傾角傳感器穩定性測試與分析

陳燕飛 吳俊嫻 司俊超

1. 空裝駐北京地區第一軍事代表室，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射導軌起豎角度測量以及工程設備姿態的測量。

在實際應用中，傾角傳感器的測量重點是穩定測量，因此，提高傾角傳感器測量的穩定性就成為了重中之重。傳感器工作環境溫度變化較大[1]，由于外界溫度對傳感器穩定性影響較大，因此，本文重點就兩款傾角傳感器野外環境下工作穩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境中，對其進行啟動特性、靜態穩定性和動態跟隨性測試，收集兩款傳感器實驗數據并進行對比。

1 傳感器結構及穩定特性

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據補償至測量數據[4]，通過隔離通信模塊傳輸至上位機，從而實現了設備現行姿態的獲取。

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、抗干擾性強等優點[5]。

1.2 傳感器穩定特性

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，其輸出的角度數據是不穩定的，而不同傳感器由于設計、器件選型、制作工藝等方面的原因，使得傳感器達到穩定的時間不同。

傾角傳感器隨待測裝置在野外環境下工作過程中，外界環境溫度產生劇烈變化時，在傳感器與外界環境之間同樣存在著熱量交換、溫度變化的過程，傳感器會從一個穩定狀態轉換至另一個穩定狀態，雖然這兩個穩定狀態所測得的角度數據相同。但在穩定狀態轉換過程中，傾角傳感器輸出數據會出現波動，根據輸出數據波幅值的大小可以判斷該款傾角傳感器的靜態穩定性。

2 傳感器穩定性測試

在傾角傳感器穩定性測試中，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、動態跟隨性和靜態穩定性進行測試。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。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、動態跟隨和穩態特性數據，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 測試環境

由于兩款傳感器獲取到的測試數據要進行對比，所以將兩款傳感器的測試環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、動態跟隨性和穩態特性，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 測試數據分析

由于傾角傳感器測試是在野外環境中，因此要考慮環境的溫度變化。本文將野外環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，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小時之內的數據，傾角傳感器A數據曲線如圖3所示，傾角傳感器B數據曲線如圖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更快地達到穩定狀態；在達到穩定后一段時間內，傾角傳感器A比傾角傳感器B的測量誤差要小。

2.7.2 動態特性測試

傾角傳感器上電啟動，待輸出測量值穩定后，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據，將獲取到的傳感器輸出測量值數據生成曲線。另外，從傳感器安裝設備中獲取到設備起豎時的參數，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，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定狀態。在35 s處，設備從靜止狀態變為動態，滯后曲線向下凸起，傳感器測量值緊隨設備而動，動態跟隨性較好。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會使用新的數據處理方法，從而使得傳感器B的跟隨性變好。

2.7.3 穩態特性測試

在設備從水平狀態起豎至60°后，等待傾角傳感器輸出測量數據至穩定，持續監測和收集傳感器輸出數據，5～6小時后結束測試，處理傳感器穩態時的數據生成曲線，傾角傳感器A穩態曲線如圖7所示，傾角傳感器B穩態曲線如圖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定狀態。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定狀態。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的穩態特性比傾角傳感器A的穩態特性要好。

3 結論

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