傾角傳感器穩(wěn)定性測(cè)試與分析

陳燕飛 吳俊嫻 司俊超

1. 空裝駐北京地區(qū)第一軍事代表室，北京 100854；2. 北京國(guó)科艦航傳感技術(shù)有限公司，北京 100101

0 引言

角度作為一個(gè)十分重要的物理量，在軍事、工業(yè)等方面占據(jù)著十分重要的位置。傾角傳感器作為一種測(cè)量角度的儀器，被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈發(fā)射導(dǎo)軌起豎角度測(cè)量以及工程設(shè)備姿態(tài)的測(cè)量。

在實(shí)際應(yīng)用中，傾角傳感器的測(cè)量重點(diǎn)是穩(wěn)定測(cè)量，因此，提高傾角傳感器測(cè)量的穩(wěn)定性就成為了重中之重。傳感器工作環(huán)境溫度變化較大[1]，由于外界溫度對(duì)傳感器穩(wěn)定性影響較大，因此，本文重點(diǎn)就兩款傾角傳感器野外環(huán)境下工作穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)和對(duì)比分析。

試驗(yàn)過(guò)程中，選取使用相同加速度計(jì)的兩款傾角傳感器處于同一野外環(huán)境中，對(duì)其進(jìn)行啟動(dòng)特性、靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)跟隨性測(cè)試，收集兩款傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行對(duì)比。

1 傳感器結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定特性

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)

本文選用的兩款傾角傳感器結(jié)構(gòu)相同，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。傾角傳感器以微控制單元為核心，由測(cè)量模塊、電源模塊、通信模塊等組成。測(cè)量模塊由石英撓性加速度計(jì)作為敏感源，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換，將采集完成的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI上傳至微控制單元。微控制單元將通過(guò)利用最小二乘法[2-3]和分段線性化結(jié)合獲取到的溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)補(bǔ)償至測(cè)量數(shù)據(jù)[4]，通過(guò)隔離通信模塊傳輸至上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了設(shè)備現(xiàn)行姿態(tài)的獲取。

在這兩款傾角傳感器中，傾角測(cè)量模塊使用的是石英撓性加速度計(jì)，該加速度計(jì)具有體積小、精度高、適用溫度范圍大等優(yōu)點(diǎn)。傳感器使用的電源模塊和通信模塊都進(jìn)行了隔離處理，從而使得傾角傳感器具有更好的抗擾性。通信模塊與上位機(jī)之間使用RS422接口，該接口具有通信速度快、通信距離遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5]。

1.2 傳感器穩(wěn)定特性

傾角傳感器隨待測(cè)裝置放置在野外，不工作的時(shí)候，傳感器內(nèi)部溫度與外部環(huán)境溫度相近；當(dāng)傳感器通電啟動(dòng)后，傳感器內(nèi)部元器件開(kāi)始工作，元器件產(chǎn)生熱量，傾角傳感器的敏感元器件的精度受溫度影響。在傳感器內(nèi)部與外界環(huán)境進(jìn)行熱量交換，使溫度達(dá)到平衡的過(guò)程中，傳感器內(nèi)部溫度在不斷變化，其輸出的角度數(shù)據(jù)是不穩(wěn)定的，而不同傳感器由于設(shè)計(jì)、器件選型、制作工藝等方面的原因，使得傳感器達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間不同。

傾角傳感器隨待測(cè)裝置在野外環(huán)境下工作過(guò)程中，外界環(huán)境溫度產(chǎn)生劇烈變化時(shí)，在傳感器與外界環(huán)境之間同樣存在著熱量交換、溫度變化的過(guò)程，傳感器會(huì)從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換至另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，雖然這兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)所測(cè)得的角度數(shù)據(jù)相同。但在穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，傾角傳感器輸出數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，根據(jù)輸出數(shù)據(jù)波幅值的大小可以判斷該款傾角傳感器的靜態(tài)穩(wěn)定性。

2 傳感器穩(wěn)定性測(cè)試

在傾角傳感器穩(wěn)定性測(cè)試中，根據(jù)傾角傳感器在安裝設(shè)備上面的使用情況，本文重點(diǎn)對(duì)傾角傳感器的啟動(dòng)特性、動(dòng)態(tài)跟隨性和靜態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。本文選取測(cè)試的兩款傾角傳感器測(cè)量精度是0.016°，測(cè)試設(shè)備的傾斜角度是60°，未啟動(dòng)之前，傾角傳感器處于水平狀態(tài)。在測(cè)試過(guò)程中將所選取的兩款傾角傳感器命名為傳感器A和傳感器B。

2.1 測(cè)試目的

經(jīng)過(guò)一系列測(cè)試，獲取到傾角傳感器啟動(dòng)、動(dòng)態(tài)跟隨和穩(wěn)態(tài)特性數(shù)據(jù)，以便于形成圖表進(jìn)行分析。

