中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所 趙 瑜 吳文福 高呈學(xué)

基于電磁感應(yīng)對(duì)航向傳感器精度的影響分析

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所 趙 瑜 吳文福 高呈學(xué)

航向傳感器用于測(cè)量載體的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)航向角信息,為載體的運(yùn)行狀態(tài)提供方位基準(zhǔn).其核心芯片為基于MEMS技術(shù)的磁力儀、加速度計(jì)和陀螺儀組成,通過(guò)信息融合技術(shù)來(lái)解算實(shí)時(shí)航向信息.電磁感應(yīng)對(duì)航向傳感器內(nèi)部磁力儀芯片的影響會(huì)導(dǎo)致航向角解算的誤差,文中定量分析了電磁感應(yīng)的影響大小,并給出了對(duì)比分析結(jié)論,對(duì)航向傳感器精度的改善具有一定的參考價(jià)值.

航向傳感器;電磁感應(yīng); MEMS;磁力儀

1 引言

航向傳感器用于實(shí)時(shí)提供運(yùn)載體的動(dòng)態(tài)航向角信息,其基于微型的MEMS技術(shù),使用一組三軸磁力儀、三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng),融合多種傳感數(shù)據(jù),并通過(guò)一個(gè)實(shí)時(shí)機(jī)載擴(kuò)展卡爾曼濾波器,使其在姿態(tài)和方位測(cè)量方面能提供無(wú)與倫比的精度.相比于電子羅盤(pán)而言,其通過(guò)去除瞬時(shí)加速度干擾,使其計(jì)算的航向精度得到很大的提高,并且能夠全空間360°無(wú)死角安裝和測(cè)量.電磁感應(yīng)影響是指通電導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)航向傳感器精度的影響,其中產(chǎn)生的電磁場(chǎng)主要是對(duì)傳感器內(nèi)部的磁力儀芯片帶來(lái)磁干擾,進(jìn)而影響多種傳感數(shù)據(jù)的融合解算.文中主要分析固定位置下,不同電流產(chǎn)生的磁感應(yīng)對(duì)磁力儀芯片和航向角的影響,并且對(duì)比分析單股直導(dǎo)線(xiàn)和雙絞直導(dǎo)線(xiàn)的影響大小和性能表現(xiàn).

2 電流磁效應(yīng)及磁場(chǎng)強(qiáng)度原理

電流磁效應(yīng)是指任何通有電流的導(dǎo)線(xiàn),都可以在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)的現(xiàn)象.在通電長(zhǎng)直導(dǎo)線(xiàn)周?chē)?產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁力儀形狀為以導(dǎo)線(xiàn)為圓心的封閉同心圓,且磁場(chǎng)方向與電流的方向相互垂直.

對(duì)于有限長(zhǎng)直載流導(dǎo)線(xiàn),磁場(chǎng)大小的解算方式如下,設(shè)定載流導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度用L表示,通電電流用I表示,與通電導(dǎo)線(xiàn)垂直距離為d的P點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)為B,示意圖如圖1所示:

圖1 有限長(zhǎng)直載流導(dǎo)線(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度示意圖

上述為有限長(zhǎng)直載流導(dǎo)線(xiàn)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度的示意圖,后續(xù)將根據(jù)實(shí)際測(cè)試結(jié)果來(lái)分析載流導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小和對(duì)航向角的影響.

3 測(cè)試說(shuō)明

測(cè)試的主要目的是分析通電電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)航向傳感器的精度影響,因此需要用的主要設(shè)備包括穩(wěn)壓電源、航向傳感器、采集系統(tǒng)、滑動(dòng)變阻器、通電測(cè)試導(dǎo)線(xiàn)等.其中:

(1)航向傳感器固定在磁環(huán)境穩(wěn)定的平臺(tái)上,周?chē)鸁o(wú)其它磁干擾影響;

(2)穩(wěn)壓電源分別為航向傳感器和測(cè)試導(dǎo)線(xiàn)供電,并通過(guò)滑動(dòng)變阻器和穩(wěn)壓電源的調(diào)節(jié)來(lái)給測(cè)試導(dǎo)線(xiàn)提供所需的電流;

(3)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄傳感器內(nèi)部磁力儀芯片的讀數(shù)和航向角的讀數(shù);

(4)通電測(cè)試導(dǎo)線(xiàn)包含兩種,分別為單股導(dǎo)線(xiàn)和雙絞導(dǎo)線(xiàn),用于電磁感應(yīng)的測(cè)試對(duì)比,并且導(dǎo)線(xiàn)直接從傳感器上方通過(guò),沿傳感器的前進(jìn)方向步線(xiàn).

(5)單股導(dǎo)線(xiàn)測(cè)試時(shí),通過(guò)傳感器上方的導(dǎo)線(xiàn)為其中一路,另一路由滑動(dòng)變阻器端點(diǎn)引出,繞開(kāi)傳感器后到達(dá)穩(wěn)壓電源接線(xiàn)端,如上圖所示;雙絞線(xiàn)測(cè)試時(shí),兩路導(dǎo)線(xiàn)都通過(guò)傳感器上方.

4 影響分析

測(cè)試過(guò)程中主要采用兩種方式:單股導(dǎo)線(xiàn)的電磁影響、雙絞線(xiàn)的電磁影響.通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的滑片,使滑動(dòng)變阻器的阻值固定在一個(gè)合適的大小,然后改變穩(wěn)壓電源的電壓值,使通電導(dǎo)線(xiàn)的電流值根據(jù)需要來(lái)變動(dòng),測(cè)試過(guò)程中通過(guò)采集系統(tǒng)來(lái)記錄磁力儀芯片的讀數(shù)和航向角的讀數(shù)值.

