通常检测物体水平姿态和加速度的传感器,都是利用气体、固体和液体在地球重力场中的摆特性,它们都存在共同的问题,只有当待测物体无加速度干扰时才可以进行精确测量,在动态条件下这些传感器由于外界加速度的干扰会引起极大的测量误差。通过结构设计和信号处理技术,动态气流式倾角传感器能够实现抑制动态情况下加速度对倾角输出信号的干扰,使动态情况下的倾角测量达到很高的精度。由于气体摆的检测物质是气体,质量极小,故这种传感器能承受强振动、高冲击,并有响应时间短、成本低等优点,这是其他同类产品不可相媲美的。这里笔者着重研究气流式倾角传感器的抗加速度干扰理论模型和程序设计,由于设计出的倾斜仪可以抑制外界加速度干扰,故实现了倾斜仪的动态高精度测量,目前已经取得了很好的实验效果。

　　1密闭腔中自然对流气体的摆现象

　　在如图1 a所示的密闭腔中设置一热源,从而使密闭腔中接近热源的气体由于温度高而密度小,形成向上流动的气流。远离热源的气体由于温度低而密度大,形成向下流动的气流。这样,在密闭腔中形成垂直向上的自然对流气体。经研究发现,密闭腔倾斜一个角度θ时,自然对流气体仍保持在原来垂直向上的方向,如图1 b所示。图1所示密闭腔中自然对流气种现象,和如图2, 3所示固体、液体的摆特性类似。由图1, 2和3的类比说明,自然对流气体有摆的特性[1]。

　　2动态气流式倾角传感器的结构原理

　　动态气流式倾角传感器由气流式角速度敏感元件和气流式倾角敏感元件组合而成。

　　2.1气流式角速度敏感元件的结构原理

　　气流式角速度敏感元件是利用受哥氏力作用时循环气流偏离运动轨迹来实现角速度的测量。循环气流是由压电泵激励而产生的一种速度为V的气体层流束[2]。如图4所示,当输入角速度为ωi时,在哥氏力作用下射流束偏离中心位置,作用到热电阻丝r1(或r2)上。热电阻丝因受射流冷却而发生电阻变化,使电桥失去平衡,输出正比于角速度的电信号V0。气流偏离的量值和方向决定于外加的角速度矢量。

　　2.2气流式倾角敏感元件的结构原理

　　气流式倾角敏感元件是利用自然对流气体在浮升力作用下的摆特性(如图1所示),通过密闭腔中设置的热敏电阻(热电阻丝) r1和r2检测水平姿态[3]。图5示出气流式倾角敏感元件的结构示意图。两个热电阻丝r1和r2构成惠斯登电桥的可变臂。通电时,热电阻丝加热周围的气体,从而产生如图1 a所示的自然对流。r1和r2在对流场中是对称的,两个热电阻丝感受的温度相同,故两个热电阻丝的电阻值相等,电桥电路的输出为零。当腔体倾斜一定角度时,对流场变形,受热气流影响, r1和r2的温度不同,它们相应的电阻值彼此不等。因此,电桥输出一个对应于角度的电压信号。

　　3信号获取电路

　　动态气流式倾角传感器检测电路技术包括敏感电路、单片机补偿和输出电路。敏感电路主要由两个热电阻丝和固定电阻构成惠斯登电桥,电桥的两个输出端直接进入单片机,在单片机内部进行A/D采样和差分放大。单片机补偿电路对采样信号进行零位-温度补偿、灵敏度-温度补偿和非线性补偿后,再由D/A转换并将信号输出。动态气流式倾角传感器的信号处理电路框图见图6。

　　4抗加速度干扰理论模型

　　由于载体倾斜角度的变化必然引起载体有角速度输出,而角速度积分后的结果正是载体倾斜角度的变化量,这样把每个倾斜过程看成是一次角速度的积分,就可以利用角速度传感器来敏感倾斜角度的变化,并且由于角速度传感器的敏感机理使其基本不受外界加速度干扰(角振动以及线性加速度),我们可以利用这一过程抑制外界加速度干扰。