2.2 測(cè)試設(shè)備

本文中所選取的兩款傾角傳感器是成品，測(cè)試中將其應(yīng)用到待測(cè)機(jī)械設(shè)備作為測(cè)試設(shè)備。

2.3 測(cè)試環(huán)境

由于兩款傳感器獲取到的測(cè)試數(shù)據(jù)要進(jìn)行對(duì)比，所以將兩款傳感器的測(cè)試環(huán)境在同一時(shí)間置于相同地點(diǎn)，即將測(cè)試設(shè)備放置于設(shè)備的使用地點(diǎn)。

2.4 測(cè)試平臺(tái)

測(cè)試主要是在兩臺(tái)起豎設(shè)備上進(jìn)行。在測(cè)試過(guò)程中，首先，將選取的兩款傾角傳感器安裝于測(cè)試設(shè)備的安裝位置，按照傳感器使用說(shuō)明進(jìn)行安裝；之后，對(duì)待測(cè)試的傾角傳感器進(jìn)行通電和通信檢查，保證兩個(gè)傳感器能夠正常工作；最后，按照測(cè)試步驟進(jìn)行測(cè)試，對(duì)傳感器測(cè)試過(guò)程中輸出數(shù)據(jù)全程記錄。

2.5 測(cè)試內(nèi)容

本文主要測(cè)試兩款傾角傳感器的啟動(dòng)特性、動(dòng)態(tài)跟隨性和穩(wěn)態(tài)特性，也就是測(cè)試設(shè)備的正常使用過(guò)程。由于測(cè)試的是傳感器在測(cè)試設(shè)備上面使用的整個(gè)過(guò)程，因此，測(cè)試將分為3個(gè)階段且進(jìn)行多次測(cè)試。

2.6 測(cè)試步驟

整個(gè)測(cè)試過(guò)程相對(duì)較簡(jiǎn)單，測(cè)試步驟流程如圖2所示。

2.7 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

由于傾角傳感器測(cè)試是在野外環(huán)境中，因此要考慮環(huán)境的溫度變化。本文將野外環(huán)境溫度變化曲線模擬為正弦曲線，如公式（1）：

式中，t——時(shí)間，該值是測(cè)試時(shí)間點(diǎn)；

k——一天的最高溫度和最低溫度的差值，該值在本文中取值為24 ℃；

T——時(shí)間周期，在文中取值為24 h。

測(cè)試是在白天進(jìn)行，溫度變化速率較快，因此對(duì)f(t)進(jìn)行求導(dǎo)。將測(cè)試中獲取到的值代入求導(dǎo)式中，可得到溫度最快的變化速率，即0.1 ℃/min。

2.7.1 啟動(dòng)特性測(cè)試

將安裝好傾角傳感器的設(shè)備置于測(cè)試場(chǎng)地，傳感器測(cè)量部位置于水平狀態(tài)，此時(shí)傳感器處于斷電操作。兩小時(shí)后進(jìn)行傳感器上電操作，記錄上電后1小時(shí)之內(nèi)的數(shù)據(jù)，傾角傳感器A數(shù)據(jù)曲線如圖3所示，傾角傳感器B數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。

從圖3中可以看出：傾角傳感器A在上電1分鐘內(nèi)角度測(cè)量值為0.002°；上電1分鐘至5分鐘測(cè)量值在0.001°～0.002°之間上下浮動(dòng)且變化頻率較快，測(cè)量誤差值為0.001°；上電5分鐘至14分鐘測(cè)量值在0.001°～0.002°之間上下浮動(dòng)，而此時(shí)波動(dòng)頻率較低，測(cè)量誤差值為0.001°；上電14分鐘之后測(cè)量值穩(wěn)定。由上述可知，測(cè)試選取傾角傳感器在上電啟動(dòng)1分鐘后逐步穩(wěn)定。

圖4中可以看出：傾角傳感器B在上電啟動(dòng)15分鐘后角度測(cè)量值為-0.048°，輸出測(cè)量值達(dá)到穩(wěn)定，測(cè)量誤差值為0.001°；上電啟動(dòng)4分鐘至15分鐘之間測(cè)量值為-0.048°，測(cè)量誤差值為0.002°；上電啟動(dòng)1分30秒至4分鐘之間測(cè)量值為-0.049°，測(cè)量誤差值為0.001°；上電啟動(dòng)1分30秒內(nèi)測(cè)量值為-0.048°；上電啟動(dòng)1分30秒至15分鐘之間測(cè)量誤差值為0.002°，之后達(dá)到穩(wěn)定。

