傾角傳感器穩(wěn)定性測試與分析

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. 北京國科艦航傳感技術有限公司，北京 100101

0 引言

角度作為一個十分重要的物理量，在軍事、工業(yè)等方面占據著十分重要的位置。傾角傳感器作為一種測量角度的儀器，被廣泛應用于導彈發(fā)射導軌起豎角度測量以及工程設備姿態(tài)的測量。

在實際應用中，傾角傳感器的測量重點是穩(wěn)定測量，因此，提高傾角傳感器測量的穩(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]，由于外界溫度對傳感器穩(wěn)定性影響較大，因此，本文重點就兩款傾角傳感器野外環(huán)境下工作穩(wěn)定性進行試驗和對比分析。

試驗過程中，選取使用相同加速度計的兩款傾角傳感器處于同一野外環(huán)境中，對其進行啟動特性、靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)跟隨性測試，收集兩款傳感器實驗數(shù)據并進行對比。

1 傳感器結構及穩(wěn)定特性

1.1 傳感器結構

本文選用的兩款傾角傳感器結構相同，系統(tǒng)整體結構框圖如圖1所示。傾角傳感器以微控制單元為核心，由測量模塊、電源模塊、通信模塊等組成。測量模塊由石英撓性加速度計作為敏感源，經過AD轉換，將采集完成的數(shù)據通過SPI上傳至微控制單元。微控制單元將通過利用最小二乘法[2-3]和分段線性化結合獲取到的溫度補償數(shù)據補償至測量數(shù)據[4]，通過隔離通信模塊傳輸至上位機，從而實現(xiàn)了設備現(xiàn)行姿態(tài)的獲取。

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

1.2 傳感器穩(wěn)定特性

傾角傳感器隨待測裝置放置在野外，不工作的時候，傳感器內部溫度與外部環(huán)境溫度相近；當傳感器通電啟動后，傳感器內部元器件開始工作，元器件產生熱量，傾角傳感器的敏感元器件的精度受溫度影響。在傳感器內部與外界環(huán)境進行熱量交換，使溫度達到平衡的過程中，傳感器內部溫度在不斷變化，其輸出的角度數(shù)據是不穩(wěn)定的，而不同傳感器由于設計、器件選型、制作工藝等方面的原因，使得傳感器達到穩(wěn)定的時間不同。

傾角傳感器隨待測裝置在野外環(huán)境下工作過程中，外界環(huán)境溫度產生劇烈變化時，在傳感器與外界環(huán)境之間同樣存在著熱量交換、溫度變化的過程，傳感器會從一個穩(wěn)定狀態(tài)轉換至另一個穩(wěn)定狀態(tài)，雖然這兩個穩(wěn)定狀態(tài)所測得的角度數(shù)據相同。但在穩(wěn)定狀態(tài)轉換過程中，傾角傳感器輸出數(shù)據會出現(xiàn)波動，根據輸出數(shù)據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)定性測試

在傾角傳感器穩(wěn)定性測試中，根據傾角傳感器在安裝設備上面的使用情況，本文重點對傾角傳感器的啟動特性、動態(tài)跟隨性和靜態(tài)穩(wěn)定性進行測試。本文選取測試的兩款傾角傳感器測量精度是0.016°，測試設備的傾斜角度是60°，未啟動之前，傾角傳感器處于水平狀態(tài)。在測試過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 測試目的

經過一系列測試，獲取到傾角傳感器啟動、動態(tài)跟隨和穩(wěn)態(tài)特性數(shù)據，以便于形成圖表進行分析。

2.2 測試設備

本文中所選取的兩款傾角傳感器是成品，測試中將其應用到待測機械設備作為測試設備。

2.3 測試環(huán)境

由于兩款傳感器獲取到的測試數(shù)據要進行對比，所以將兩款傳感器的測試環(huán)境在同一時間置于相同地點，即將測試設備放置于設備的使用地點。

2.4 測試平臺

測試主要是在兩臺起豎設備上進行。在測試過程中，首先，將選取的兩款傾角傳感器安裝于測試設備的安裝位置，按照傳感器使用說明進行安裝；之后，對待測試的傾角傳感器進行通電和通信檢查，保證兩個傳感器能夠正常工作；最后，按照測試步驟進行測試，對傳感器測試過程中輸出數(shù)據全程記錄。

2.5 測試內容

本文主要測試兩款傾角傳感器的啟動特性、動態(tài)跟隨性和穩(wěn)態(tài)特性，也就是測試設備的正常使用過程。由于測試的是傳感器在測試設備上面使用的整個過程，因此，測試將分為3個階段且進行多次測試。

