基于兩軸角傳感器的機動測控裝備自動調(diào)平系統(tǒng)

0 引言
    現(xiàn)代靶場擁有大量機動測控裝備，每次轉(zhuǎn)場后都需要對裝備平臺進行調(diào)平。傳統(tǒng)的調(diào)平系統(tǒng)采用手動調(diào)平結構，費時費力，已嚴重影響裝備機動性能的發(fā)揮和任務的完成效率。自動調(diào)平系統(tǒng)相對人工調(diào)平系統(tǒng)具有調(diào)平時間短、調(diào)平精度高、可靠性高等優(yōu)點。本設計以XWQj02-001型號的傾角傳感器內(nèi)置的2個微機械加速度計測量x軸和y軸相對于水平面的夾角，使用Visual C++6．O開發(fā)Windows環(huán)境下的串行口通信程序來實現(xiàn)微機與傾角傳感器的通信，實現(xiàn)機動測控裝備平臺的高速、高精度調(diào)平。

1 XWQJ02-001簡介
1．1 產(chǎn)品特點
    XWQJ02-001是兩軸可編程加速度計方式傾角傳感器，基于ADI(analog devices，Inc)公司iMEMS集成微電子機械系統(tǒng)內(nèi)核，當其處于水平安裝時，測量范圍是-30°～+30°，測角越是接近水平面其精度越高，可在1～5Hz／s編程設置其輸出頻率，輸出頻率越小其測量精度越高，經(jīng)實際測量得知在-50°～+5°的測量范圍內(nèi)以1 Hz／s頻率輸出得到小于O．003°的測量精度，輸出最高分辨率為O．001°。產(chǎn)品具有5階濾波器，用戶根據(jù)需要設置，平衡選擇傾角精度和傾角響應速度的關系。
    傾角大小以數(shù)字量方式輸出，接口形式包括RS 232，RS 485，RS 422等多種方式。
    封裝外殼的防水等級IP55，抗外界電磁干擾能力強，承受沖擊振動能力強。
1．2 工作原理
    傳感器的內(nèi)部核心為ADI公司的微加速度計ADXL213，其內(nèi)部原理如圖1所示。

    該傳感器采用iMEMS技術，在一個硅片上包含了一個多晶體硅表面為機械傳感器和信號處理電路，實現(xiàn)了開環(huán)加速度測量結構。可以測量動態(tài)加速度和靜態(tài)加速度，其量程范圍為±1．2 g，輸出為周期可調(diào)的占空比調(diào)制信號，無需經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換直接與計數(shù)器或單片機連接。具有良好的溫度特性，無需外部的溫度補償電路，具有測量精度高、功耗低、價格低等特點，適用于較高精度的測量系統(tǒng)。
    ADXL213輸出的時周期可調(diào)的與加速度成比例的脈寬調(diào)制信號。用戶通過外加電容Cx、Cy定低通濾波器的帶寬，可以提高測量分辨率、抑制噪聲。
    傳感器單元是差動電容器，其輸出與加速度成正比。加速度計的性能依賴于傳感器的結構設計。差動電容由懸臂梁構成，懸臂梁由電容電極副構成如圖1中所示。每個指狀電極的電容正比例于固定電極和移動電極之間的重疊面積以及移動電極的位移，在不同的傾斜面上得到的差動電容的大小是不一樣的。懸臂梁由多晶硅彈簧支撐，根據(jù)放置在傾斜面上得到的差動電容的大小按照一定的運算規(guī)則得到加速度傳感器x軸、y軸的輸出Ax、Ay加速度信號(在標定的時候需要進行非線性補償和溫度補償)。則按照下面公式即可計算出傾角大小：
   
式中：θ，γ分別為x，y軸相對于水平面的傾角；g為重力加速度。
1．3 產(chǎn)品應用
    該產(chǎn)品用于測量多種需要測量傾斜變化的工業(yè)應用設備，民用領域如：工廠機床、運動完全監(jiān)視器、汽車輪位對準裝置、橋梁傾斜監(jiān)測、大壩邊形長期檢測、平臺水平度監(jiān)測。軍用領域如：衛(wèi)星天線穩(wěn)定系統(tǒng)、火炮炮管初射角度測量、雷達車輛平臺檢測等。

