傾角傳感器時漂的機(jī)理分析與補(bǔ)償方法的研究

袁鑫全 高國偉 胡平 潘宏生

1.北京信息科技大學(xué) 信息獲取與檢測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2.北京國科艦航傳感技術(shù)有限公司，北京 100101

一、引言

傾角傳感器是測量角度的高精密傳感器[1]，在工業(yè)、軍事、航空等各個領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用，其具有測量穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速的特點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、科技水平的提高，對傾角傳感器的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度的要求也在提高，時間漂移成為了影響傳感器測量性能的重要因素。

本文主要以一種基于石英撓性加速度計(jì)的傾角傳感器SNJ-Ⅱ?yàn)檠芯繉ο螅渚葹?′，取其測量范圍為 0°～60°，在長時間的工作中，設(shè)備的某些參數(shù)可能發(fā)生變化。時間漂移的產(chǎn)生主要來自產(chǎn)品結(jié)構(gòu)內(nèi)部的影響，隨著時間的推移，漂移會逐漸變大，直接影響測量性能，必須加以抑制。

本文在介紹傾角傳感器的工作原理上，分析了時間漂移產(chǎn)生的原因，給出了時間漂移的補(bǔ)償方法。

二、傾角傳感器的工作原理

本文所研究的傾角傳感器是通過撓性加速度計(jì)作為敏感元件進(jìn)行角度測量，然后通過高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5532來實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，以高性能的ATmega128單片機(jī)為MCU控制器，通過SPI接口實(shí)現(xiàn)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的通信，使用ADM2582E實(shí)現(xiàn)硬件通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。其中敏感元件石英撓性加速度計(jì)是核心部分。石英撓性加速度計(jì)是一種閉環(huán)式的擺式加速度計(jì)[2]，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

石英撓性加速度計(jì)的工作原理：當(dāng)敏感載體（加速度計(jì)撓性擺桿和力矩線圈）在敏感方向上受到的加速度發(fā)生變化時，其受力也就隨之發(fā)生改變，從而打破了敏感載體與力矩線圈構(gòu)成的力矩平衡，使得撓性擺桿發(fā)生偏移，這時差動電容的中心極板發(fā)生位移，導(dǎo)致電容容值也會發(fā)生變化，當(dāng)其變化量超過差動電容“容量-電壓”轉(zhuǎn)換器的最小分辨率后，轉(zhuǎn)換的電壓也會隨著變化，這樣變化量通過放大器進(jìn)行放大對力矩線圈進(jìn)行驅(qū)動，通過更改力矩線圈的電流大小，使得力矩線圈產(chǎn)的力矩發(fā)生改變，從而使敏感載體與力矩線圈構(gòu)成的力矩重新進(jìn)入平衡狀態(tài)，而采樣電阻采到的是力矩線圈中的電流，這樣就建立了采樣電阻兩端電壓與加速度之間的關(guān)系。又由于傾角和加速度存在確定關(guān)系，從而就可以獲得傾角和輸出之間的關(guān)系。

加速度計(jì)中敏感載體受力如圖2所示，則有如下公式：

差動電容“容量-電壓”轉(zhuǎn)換器輸出電壓：

差動電容容量：

根據(jù)公式（1）～（8）可得傾角傳感器的基本數(shù)學(xué)模型：

其中，U—加速度計(jì)輸出電壓；

R—采樣電阻；

m—敏感載體（加速度計(jì)的撓性擺桿和力矩線圈）質(zhì)量；

g—測量時重力加速度；

l1—敏感載體重心距離撓性固定點(diǎn)距離；

l2—力矩線圈施力點(diǎn)距離撓性固定點(diǎn)距離；

B—磁鋼產(chǎn)生的穩(wěn)定磁場強(qiáng)度；

L—在磁場中線圈等效長度；

θ—測量角度；

Kc—差動電壓“容量-電壓”轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換比例系數(shù)（單位：V/F）；