2.6 測試步驟

整個測試過程相對較簡單，測試步驟流程如圖2所示。

2.7 測試數(shù)據分析

由于傾角傳感器測試是在野外環(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——時間，該值是測試時間點；

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——時間周期，在文中取值為24 h。

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

2.7.1 啟動特性測試

將安裝好傾角傳感器的設備置于測試場地，傳感器測量部位置于水平狀態(tài)，此時傳感器處于斷電操作。兩小時后進行傳感器上電操作，記錄上電后1小時之內的數(shù)據，傾角傳感器A數(shù)據曲線如圖3所示，傾角傳感器B數(shù)據曲線如圖4所示。

從圖3中可以看出：傾角傳感器A在上電1分鐘內角度測量值為0.002°；上電1分鐘至5分鐘測量值在0.001°～0.002°之間上下浮動且變化頻率較快，測量誤差值為0.001°；上電5分鐘至14分鐘測量值在0.001°～0.002°之間上下浮動，而此時波動頻率較低，測量誤差值為0.001°；上電14分鐘之后測量值穩(wěn)定。由上述可知，測試選取傾角傳感器在上電啟動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15分鐘后角度測量值為-0.048°，輸出測量值達到穩(wěn)定，測量誤差值為0.001°；上電啟動4分鐘至15分鐘之間測量值為-0.048°，測量誤差值為0.002°；上電啟動1分30秒至4分鐘之間測量值為-0.049°，測量誤差值為0.001°；上電啟動1分30秒內測量值為-0.048°；上電啟動1分30秒至15分鐘之間測量誤差值為0.002°，之后達到穩(wěn)定。

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

2.7.2 動態(tài)特性測試

傾角傳感器上電啟動，待輸出測量值穩(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的輸出數(shù)據，將獲取到的傳感器輸出測量值數(shù)據生成曲線。另外，從傳感器安裝設備中獲取到設備起豎時的參數(shù)，生成起豎設備動作曲線。將兩條曲線作差即可得到傳感器測量值的滯后角度數(shù)據，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：設備在35 s前處于水平狀態(tài)，在35 ～43 s之間進行起豎動作，在43 s之后傳感器再次進入穩(wěn)定狀態(tài)。在35 s處，設備從靜止狀態(tài)變?yōu)閯討B(tài)，滯后曲線向下凸起，傳感器測量值緊隨設備而動，動態(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的起豎過程與傳感器A相同，而在35 s處設備起豎時，傳感器測量值并沒有緊隨傳感器而動，在設備起豎一定角度之后，傳感器測量值才會改變輸出，在41～42 s之間，滯后達到最大值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的動態(tài)跟隨性好，而在傳感器與設備的滯后達到一定程度時，傳感器B會使用新的數(shù)據處理方法，從而使得傳感器B的跟隨性變好。

2.7.3 穩(wěn)態(tài)特性測試

在設備從水平狀態(tài)起豎至60°后，等待傾角傳感器輸出測量數(shù)據至穩(wěn)定，持續(xù)監(jiān)測和收集傳感器輸出數(shù)據，5～6小時后結束測試，處理傳感器穩(wěn)態(tài)時的數(shù)據生成曲線，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在開始的1小時30分內輸出測量值較為穩(wěn)定。在1小時30分后測量值開始向大處偏移，在2小時20分處達到最大值，之后偏移量變小。在4小時處再次回到初始時的穩(wěn)定狀態(tài)。傳感器A在溫度變化較為劇烈時測量值最大偏移量為0.007°。

圖8可以得到：傳感器B在開始的1小時40分內輸出測量值較為穩(wěn)定。在1小時40分后測量值開始向小處偏移，在2小時30分處達到最大值，之后偏移值變小。在4小時處再次回到初始時的穩(wěn)定狀態(tài)。傳感器B在溫度變化較為劇烈時測量值最大偏移量為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測量值偏移量較大，傾角傳感器A測量誤差值比傾角傳感器B測量誤差值大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 結論

本文就傾角傳感器的啟動特性、動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性進行了測試，通過對測試數(shù)據對比分析得出，傾角傳感器A的啟動特性和跟隨特性較好；傾角傳感器B的動態(tài)跟隨時滯后較小，穩(wěn)態(tài)時、溫度劇烈變化時角度的偏移較小。本文提出的穩(wěn)定性測試分析方法為設備選取適合其使用環(huán)境的傾角傳感器具有實際意義。