摘 要：隨著檢測手段的不斷發(fā)展,除了常規(guī)的溫度、壓力、加速度等的測量外,越來越多的場合需要測量物體的姿態(tài),這就需要傾斜傳感器。本文簡要介紹了國內(nèi)外傾斜傳感器的發(fā)展情況和測試原理，以及在艦載天線控制中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：傾斜傳感器;天線 ; 控制
1.引言
傳感器是能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，作為信息系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)器件,近年來,已經(jīng)受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。傾斜傳感器作為經(jīng)典的傳感器之一，也正在被新材料、新原理、多功能、新結(jié)構(gòu)所取代，與數(shù)字技術(shù)、通信技術(shù)的結(jié)合越來越密切，朝著集成化、智能化和微型化方向發(fā)展。
圖一
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(zhì)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(gòu)成,圓筒之間充滿整個容量一半左右的流體介質(zhì)，電解質(zhì)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。可見，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(guān)系如圖二所示,注意當傾角大于20°時輸出信號變得非線性。可以證明，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(shù)。傳感器在某種程度上類似于鉛酸電池，電流能引起電解質(zhì)的化學反應(yīng)，最終結(jié)果使電解質(zhì)失去導電性，所以為了防止電解反應(yīng)的發(fā)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。
圖二 傳感器輸出特性
3. 傾斜傳感器在艦載天線控制中的應(yīng)用
3.1艦艇的前進、海浪顛簸都會導致艦載天線隨機座發(fā)生傾斜，所以為了保證天線能夠連續(xù)準確地跟蹤衛(wèi)星，就要對天線軸架進行實時調(diào)整。由于天線的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的角速度傳感器和一個檢測水平度的傾斜傳感器。
3.2傳感器參數(shù)及應(yīng)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1,000g, 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(fù)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(yù)處理，又稱信號調(diào)理，并且經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量，處理器才能對其進行分析處理。具體到電解質(zhì)型傾角傳感器，以某型艦載天線為例，實際應(yīng)用電路如下圖所示：
圖六 傳感器應(yīng)用電路
圖中U5構(gòu)成傳感器輸出CTR端信號的反相放大電路，F(xiàn)1，F(xiàn)2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(jīng)過反相器作為傳感器的LV和CL電極驅(qū)動，既可實現(xiàn)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，F(xiàn)2同時又作用于多路輸入選擇器U6的控制端A和B，對應(yīng)于每對電極上信號極性的變化，選擇控制相應(yīng)極性的信號作為輸出。
4.結(jié)束語
電解質(zhì)型傾角傳感器具有良好的復(fù)現(xiàn)性、可靠性和較高的精度，在應(yīng)用中需要特別注意的是：⑴驅(qū)動信號F1，F(xiàn)2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(zhì)產(chǎn)生電解反應(yīng)而失去導電性，對傳感器造成不可逆轉(zhuǎn)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(chuàng)新點: 為確保其可靠運行，應(yīng)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(shè)置成每秒喚醒一次或幾次進行新的測量,同時采樣驅(qū)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(qū)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(jié)果相減得到所需傾斜值的2 倍且使系統(tǒng)產(chǎn)生的偏差相抵消。
參考文獻
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