘的组件。

也许可以通过更精细的设计来进一步减轻压力。如果你对此有任何建议，请在下面的评论中告诉我，因为我没有咨询机械工程师的设计。

在PCB布线过程中，切断电源和地平面是一件危险的事情。所有信号都会找到一条返回路线，而中断的地平面会使这条路线变得不可预测。

并且，为了与“Hard way Hughes”范式保持一致，我应该借此机会指出，传感器提供比率输出，ADC参考输入和传感器功率输入均由该参考电压的输出供电。比率测量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同等影响输入和输出。

因此，在电压基准开始影响数据转换之前，电压基准可能会大幅漂移，因此，在本设计中，纳入数据表建议所需的额外工作可能基本上是不必要的。

我确实后悔没有在电压参考和ADC之间结合一个电压跟随/缓冲，特别是因为我有一个在板上有两个可用的通道。我将不得不测试板，以确定是否可以接受的设计，没有它。

热/应力有限元分析的艺术印象

上面的热/应力混合有限元分析的艺术印象说明了切板是如何从机械上和热上隔离电路板内部部分，使其免受ic产生的热量，以及一些施加在电路板外部的理论压力。板切割器减少了施加到板上的电压参考IC所占区域的整体应力。

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，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接口从电路板获取。

总结

在创建高精度模拟电路时，有些设备需要充分考虑最大性能。虽然在这个设计中，我可能很容易忽略最佳实践或忽略一些制造商的建议，但出于教育目的，我尽一切努力将它们集成起来。raybet电子竞技竞猜