電磁干擾對姿態傳感器穩定性分析

白萬民，趙傳超

（西安工業大學，西安 710021）

電磁干擾對姿態傳感器穩定性分析

白萬民，趙傳超

（西安工業大學，西安 710021）

針對生產制造中無法在外界電磁輻射（EMR）環境下對姿態傳感器穩定性檢測的問題，提出了一種新的穩定性分析方法：通過整體電磁仿真得到不同材料元器件輻射強度，再進行區域模塊分析。運用仿真建模方法對姿態傳感器主板進行全波電磁干擾仿真，運用仿真軟件對仿真結果分析和驗證，完成姿態傳感器受電磁輻射的穩定性分析。運用LabVIEW軟件編寫構造虛擬檢測儀器，將驗證后的電磁干擾響應數據與姿態傳感器輸出數據疊加并顯示在人機交互界面中，最終實現對姿態傳感器在電磁干擾環境下的智能檢測。

姿態傳感器；電磁輻射；穩定性；LabVIEW

0 引言

隨著現代電子技術的發展，戰場作戰環境已經充斥著各種各樣電磁場，其中人為地電磁干擾、電磁輻射是對戰場電子設備最大的威脅之一[1～3]。姿態傳感器用于檢測自行火炮的角度，要求在電磁干擾影響下穩定性非常好。姿態傳感器作為檢測自行火炮車身與水平面角度的主要器件，抗外界電磁干擾的能力尤其顯得更加重要。現在制作過程中對姿態傳感器的抗電磁輻射檢測主要停留在自身的電磁兼容設計中，外界電磁輻射對姿態傳感器的影響主要還是通過實際加載相應功率、頻率特性、相同能量的電磁場來對傳感器輸出結果測定；這種直接在現實電磁環境中的檢測方法較準確，但是相應的代價高，操作繁瑣，甚至有些時候代價極高，比如對抗電磁脈沖的檢測時，不僅代價高，而且不容易連續檢測。通過分析以上問題，姿態傳感器主板尺寸小，元器件數量相對較少，可以通過建模仿真的方法對姿態傳感器的抗電磁輻射性能進行檢測，進而進行誤差的補償。

本文通過FIT方法模擬在不同頻率下的電磁場在主板上產生的耦合磁場的強度分布，通過改變不同角度的電磁照射得到最強的耦合磁場，然后通過電磁仿真軟件對主板上不同耦合場強、不同材料的元器件進行電磁仿真，最后根據整體電路原理圖對干擾結果疊加，得出干擾極限，通過LabVIEW編程將不同頻率電磁干擾極限與姿態傳感器的輸出結果疊加并顯示在人機交互界面中，從而實現對姿態傳感器在電磁干擾下的穩定性檢測。

1 姿態傳感器主板的模型

本文以XGZT-III型姿態傳感器的主板為研究對象，該型號的姿態傳感器主板在設計時僅僅考慮了自身電磁兼容的問題，主板實際尺寸為75mm×75mm。通過掃描運用Solidworks軟件對主板上的元器件進行建模，導入電磁仿真軟件后，對各個元器件的材料以及電導率等參數進行定義設置。姿態傳感器和主板幾何模型分別如圖1和圖2所示。

圖1 XGZT-III型姿態傳感器

圖2 姿態傳感器主板幾何模型

2 電磁仿真分析

通過FIT方法對上述主板幾何模型進行外界電磁輻射的仿真，模擬姿態傳感器主板耦合電磁場的分布，經過模擬實驗得到：當電磁入射角為90°時耦合電磁場最強。要求姿態傳感器在高頻電磁輻射環境中有很好的穩定性，本文設置的模擬頻率范圍是0GHz～18GHz。圖3～圖6分別是模擬外界電磁輻射頻率為1GHz、9GHz、15GHz、18GHz的耦合電磁場強度分布。

圖3 f=1GHz

圖4 f=9GHz

圖5 f=15GHz

圖6 f=18GHz

由上圖分析可知，頻率不同的外界電磁輻射在姿態傳感器主板上產生的耦合電磁場的整體分布基本相同，但是耦合磁場的強度并不是隨著頻率的增高而增強，相互之間并不存在著明顯的簡單函數關系。經過大量實驗分析耦合磁場的強度與外界電磁輻射頻率的關系如圖7所示。由圖7知外界電磁輻射頻率在4GHz～5GHz之間時，耦合電場最強。

