使用高精度傳感器時，考慮外殼至關重要。在本文中，我們討論了傾角計子系統定制板設計中的機械設計注意事項。

當您設計具有高精度的系統時，機械設計有很多考慮因素。我最近設計了一個基于傾角計的定制 PCB，其精度非常高，以至于我需要設計一個沉重、穩定的外殼來保護它收集的數據的完整性。

正如我在傾角計子系統概述中提到的，整個項目應該允許 0.001° 的分辨率，這意味著如果板移動 1 μm，傳感器就會拾取它。這意味著每次在支架中調整電路板時，您都需要對電路板進行數字重新校準。為了讓事情變得更容易，我決定將我的電路板固定在支架上，以減少對持續數字重新校準的需求。

使用差動驅動螺釘手動調整板

因為我是 Mark “Hard-way” Hughes，所以我決定添加一個手動調整系統。在支架的一端，我選擇了一種差速驅動螺桿機構。另一方面，我 在板架的另一端添加了兩個額外的 M3 拋光橡子螺母。這兩個不可調節的支腳用螺絲固定在電路板的底部，并成為與差動螺釘相對的樞軸點。此外，這種安排允許對測試項目進行一些調整。

PCB 支架、定位銷、PCB 和 PCB 夾具的分解圖

差動螺釘機構有兩個螺距略有不同的螺紋，它們同時圍繞中心軸旋轉。它們的排列方式是，當一個螺釘前進時，另一個螺釘會后退。結果是一個復合螺釘，其有效螺距是原始兩個螺釘的螺距之差。

該視頻演示了通用差動螺釘，而該視頻顯示了該項目中使用的 Thorlabs 差動螺釘。

差速器螺絲的渲染。圖中的螺紋尺寸被夸大了。圖片由馬克休斯

這種差動絲杠機構可以通過多種方式進行調整。旋轉粗略部分（如上圖藍色所示）提供粗略調整。旋轉微調部分（如上圖紅色所示）提供微調。旋轉中間部分（如上圖綠色所示）同時影響粗調和細調，提供微細（微分）調整。

如果您可以使用公司信用卡，則可以由您友好的鄰居機械師制造定制的差速器螺釘機構。由于預算問題，我選擇了由 Thorlabs 制造的25 μm/rev 差動調節螺釘。

該機構旋轉一整圈會使 PCB 支架末端的高度改變 25μm，但螺釘可以轉動較小的量。

在這種差動螺釘的情況下，1 μm 對應于大約 15° 的旋轉。雖然這不是一個理想的調整水平，但至少在合理范圍內。而且，作為備份，我可以對設備進行數字校準。

PCB 機械設計：減輕熱量和機械應力

我們將一些機械設計考慮因素納入我們的 PCB 設計本身。

六個 3 毫米的槽口沿電路板的長邊在中心 1 英寸處放置，這些槽口將與鋁制載體中的分度銷配合。PCB 由兩個 3 英寸長的鋁制夾具固定在適當的位置，這些夾具將通過 M3x0.5 或 #4-40 硬件松散地固定在 PCB 上。

這種設計不是使用產生集中應力點的固定安裝孔，而是允許在電路板的大面積上施加少量壓力，在固定它的同時允許平行于電路板平面的一些運動。

4 層 PCB疊層如上圖所示。深綠色是地網。紅色是 12V 網絡。三文魚是3V3網。淺綠色為2V5網。深藍色是 5V0 VRef 網絡。

該電路板中唯一具有數據表中規定的機械考慮因素的組件是 5V 電壓基準 U4，Linear 的LT1027LS8。

數據表指出“在參考電壓 IC 下方應省略電源和接地層”，這相對容易通過布線保留來實現。更直接的關注??是“［切槽］通過 PC 板的所有四個側面的指令。插槽應盡可能長，而拐角應大到足以容納走線的布線。”

數據表中的圖 8顯示了建議使用的電路板切割模式。

這樣做是為了盡量減少參考電壓附近 PCB 上的任何機械應力。濕度和溫度的變化會導致 PCB 收縮或拉伸，進而會對 LT1027LS8 封裝施加應力。這些提議的切口減少了來自附近組件的任何熱傳導，并提供了機械應力消除。

切口的寬度，有時稱為“切口”，由 PCB 制造商的能力決定——在我的例子中，它是 1 毫米的下限。我選擇用一個小角度的浮雕來擴展每個切口，以擴展插槽并進一步隔離組件。

通過更精細的設計可能會進一步減輕壓力。如果您對此有任何建議，請在下面的評論中告訴我，因為我沒有就此設計咨詢機械工程師。

在 PCB 布局期間，切斷電源和接地層可能是一件危險的事情。所有信號都會找到返回路徑，而中斷的接地層會使該路徑變得不可預測。

而且，為了與“Hard-way Hughes”范式保持一致，我應該借此機會指出，傳感器提供比例輸出，ADC 參考輸入和傳感器電源輸入均由該電壓參考的輸出供電。比例意味著輸出與參考電壓成線性比例，因此參考電平的變化應該同樣影響輸入和輸出。

因此，在開始影響數據轉換之前，電壓基準可能會發生大幅漂移，因此對于本設計而言，納入數據表建議所需的額外工作可能在很大程度上是不必要的。

我很遺憾沒有在電壓基準和 ADC 之間加入電壓跟隨器/緩沖器，特別是因為我在板上有一個有兩個可用通道的通道。我必須測試電路板，以確定沒有它的設計是否可以接受。

熱/應力有限元分析的藝術印象

上述混合熱/應力有限元分析的藝術印象說明了電路板切口如何用于機械和熱隔離電路板的內部部分與 IC 產生的熱量，以及施加到外部的一些理論壓力的董事會。電路板切口減少了施加到電壓基準 IC 占用的電路板區域的整體應力。

PCB 本身沒有校準開關，因為按下它們可能會干擾電路板的對齊。相反，一個 20 針 0.5 英寸 FFC 將多條電容式觸摸線從微控制器連接到尚未設計的外部控制面板。數據將通過 USB 到 UART 接口從板上獲取。

概括

在創建高精度模擬電路時，某些設備需要充分考慮以獲得最大性能。雖然我可能很容易忽略了最佳實踐或在此設計中忽略了一些制造商建議，但我盡一切努力將它們整合用于教育目的。