Kp—放大器放大倍數(shù)（單位：A/V）。

三、時間漂移的機(jī)理分析

1、電子元器件的漂移

從公式（1）～（8）可以看出，電子元器件（如電容、電阻、運(yùn)算放大器）的數(shù)值變化會對傾角傳感器產(chǎn)生影響。隨著時間的推移，這些元器件的數(shù)值會發(fā)生一定的變化，這就導(dǎo)致傳感器的參數(shù)發(fā)生變化。但是，我們可以選擇一些輸出噪聲低、穩(wěn)定性好一點(diǎn)的元器件，這樣可以很好的降低這些元器件對傾角傳感器的影響。我們所研究的傾角傳感器中的放大器輸入端的電壓差變化很小，所以元器件對傾角傳感器的影響很小，可以忽略。

2、重力加速度的影響

由公式（9）可以看出重力加速度g對基于石英撓性加速度計(jì)的傾角傳感器的精度有影響。當(dāng)g發(fā)生變化時，傾角傳感器就會隨之產(chǎn)生測量誤差。重力加速度的變化主要是由于地理位置變化產(chǎn)生影響，不同緯度的重力加速度g值是不同的[3]，如下：

其中，α—緯度值。

由上式可以得出，赤道的重力加速度為9.78m/s2，南北兩極的重力加速度為9.83m/s2，重力加速度變化量在平均海平面南北方向上約為0.0005m/s2。

由公式（9）推導(dǎo)出重力加速度變化時，角度的關(guān)系式為：

其中，θ0—按預(yù)設(shè)的重力加速值計(jì)算的角度值；

θ1—實(shí)際的角度值；

g0—預(yù)設(shè)的重力加速值；

g1—實(shí)際加速度值。

由公式（11）可以看出，g1加速度值不等于g0時，角度值也不相等，產(chǎn)生了測量誤差。

3、磁鋼的影響

由公式（9）可以明顯得出，磁鋼產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度B的變化會直接影響測量角度的精確度。研究表明，隨著時間的變化，磁鋼的內(nèi)部應(yīng)力會發(fā)生變化，隨之其磁場強(qiáng)度B會逐漸變?nèi)酰@說明磁鋼具有時間穩(wěn)定性，也就是說磁鋼由于自身結(jié)構(gòu)材料的原因，隨著時間的變化會發(fā)生磁性變化現(xiàn)象。據(jù)研究，未經(jīng)熱穩(wěn)定處理的磁鋼，其磁感應(yīng)強(qiáng)度每年約變化5%[4]。研究發(fā)現(xiàn)，除了自身材質(zhì)組成結(jié)構(gòu)影響外，外部因素也能引起磁鋼退磁的現(xiàn)象。如溫度、外磁場、機(jī)械作用、流質(zhì)等很多原因可以導(dǎo)致磁鋼退磁現(xiàn)象的發(fā)生。

當(dāng)外部有交流磁場作用，磁鋼會產(chǎn)生退磁現(xiàn)象，磁鋼的退磁使磁感應(yīng)強(qiáng)度減小到一定值，這會使得測量的角度產(chǎn)生誤差。受到外部機(jī)械沖擊時，磁鋼的自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化，影響其磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，直接影響傾角傳感器的測量值。如果磁鋼接觸到腐蝕性的物質(zhì)會使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這也會直接導(dǎo)致傳感器測量的角度產(chǎn)生誤差。

四、補(bǔ)償方法的研究

1、重力加速度的補(bǔ)償方法

由上述傾角傳感器的數(shù)學(xué)模型式（9）可以得出，重力加速度減少0.0005m/s2時，傾角傳感器測量的角度值變化范圍約為0.005°～0.05°。可見重力加速度的微弱變化對本文所研究的傾角傳感器的角度測量影響不大，可以忽略。但當(dāng)標(biāo)定傾角傳感器的地點(diǎn)與測量地點(diǎn)重力加速度差值偏大（如赤道的重力加速度與南北極的重力加速度相差0.05m/s2）時，這對傾角傳感器的測量結(jié)果影響很大，測量誤差大大超出了其測量精度，必須進(jìn)行補(bǔ)償。