圖7 耦合電磁場強度與外界電磁輻射頻率關系

由圖3～圖6耦合電場分布知，姿態傳感器主板電容、電阻、電感及變壓器元器件是受外界電磁輻射影響較大的區域。這些元器件在高頻電磁輻射照射下的特性與常態理想的特性完全不同[4]，在高頻電磁場環境中，電容的高頻特性是電阻、電感和電容的串聯，電阻的高頻特性是電阻與電容并聯后再與電感串聯，電感的高頻特性是電阻與電感并聯后再與電容串聯；變壓器則是電阻、電感（互感線圈）和電容的組合；元器件理想特性與高頻特性對比如表1所示。

表1 元器件理想特性與高頻特性

按照表中各類元器件的高頻特性對每一個元器件進行區域性電磁輻射仿真，得出外界電磁輻射對元器件相應的感應電流；在仿真軟件中，導入姿態傳感器PCB板主電路，按照姿態傳感器電路原理圖[5]，在相應的元器件輸出端補償由外界電磁輻射感應出的電流，將所有元器件的感應電流全部補償并疊加到電路中，在姿態傳感器的輸出端得到總的感應電流，完成對姿態傳感器的外界電磁輻射仿真。姿態傳感器PCB板仿真如圖8所示。

圖8 PCB仿真

完成所有電磁輻射仿真后，運用LabVIEW軟件編寫基于姿態傳感器的虛擬檢測儀器[6,7]。通過RS-232串口與USB串口的轉換實現姿態傳感器與計算機的數據傳輸。在虛擬檢測儀器后臺程序中將姿態傳感器輸出端口的數據與外界電磁輻射的仿真數據疊加后顯示在虛擬儀器人機交互界面中，可以方便數據提取分析，數據的顯示如圖9所示。

本課題在研究中，為了方便對數據的查看和后期處理，將采集的數據進行了錄入數據庫處理，由于每次檢測時的數據量不是很大，這里選用ACCESS數據庫儲存檢測數據。當需要對數據查看分析時，不需要在數據庫中查看和操作，可以直接在虛擬人機交互界面中調取指定的數據信息；數據庫的調取如圖10所示。分析圖10中的數據知，姿態傳感器兩軸角度值都在規定的穩定誤差范圍內（誤差σ＜0.06°），驗證了本課題所研究的方法可行。

3 結論

虛擬儀器與仿真技術創新性結合，通過本課題的研究，解決了姿態傳感器在生產制作階段無法進行外界電磁輻射穩定性分析的問題；在實驗室和出廠之前就對姿態傳感器的電磁干擾穩定性進行校正和補償，而不是在自行火炮安裝前進行實際的電磁環境檢驗，提高了出廠合格率，同時也節省了實際電磁環境檢驗的資金。本課題所提出的虛擬智能檢測方法還為后期姿態傳感器誤差補償儲備了大量的數據，為進一步分析提供了可行性。除此之外，這種外界電磁輻射仿真方法不僅僅適用于本課題中的姿態傳感器的穩定性分析，還適用于很多需要考慮外界電磁輻射影響因素的電子產品的分析，實際應用價值高。

圖9 虛擬儀器數據顯示

圖10 數據庫信息

[1] 古小明,周克勝,朱居瑩.戰場復雜電磁環境[J].四川兵工學報,2009(08).

[2] 楊智敏,富春江,于學偉.炮兵戰場電磁環境[J].四川兵工學報,2010,(02).

[3] 解向軍,鄭敏,徐宏偉.戰場電磁環境分析[J].飛機設計,2013,(04).

[4] 葛晶晶,姚竹亭,甄曉輝.電磁兼容設計在電子武器和裝備中的應用[J].火力與指揮控制,2010,(04).

[5] 賈培剛,劉曉武.基于MEMS陀螺儀的三維姿態傳感器的設計[D].西安工業大學:TP212.

[6] 秦樹人主編.虛擬儀器[M].中國計量出版社,2004.

[7] 劉君華,等.虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程[M].西安電子科技大學出版社,2001.

Stability analysis of electromagnetic interference on attitude sensor

BAI Wan-min, ZHAO Chuan-chao

TP202+.1

A

1009-0134(2017)04-0070-03

2017-01-03

白萬民（1959 -），男，陜西人，碩士，研究方式為計算機應用技術。