2 傳感器數(shù)據(jù)采集軟件
2．1 傳感器數(shù)據(jù)輸出格式
    XWQJ02-001數(shù)據(jù)輸出為串口信號，串口輸出協(xié)議為：波特率為9 600 b／s，沒有校驗位、8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，即(9 600，N，8，1)。一組數(shù)據(jù)為15個字節(jié)數(shù)，并且輸出為16進制數(shù)，具體如表1所示。

    表中x，y軸角度的字節(jié)中，最高比特位為O表示正數(shù)，最高比特位為1，表示負數(shù)。
2．2 軟件編寫
    使用微軟公司的Visual C++6．O編寫串口通信程序，調(diào)用軟件本身提供的通用串口控件MSCOMM32．OCX編寫程序，串口命名為m-Com。
    軟件的初始化程序如下：
   
    當串口接收緩沖區(qū)接收到一組15個字節(jié)的數(shù)據(jù)后就自動產(chǎn)生一個OnComm事件，然后執(zhí)行數(shù)據(jù)處理程序，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換關鍵步驟的程序如下所示：
   
    這樣就轉(zhuǎn)化為可以按照一般的數(shù)學計算法則處理的數(shù)據(jù)類型。
    具體如何處理數(shù)據(jù)與傳感器使用的具體情況有關系，如在大型設備的平臺調(diào)平系統(tǒng)中，應該將傾角值轉(zhuǎn)化為各個支撐平臺支腿的伸長量。

3 雙軸傾角傳感器在平臺調(diào)平系統(tǒng)中的應用
    在機動測控裝備工作時需要一個基準平臺，要求平臺盡量水平。根據(jù)三點確定一個平面的基本原則，設計了3個機械支腿作為載車支撐，通過調(diào)節(jié)3個支腿的伸長量使基準平臺達到水平。傾角傳感器的安裝方式與3個支腿之間的位置關系如圖2所示。

    圖2中A，B，C代表載車平臺3個支撐支腿，x，y軸代表傾角傳感器相互垂直的兩個軸。安裝時注意傾角傳感器的兩個垂直的x，y軸分別與AB、CD平行。使用Visual C++6．0編寫的調(diào)平軟件的人機界面如圖3所示。

    該軟件主要編寫的程序有：
    (1)接收傾角傳感器的角度信號，在界面顯示角度大??；
    (2)然后根據(jù)角度信號判斷出3個支點的高點及另外2個支點與高點的差距并將差距換算為脈沖個數(shù)發(fā)送給驅(qū)動板驅(qū)動支腿運行；
    (3)發(fā)送支腿預支撐、支腿撤收命令給支腿驅(qū)動板。

4 實驗結果及分析
    將該支撐調(diào)平系統(tǒng)應用于某型號大型機動測控設備上，設備總質(zhì)量為20 t，在室內(nèi)水泥地基，無外界干擾情況下獲得的調(diào)平精度為x軸小于等于20"，y軸小于等于20"。并且放置在水泥地面上靜止10 h，傾角顯示無明顯變化。此試驗表明載車的調(diào)平精度較高，調(diào)平時間短，并且可以長時間保持穩(wěn)定性。在室外微風情況下在柏油路面上實驗，打開光電設備自備的柴油發(fā)電機觀測傾角讀數(shù)的變化在20"左右，其動載荷穩(wěn)定性滿足使用要求。支腿的總伸長量為O．20 m，所以每個支腿配備一個0．50 m的墊塊，支腿回收后距離地面為0．55 m。調(diào)整步進電機的驅(qū)動頻率，實驗測試表明，最佳的啟動頻率為3 200 Hz，啟動后能達到最大的脈沖頻率為5 000 Hz。經(jīng)過多次測試頂升加調(diào)平整個過程在120 s左右。
    最后的試驗結果表明：使用該型號的雙軸傾角傳感器較以前使用的單軸傾角傳感器不論是在調(diào)平時間上還是在調(diào)平精度上都有很大的提高，如果使用實時監(jiān)測實時調(diào)整的策略還能夠消除載車的低頻振動，大大提高了機動測控設備的機動性能。

5 結語
    經(jīng)試驗驗證，本型號的傾角傳感器在使用時可靠性高、反應靈敏、抗干擾性能好。并且本文介紹XWQJ02-001此型號傳感器的開發(fā)方式是比較簡單實用，能夠很好地解決靶場機動測控裝備的調(diào)平問題，有利于裝備機動性能的發(fā)揮，提高任務完成效率，具有較大的實用價值和推廣意義。