方法一，通過通信控制器直接校正單片機(jī)中加速度計(jì)存儲的g值；

方法二，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中增加高精度的緯度測量裝置，將測量值傳輸給單片機(jī)，通過公式（10）計(jì)算出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?，?shí)現(xiàn)傳感器的自動校準(zhǔn)。

2、磁鋼的磁性補(bǔ)償

由于磁鋼的穩(wěn)定性受很多因素的制約，對磁鋼的磁性能進(jìn)行補(bǔ)償，有利于基于撓性加速度計(jì)的傾角傳感器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。改善磁鋼的方法有熱穩(wěn)定處理、溫度循環(huán)處理、抗沖擊振動處理等。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表（單位：°）

（1）熱穩(wěn)定處理

使磁鋼在高于常溫的某一溫度環(huán)境下保持適當(dāng)長的時間，這樣可以加速其自然老化的過程。這也是所謂的人工時效處理或熱退磁處理[5]，即以短時間的熱時效來完成長時間的常溫時效。將磁鋼置于恒溫電熱溫箱內(nèi)，設(shè)定溫度為80℃，保溫3h后取出，置于室內(nèi)自然老化30min，然后重復(fù)上述過程3次。

（2）溫度循環(huán)處理

磁鋼的工作環(huán)境溫度不同，影響其磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化。在使用磁鋼之前，通過溫度循環(huán)處理對其進(jìn)行穩(wěn)定化退磁。將磁鋼置于如圖3所示的恒溫箱中，調(diào)節(jié)恒溫箱的溫度，高溫設(shè)定為60℃，低溫設(shè)定為40℃，然后對其進(jìn)行高低溫循環(huán)5次，溫度各保持2h。其中循環(huán)次數(shù)依據(jù)磁鋼材料的不同自行調(diào)節(jié)。高低溫的設(shè)定要求比磁鋼的工作溫度范圍大。

（3）預(yù)振動處理

將磁鋼放置于圖4所示的振動臺上，進(jìn)行振動試驗(yàn)。通過多次振動試驗(yàn)，磁鋼內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)快速穩(wěn)定，增強(qiáng)磁鋼在使用中的抗振動能力。在產(chǎn)品制作完成后，對產(chǎn)品進(jìn)行整體灌膠處理，通過真空干燥箱使膠體快速、均勻流動，確保排干產(chǎn)品內(nèi)部空氣，這不僅可以增強(qiáng)磁鋼的抗振動能力還能夠預(yù)防腐蝕。

五、系統(tǒng)測試

根據(jù)上述方法，對傾角傳感器SNJ-Ⅱ型進(jìn)行試驗(yàn)，將傳感器置于溫度設(shè)定為20℃的恒溫箱中測量，首先將在北京標(biāo)定的傳感器在當(dāng)?shù)販y量，再將其在武漢測量，最后將傳感器在武漢標(biāo)定并在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行測量，測量數(shù)據(jù)如表1，角度測量誤差對比如圖6?？梢钥闯?，校準(zhǔn)重力加速度后，傾角傳感器的誤差小于校準(zhǔn)前的誤差。

六、結(jié)束語

傾角傳感器是測量傾角的一種高精密傳感器，是科研、工業(yè)生產(chǎn)不可缺少的裝置之一，其性能的提高，具有重要的科學(xué)和社會價值。而時間漂移是制約傾角傳感器的準(zhǔn)確度的重要因素，降低漂移對傾角傳感器的影響是設(shè)計(jì)產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本文系統(tǒng)地分析了傾角傳感器時間漂移產(chǎn)生的原因，尤其對重力加速度和磁鋼的磁感應(yīng)強(qiáng)度這兩個影響因素作了較全面地分析，提出了比較完善的補(bǔ)償漂移的方法。依據(jù)本文的研究方法，對基于撓性加速度計(jì)的傾角傳感器SNJ-Ⅱ型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測量誤差減小，取得了較滿意的結(jié)果。