圖3和圖4比較可以得出：在上電啟動(dòng)時(shí)，傾角傳感器A比傾角傳感器B更快地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；在達(dá)到穩(wěn)定后一段時(shí)間內(nèi)，傾角傳感器A比傾角傳感器B的測(cè)量誤差要小。

2.7.2 動(dòng)態(tài)特性測(cè)試

傾角傳感器上電啟動(dòng)，待輸出測(cè)量值穩(wěn)定后，起豎傾角傳感器安裝部位。獲取到傾角傳感器起豎時(shí)的輸出數(shù)據(jù)，將獲取到的傳感器輸出測(cè)量值數(shù)據(jù)生成曲線。另外，從傳感器安裝設(shè)備中獲取到設(shè)備起豎時(shí)的參數(shù)，生成起豎設(shè)備動(dòng)作曲線。將兩條曲線作差即可得到傳感器測(cè)量值的滯后角度數(shù)據(jù)，傾角傳感器A滯后曲線如圖5所示，傾角傳感器B滯后曲線如圖6所示。

圖5中可以看到：設(shè)備在35 s前處于水平狀態(tài)，在35 ～43 s之間進(jìn)行起豎動(dòng)作，在43 s之后傳感器再次進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。在35 s處，設(shè)備從靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)閯?dòng)態(tài)，滯后曲線向下凸起，傳感器測(cè)量值緊隨設(shè)備而動(dòng)，動(dòng)態(tài)跟隨性較好。之后，傳感器滯后性逐步加大，在41 ～42 s之間滯后達(dá)到最大值4.5°。最后，角度滯后值變小，逐漸為零。

圖6中可以看到：傾角傳感器B的起豎過(guò)程與傳感器A相同，而在35 s處設(shè)備起豎時(shí)，傳感器測(cè)量值并沒(méi)有緊隨傳感器而動(dòng)，在設(shè)備起豎一定角度之后，傳感器測(cè)量值才會(huì)改變輸出，在41～42 s之間，滯后達(dá)到最大值3°。最后，角度滯后值變小，逐漸為零。

圖5和圖6比較可以得出：傳感器A比傳感器B的動(dòng)態(tài)跟隨性好，而在傳感器與設(shè)備的滯后達(dá)到一定程度時(shí)，傳感器B會(huì)使用新的數(shù)據(jù)處理方法，從而使得傳感器B的跟隨性變好。

2.7.3 穩(wěn)態(tài)特性測(cè)試

在設(shè)備從水平狀態(tài)起豎至60°后，等待傾角傳感器輸出測(cè)量數(shù)據(jù)至穩(wěn)定，持續(xù)監(jiān)測(cè)和收集傳感器輸出數(shù)據(jù)，5～6小時(shí)后結(jié)束測(cè)試，處理傳感器穩(wěn)態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)生成曲線，傾角傳感器A穩(wěn)態(tài)曲線如圖7所示，傾角傳感器B穩(wěn)態(tài)曲線如圖8所示。

圖7可以得到：傳感器A在開(kāi)始的1小時(shí)30分內(nèi)輸出測(cè)量值較為穩(wěn)定。在1小時(shí)30分后測(cè)量值開(kāi)始向大處偏移，在2小時(shí)20分處達(dá)到最大值，之后偏移量變小。在4小時(shí)處再次回到初始時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)。傳感器A在溫度變化較為劇烈時(shí)測(cè)量值最大偏移量為0.007°。

圖8可以得到：傳感器B在開(kāi)始的1小時(shí)40分內(nèi)輸出測(cè)量值較為穩(wěn)定。在1小時(shí)40分后測(cè)量值開(kāi)始向小處偏移，在2小時(shí)30分處達(dá)到最大值，之后偏移值變小。在4小時(shí)處再次回到初始時(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)。傳感器B在溫度變化較為劇烈時(shí)測(cè)量值最大偏移量為0.005°。

圖7和圖8比較可以得出：在相同的溫度變化速率下，傾角傳感器A比傾角傳感器B測(cè)量值偏移量較大，傾角傳感器A測(cè)量誤差值比傾角傳感器B測(cè)量誤差值大0.001°。由此可知，傾角傳感器B的穩(wěn)態(tài)特性比傾角傳感器A的穩(wěn)態(tài)特性要好。

3 結(jié)論

本文就傾角傳感器的啟動(dòng)特性、動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析得出，傾角傳感器A的啟動(dòng)特性和跟隨特性較好；傾角傳感器B的動(dòng)態(tài)跟隨時(shí)滯后較小，穩(wěn)態(tài)時(shí)、溫度劇烈變化時(shí)角度的偏移較小。本文提出的穩(wěn)定性測(cè)試分析方法為設(shè)備選取適合其使用環(huán)境的傾角傳感器具有實(shí)際意義。