傾斜傳感器在艦載天線控制中的應用

1.引 言

傳感器是能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，作為信息系統的關鍵基礎器件，近年來，已經受到國內外的廣泛關注。傾斜傳感器作為經典的傳感器之一，也正在被新材料、新原理、多功能、新結構所取代，與數字技術、通信技術的結合越來越密切，朝著集成化、智能化和微型化方向發展。

2.傾斜傳感器原理

為了測知被測物體與標準水平面的傾斜角度，常常用到一種電解質型傳感器。圖為一雙軸傳感器在輕微傾斜時單軸向示意圖，傳感器由密封圓筒構成，圓筒之間充滿整個容量一半左右的流體介質，電解質為呈粘滯性液體，圓筒中裝有電極，并且浸泡在電解液中，各電極分別有管腳引出。當傳感器傾斜時，液面因為重力保持水平，兩電極間傳導率與電極浸入液體的長度成正比。例如圖中所示的傾角下，電極a、b之間的傳導率大于電極b、c之間的傳導率?？梢?，在電特性上，傳感器類似于分壓計，阻抗的變化和傾斜的角度成正比，傳感器輸出信號隨傾斜角度變化的關系如圖二所示，注意當傾角大于20°時輸出信號變得非線性?？梢宰C明，傳感器可以測量的傾角范圍為電解液容量、電極間距和電極長度的函數。傳感器在某種程度上類似于鉛酸電池，電流能引起電解質的化學反應，最終結果使電解質失去導電性，所以為了防止電解反應的發生，傳感器的激勵必須為頻率足夠高的交變電流。對于某些電解液，這個頻率可以為25Hz，而有些電解液則需要達到1000Hz到4000Hz。

圖一

圖二 傳感器輸出特性

3. 傾斜傳感器在艦載天線控制中的應用

3.1艦艇的前進、海浪顛簸都會導致艦載天線隨機座發生傾斜，所以為了保證天線能夠連續準確地跟蹤衛星，就要對天線軸架進行實時調整。由于天線的轉動控制除了方位（Azimuth）與俯仰（Level），還有一個俯仰的垂直面（Cross level），因此要用到三個檢測電機轉速的角速度傳感器和一個檢測水平度的傾斜傳感器。如圖所示：

圖三 艦載衛星天線示意圖

3.2傳感器參數及應用

測量范圍±45°；輸入電壓＋5v；輸出＋1～4vDC或4～20mA；分辨率為0.01°；非線性為±2°；工作溫度為－40°C～＋80°C；承受沖擊能力為1000g，1msec。

對于雙軸傳感器則即有與單軸傳感器類似的屬性，又包含自身的復雜性。由于雙軸共享中心電極，四個外圍電極理想地分布于正方形的四個角，所以每個軸向的獨立測量要用到兩種方法：一是同一時刻只有一個軸向激勵，二是雙軸向同時加載不同頻率的激勵，如圖所示，電極a、c間的激勵信號頻率為電極d、e間的二倍，要注意方法一中正交的兩個軸向分別為對角線ac和de方向，而方法二中正交的兩個軸向則是外圍電極正方形的邊緣ae和ad方向。

圖四 外圍電極波形

3.3傳感器接口電路

圖五 輸入電路框圖

從圖中可以看出，由于傳感器輸出為微弱的模擬信號，所以必須把傳感器輸出的模擬量進行預處理，又稱信號調理，并且經過A/D轉換變成數字量，處理器才能對其進行分析處理。具體到電解質型傾角傳感器，以某型艦載天線為例，實際應用電路如下圖所示：

圖六 傳感器應用電路

圖中U5構成傳感器輸出CTR端信號的反相放大電路，F1，F2來自處理器輸出端口控制信號，為頻率50HZ、相位差180°的方波，經過反相器作為傳感器的LV和CL電極驅動，既可實現每對電極上信號極性的交替變化，又能提供水平和垂直水平二維傾斜度測量的選擇。F1，F2同時又作用于多路輸入選擇器U6的控制端A和B，對應于每對電極上信號極性的變化，選擇控制相應極性的信號作為輸出。

4.結束語

電解質型傾角傳感器具有良好的復現性、可靠性和較高的精度，在應用中需要特別注意的是：⑴驅動信號F1，F2必須為直流分量為零的交流電壓信號，因為直流會使電解質產生電解反應而失去導電性，對傳感器造成不可逆轉的損壞。⑵避免使用波峰焊接以及化學有機溶劑洗刷，以防止傳感器輸出特性的改變和電解液泄露。

本文作者創新點：為確保其可靠運行，應在處理器端口引腳和傳感器之間接上CMOS 反相器。微處理器可以設置成每秒喚醒一次或幾次進行新的測量，同時采樣驅動信號中點電壓作為參考，這樣每次測量分兩步完成：首先計算傳感器信號減去參考信號的值，然后加上反相驅動信號并計算參考信號減去傳感器信號的值，將兩次測量結果相減得到所需傾斜值的2 倍且使系統產生的偏差相抵消。