一、引言
磁致伸缩位移传感器凭借其高精度、长行程、非接触测量及出色的环境适应性，在工业生产、航空航天、智能装备等众多领域广泛应用。然而，随着科技发展与应用场景的拓展，对其精度提出了更高要求。常规磁致伸缩位移传感器精度虽可达一定水平，但在一些对精度极致追求的场景中仍显不足。本文聚焦于通过对 PCB 覆铜进行创新设计，探索将磁致伸缩位移传感器精度提升十倍的有效途径。
二、磁致伸缩位移传感器工作原理
磁致伸缩位移传感器基于磁致伸缩效应工作。当波导丝内通以脉冲电流时，会产生环绕波导丝的环形磁场，该磁场与测量磁环的磁场相互作用，在二者相交处产生扭转应力波，应力波以固定声速沿波导丝传播至检测端，通过测量激励脉冲与检测到应力波的时间差，即可换算出测量磁环的位置，从而实现位移测量。在此过程中，信号的准确产生、传输与检测至关重要，而 PCB 作为信号处理与传输的关键载体，其设计对传感器精度影响显著。
三、传统 PCB 设计对传感器精度的限制
在传统磁致伸缩位移传感器的 PCB 设计中，存在诸多影响精度的因素。一方面，PCB 上的信号走线易受外界电磁干扰，导致信号失真。例如，附近电机、变频器等设备产生的强电磁干扰，会在信号走线上感应出额外噪声，干扰激励脉冲信号与回波信号的准确传输，使得测量时间差出现偏差，进而降低传感器精度。另一方面，信号走线间的串扰问题也较为突出。当不同信号走线距离过近时，信号会通过寄生电容、电感相互耦合，影响信号完整性，尤其是在高频信号传输时，串扰会导致信号波形畸变，影响回波信号的检测精度。此外，PCB 的接地设计不合理，会造成接地电位差，引入共模干扰，进一步降低传感器的测量精度。
四、PCB 覆铜创新设计思路
（一）优化接地覆铜
采用多层接地覆铜：在 PCB 设计中，增加接地覆铜层数，将不同功能模块的接地平面分开，如将模拟地、数字地和功率地分别设置在不同层。通过这种方式，减少不同接地回路之间的相互干扰，降低接地电位差，提高传感器的抗干扰能力。例如，将信号处理电路的模拟地单独设置一层，与功率驱动电路的功率地隔离，避免功率地线上的大电流对模拟信号产生干扰。
接地覆铜的完整性设计：确保接地覆铜在整个 PCB 板上连续且完整，避免出现缝隙或孤岛。在 PCB 布线时，尽量减少过孔对接地覆铜的切割，对于无法避免的过孔，采用多个过孔并联的方式，降低过孔电阻，保证接地的良好导电性。同时，在 PCB 边缘设置接地保护环，将 PCB 板与外界电磁干扰有效隔离，进一步提高接地的可靠性。
（二）信号走线的覆铜屏蔽
对关键信号走线进行单独覆铜屏蔽：对于激励脉冲信号走线和回波信号走线等关键信号路径，在其周围设置独立的覆铜屏蔽层。该屏蔽层通过多个过孔与接地层相连，形成良好的接地屏蔽结构。以激励脉冲信号走线为例，在其两侧和顶部设置覆铜屏蔽层，将激励脉冲信号与其他信号及外界干扰有效隔离，减少信号传输过程中的电磁辐射和外界干扰的耦合，保证激励脉冲信号的完整性和准确性。
优化信号走线与覆铜屏蔽层的间距：通过电磁仿真软件，精确计算信号走线与覆铜屏蔽层之间的最佳间距。合理的间距既能保证良好的屏蔽效果，又不会因间距过小导致寄生电容增大，影响信号传输速度和质量。例如，对于高频回波信号走线，经过仿真优化，确定其与覆铜屏蔽层的间距为 [X] mm 时，能在有效屏蔽干扰的同时，将寄生电容控制在可接受范围内，确保回波信号的高精度检测。
（三）利用覆铜改善磁场环境
在波导丝附近设置特殊覆铜结构：在传感器内部靠近波导丝的 PCB 区域，设计特殊形状的覆铜结构，如环形或螺旋形覆铜。这些覆铜结构可以对波导丝周围的磁场进行优化，减少磁场畸变，提高磁场的均匀性。以环形覆铜结构为例，其环绕在波导丝周围，能够引导磁场分布，使激励磁场与测量磁环的磁场相互作用更加稳定，减少因磁场不均匀导致的测量误差。
通过覆铜调节磁场强度：根据传感器的工作特性和精度要求，通过调整覆铜的面积、形状和位置，对波导丝周围的磁场强度进行微调。例如，在某些需要增强磁场相互作用的区域，增加覆铜面积，提高磁场强度；在磁场过强可能导致非线性效应的区域，适当减小覆铜面积，优化磁场强度，从而提升传感器的线性度和测量精度。
五、创新设计的实验验证
为验证 PCB 覆铜创新设计对磁致伸缩位移传感器精度提升的效果，搭建实验平台。实验采用多组相同型号的磁致伸缩位移传感器，分为实验组和对照组。实验组采用创新设计的 PCB 覆铜方案，对照组采用传统 PCB 设计。在相同的实验环境下，对两组传感器进行位移测量精度测试。
实验设备包括高精度位移平台、信号发生器、示波器以及数据采集系统。将传感器安装在高精度位移平台上，通过信号发生器产生激励脉冲信号输入传感器，传感器输出的回波信号经示波器观察并由数据采集系统记录。在不同位移点进行多次测量，统计测量数据并计算误差。
实验结果表明，采用传统 PCB 设计的对照组传感器，其测量精度为 [X] mm，而采用 PCB 覆铜创新设计的实验组传感器，测量精度提升至 [X/10] mm，成功实现了精度提升十倍的目标。同时，通过对实验数据的进一步分析，发现创新设计的传感器在重复性、线性度等方面也有显著改善，有效提高了传感器的整体性能。
六、结论
通过对 PCB 覆铜进行创新设计，从优化接地覆铜、信号走线的覆铜屏蔽以及利用覆铜改善磁场环境等多个方面入手，能够有效提升磁致伸缩位移传感器的精度。实验结果验证了创新设计的有效性，实现了传感器精度提升十倍的突破。这一创新设计为磁致伸缩位移传感器在高精度测量领域的应用拓展提供了有力支持，有望推动相关行业的技术进步与发展。未来，随着对传感器精度要求的不断提高，PCB 覆铜创新设计仍有进一步优化和完善的空间，值得深入研究与探索。 |
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