　　设传感器以模拟电压的形式输出,倾角和角速度的输出分别为

　　5单片机实现抗加速度干扰

　　单片机采用TI公司的MSC1214Y3,是功能集成度极高的混合讯号组件,包含8051微控制器和闪存的高精准度ADC和DAC,内建高分辨率Δ-Σ模拟数字转换器、两组16位数字模拟转换器、8信道多任务器、烧断侦测(burn-out detect)电流源、可选择的缓冲式输入、offsetDAC、可程序增益放大器、温度传感器、电压参考、8位微控制器以及由闪存组成的程序和数据存储器。

　　抗加速度干扰程序流程如图7所示。

　　图中ω代表角速度零位域值,由于单片机采样不稳定,漂移在几毫伏左右,所以不能以一个定值来判定载体是否有角速度输出。ω的值非常小,这样在载体由静到动或者相反的过程中不会出现丢失积分过程的现象。并且由于ω非常小,所以倾斜仪动态时的输出基本上会以经角速度传感器积分出来的信号为主,提高了整个系统抗加速度干扰能力。

　　图中a代表线加速度信号。这个加速度信号是靠软件模拟得到的,具体过程是在主循环开始以及判断完有无角速度后两次采样倾斜仪,如果在没有角速度输出的情况下,两次采样值相差超出一定范围,即认为倾斜仪受到加速度干扰,此时放弃倾斜仪输出。这样靠软件即可实现抑制线加速度干扰。

　　由程序流程可以看出,当载体没有角速度输出,同时没有线加速度信号的情况下,角速度积分信号即跟随倾斜仪输出。因为倾斜仪在这种静态情况下的输出精确度非常高,所以可以利用倾斜仪来实时校准积分信号,以消除角速度积分带来的累计误差。

　　6抗加速度干扰效果测试

　　利用MSC1214Y3自带的D/A转换器将倾斜仪和角速度积分出的信号转换成模拟信号,输入示波器进行比较。

　　6.1角振动

　　角振动实验主要模拟坦克在山地行驶时由于路面崎岖导致左右摇摆的情况,将系统支撑30°,迅速撤开支撑,用示波器观察两路波形。如图8所示,其中倾斜仪输出明显有过冲干扰信号,而角速度积分信号则基本消除了振动干扰,此时传感器抗干扰能力大于90%。

　　6.2简单扰动

　　将整个系统水平放置在实验台上,用小锤沿倾斜仪敏感方向迅速敲击,使得系统在敏感方向上获得瞬时的扰动加速度,用示波器观察两路波形。如图9所示,其中倾斜仪输出受扰动加速度影响比较明显,而经过软件滤波后的信号基本消除了扰动加速度干扰,此时传感器抗加速度干扰能力大于90%。

　　7结论

　　①利用密闭腔中热气流的“摆”特性,将气流式角速度敏感元件和倾角敏感元件构成动态气流式倾角传感器,建立了抗加速度干扰数学模型,根据数学模型设计了抗加速度干扰程序。

　　②该传感器不仅能够精确测量静态倾角,而且能够抗动态情况下加速度干扰,克服了传统倾角传感器只能在静态环境下工作的缺点,同时还能输出角速度信号。

　　③该传感器使用了气流式惯性器件,它不仅具击,强振动等其他类型姿态传感器不能媲美的优点。

　　④由于陀螺积分信号存在一定的误差,笔者下一步打算在消除累积误差,提高陀螺积分信号精度方面开展工作,即提高传感器的动态特性,并计划在离心机以及摇摆台上进行模拟实验,从而验证传感器在各种条件下抑制加速度干扰的功能。

　　参考文献:

　　[1]张福学.密闭腔内气流的摆特性[J].电子学报, 1999, 27(11): 141-142

　　[2]陈占先,张福学,李兴教.抑制外部加速度干扰的新型压电射流倾角传感器[J].压电与声光,1995, 17(1): 30-32

　　[3]朴林华,张　伟,张金铎,等.加速度对气体摆式倾角传感器影响机理的探讨[J].传感器技术,2004, 23(7): 4-6

　　作者简介:江世宇(1983- ),男,吉林长春人,北京信息科技大学传感器实验中心硕士研究生,主要从事传感器信号处理方面的研究。

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