基于電磁感應對航向傳感器精度的影響分析

中國船舶重工集團公司第七一五研究所 趙 瑜 吳文福 高呈學

基于電磁感應對航向傳感器精度的影響分析

中國船舶重工集團公司第七一五研究所 趙 瑜 吳文福 高呈學

航向傳感器用于測量載體的實時動態航向角信息,為載體的運行狀態提供方位基準.其核心芯片為基于MEMS技術的磁力儀、加速度計和陀螺儀組成,通過信息融合技術來解算實時航向信息.電磁感應對航向傳感器內部磁力儀芯片的影響會導致航向角解算的誤差,文中定量分析了電磁感應的影響大小,并給出了對比分析結論,對航向傳感器精度的改善具有一定的參考價值.

航向傳感器;電磁感應; MEMS;磁力儀

1 引言

航向傳感器用于實時提供運載體的動態航向角信息,其基于微型的MEMS技術,使用一組三軸磁力儀、三軸加速度計和三軸陀螺儀來檢測運動,融合多種傳感數據,并通過一個實時機載擴展卡爾曼濾波器,使其在姿態和方位測量方面能提供無與倫比的精度.相比于電子羅盤而言,其通過去除瞬時加速度干擾,使其計算的航向精度得到很大的提高,并且能夠全空間360°無死角安裝和測量.電磁感應影響是指通電導體產生的電磁場對航向傳感器精度的影響,其中產生的電磁場主要是對傳感器內部的磁力儀芯片帶來磁干擾,進而影響多種傳感數據的融合解算.文中主要分析固定位置下,不同電流產生的磁感應對磁力儀芯片和航向角的影響,并且對比分析單股直導線和雙絞直導線的影響大小和性能表現.

2 電流磁效應及磁場強度原理

電流磁效應是指任何通有電流的導線,都可以在其周圍產生磁場的現象.在通電長直導線周圍,產生磁場的磁力儀形狀為以導線為圓心的封閉同心圓,且磁場方向與電流的方向相互垂直.

對于有限長直載流導線,磁場大小的解算方式如下,設定載流導線的長度用L表示,通電電流用I表示,與通電導線垂直距離為d的P點的磁場強度設為B,示意圖如圖1所示:

圖1 有限長直載流導線磁感應強度示意圖

上述為有限長直載流導線電流產生磁場強度的示意圖,后續將根據實際測試結果來分析載流導線產生的磁場大小和對航向角的影響.

3 測試說明

測試的主要目的是分析通電電流產生的磁場對航向傳感器的精度影響,因此需要用的主要設備包括穩壓電源、航向傳感器、采集系統、滑動變阻器、通電測試導線等.其中:

(1)航向傳感器固定在磁環境穩定的平臺上,周圍無其它磁干擾影響;

(2)穩壓電源分別為航向傳感器和測試導線供電,并通過滑動變阻器和穩壓電源的調節來給測試導線提供所需的電流;

(3)采集系統實時記錄傳感器內部磁力儀芯片的讀數和航向角的讀數;

(4)通電測試導線包含兩種,分別為單股導線和雙絞導線,用于電磁感應的測試對比,并且導線直接從傳感器上方通過,沿傳感器的前進方向步線.

(5)單股導線測試時,通過傳感器上方的導線為其中一路,另一路由滑動變阻器端點引出,繞開傳感器后到達穩壓電源接線端,如上圖所示;雙絞線測試時,兩路導線都通過傳感器上方.

4 影響分析

測試過程中主要采用兩種方式:單股導線的電磁影響、雙絞線的電磁影響.通過調節滑動變阻器的滑片,使滑動變阻器的阻值固定在一個合適的大小,然后改變穩壓電源的電壓值,使通電導線的電流值根據需要來變動,測試過程中通過采集系統來記錄磁力儀芯片的讀數和航向角的讀數值.

4.1 單股導線的電磁影響

航向傳感器上方通過的導線為單股線,導線方向與磁力儀芯片的X軸方向平行,與Y軸、Z軸方向垂直,通電電流由0.0A變化到1.0A,當電流較小時以0.02A為一刻度,當電流較大時以0.05A為一刻度,如下為實際測試情況:

圖2所示的上半部分為通電導線電流與傳感器內部磁力儀芯片的電磁感應影響對比圖,包括X軸、Y軸、Z軸和合成總場對比曲線,可得知:

(1)通電電流對磁力儀的X軸讀數幾乎無影響;

(2)通電電流與磁力儀Y軸、Z軸讀數的影響基本成線性關系,電流越大,對磁力儀對應軸的影響越大;

(3)通電電流與磁力儀合成總場讀數的影響基本成線性關系,電流越大,對磁力儀的影響越大.

圖2 通電導線電流(單股線)與磁力儀各軸、航向角誤差對比圖

圖2所示的下半部分為通電導線(單股線)電流與傳感器航向角誤差對比曲線圖,由圖2可知:

(1)隨著通電導線電流的增大,傳感器航向角的偏差也隨之增大,兩者基本呈線性關系;

(2)通過數據分析得出,當電流為0.08A時,航向角偏差為-0.85°;當電流為0.10A時,航向角偏差為-1.20°,因此對于采用單股導線而言,為了保證航向角影響誤差小于1°范圍,通過導線的電流不能超過0.08A,這在實際使用中實現較困難.

4.2 雙絞線的電磁影響

航向傳感器上方通過的導線為雙絞線,兩路導線的電流大小相等、方向相反.導線方向與磁力儀芯片的X軸方向平行,與Y軸、Z軸方向垂直,通電電流由0.0A變化到1.0A,當電流較小時以0.05A為一刻度,當電流較大時以0.10A為一刻度,如下為實際測試情況:

圖3所示的上半部分為通電導線(雙絞線)電流與傳感器內部磁力儀芯片的電磁感應影響對比圖,包括X軸、Y軸、Z軸和合成總場對比曲線,由上圖可知:

(1)通電電流對磁力儀的X軸、Y軸和Z軸讀數幾乎無影響;

(2)通電電流對磁力儀合成總場讀數幾乎無影響,磁力儀讀數不隨通電電流的變化而變化,電流產生的磁場由于雙絞線的原因而相互抵消.

圖3 通電導線電流(雙絞線)與磁力儀芯片各軸、航向角誤差對比圖

圖3所示的下半部分為通電導線(雙絞線)電流與傳感器航向角誤差對比曲線圖,由圖3可知:

(1)隨著通電導線電流的增大,傳感器航向角的讀數基本不受影響,讀數在-0.53°到+0.12°之間波動,屬于航向角本身的解算誤差;

(2)對于采用雙絞線而言,為了保證航向角影響誤差小于1°范圍,通過導線的電流不受限制,這在實際使用中實現較容易.

5 結論

基于電磁感應對航向傳感器航向角精度的影響分析可知:

(1)當經過航向傳感器上方的通電導線為單股線時,導線電流的大小會直接對航向角產生干擾,電流越大,干擾越大,為了保證干擾影響小于1°范圍,導線電流大小不能超過0.08A,在實際使用時實現較困難;

(2)當經過航向傳感器上方的通電導線為雙絞線時,導線電流的大小不會對航向角產生干擾,兩路導線電流產生的磁場大小相等、方向相反,從而相互抵消,對航向角不產生干擾,導線電流的大小不受限制,

(3)通過上述試驗分析可知,雙絞線的性能和使用限制要遠遠優于單股導線,實際使用時應優先考慮.

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趙瑜(1986-),男,工程師,研究方向:航向傳感器開發.