4.1 單股導(dǎo)線(xiàn)的電磁影響

航向傳感器上方通過(guò)的導(dǎo)線(xiàn)為單股線(xiàn),導(dǎo)線(xiàn)方向與磁力儀芯片的X軸方向平行,與Y軸、Z軸方向垂直,通電電流由0.0A變化到1.0A,當(dāng)電流較小時(shí)以0.02A為一刻度,當(dāng)電流較大時(shí)以0.05A為一刻度,如下為實(shí)際測(cè)試情況:

圖2所示的上半部分為通電導(dǎo)線(xiàn)電流與傳感器內(nèi)部磁力儀芯片的電磁感應(yīng)影響對(duì)比圖,包括X軸、Y軸、Z軸和合成總場(chǎng)對(duì)比曲線(xiàn),可得知:

(1)通電電流對(duì)磁力儀的X軸讀數(shù)幾乎無(wú)影響;

(2)通電電流與磁力儀Y軸、Z軸讀數(shù)的影響基本成線(xiàn)性關(guān)系,電流越大,對(duì)磁力儀對(duì)應(yīng)軸的影響越大;

(3)通電電流與磁力儀合成總場(chǎng)讀數(shù)的影響基本成線(xiàn)性關(guān)系,電流越大,對(duì)磁力儀的影響越大.

圖2 通電導(dǎo)線(xiàn)電流(單股線(xiàn))與磁力儀各軸、航向角誤差對(duì)比圖

圖2所示的下半部分為通電導(dǎo)線(xiàn)(單股線(xiàn))電流與傳感器航向角誤差對(duì)比曲線(xiàn)圖,由圖2可知:

(1)隨著通電導(dǎo)線(xiàn)電流的增大,傳感器航向角的偏差也隨之增大,兩者基本呈線(xiàn)性關(guān)系;

(2)通過(guò)數(shù)據(jù)分析得出,當(dāng)電流為0.08A時(shí),航向角偏差為-0.85°;當(dāng)電流為0.10A時(shí),航向角偏差為-1.20°,因此對(duì)于采用單股導(dǎo)線(xiàn)而言,為了保證航向角影響誤差小于1°范圍,通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)的電流不能超過(guò)0.08A,這在實(shí)際使用中實(shí)現(xiàn)較困難.

4.2 雙絞線(xiàn)的電磁影響

航向傳感器上方通過(guò)的導(dǎo)線(xiàn)為雙絞線(xiàn),兩路導(dǎo)線(xiàn)的電流大小相等、方向相反.導(dǎo)線(xiàn)方向與磁力儀芯片的X軸方向平行,與Y軸、Z軸方向垂直,通電電流由0.0A變化到1.0A,當(dāng)電流較小時(shí)以0.05A為一刻度,當(dāng)電流較大時(shí)以0.10A為一刻度,如下為實(shí)際測(cè)試情況:

圖3所示的上半部分為通電導(dǎo)線(xiàn)(雙絞線(xiàn))電流與傳感器內(nèi)部磁力儀芯片的電磁感應(yīng)影響對(duì)比圖,包括X軸、Y軸、Z軸和合成總場(chǎng)對(duì)比曲線(xiàn),由上圖可知:

(1)通電電流對(duì)磁力儀的X軸、Y軸和Z軸讀數(shù)幾乎無(wú)影響;

(2)通電電流對(duì)磁力儀合成總場(chǎng)讀數(shù)幾乎無(wú)影響,磁力儀讀數(shù)不隨通電電流的變化而變化,電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)由于雙絞線(xiàn)的原因而相互抵消.

圖3 通電導(dǎo)線(xiàn)電流(雙絞線(xiàn))與磁力儀芯片各軸、航向角誤差對(duì)比圖

圖3所示的下半部分為通電導(dǎo)線(xiàn)(雙絞線(xiàn))電流與傳感器航向角誤差對(duì)比曲線(xiàn)圖,由圖3可知:

(1)隨著通電導(dǎo)線(xiàn)電流的增大,傳感器航向角的讀數(shù)基本不受影響,讀數(shù)在-0.53°到+0.12°之間波動(dòng),屬于航向角本身的解算誤差;

(2)對(duì)于采用雙絞線(xiàn)而言,為了保證航向角影響誤差小于1°范圍,通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)的電流不受限制,這在實(shí)際使用中實(shí)現(xiàn)較容易.

5 結(jié)論

基于電磁感應(yīng)對(duì)航向傳感器航向角精度的影響分析可知:

(1)當(dāng)經(jīng)過(guò)航向傳感器上方的通電導(dǎo)線(xiàn)為單股線(xiàn)時(shí),導(dǎo)線(xiàn)電流的大小會(huì)直接對(duì)航向角產(chǎn)生干擾,電流越大,干擾越大,為了保證干擾影響小于1°范圍,導(dǎo)線(xiàn)電流大小不能超過(guò)0.08A,在實(shí)際使用時(shí)實(shí)現(xiàn)較困難;

(2)當(dāng)經(jīng)過(guò)航向傳感器上方的通電導(dǎo)線(xiàn)為雙絞線(xiàn)時(shí),導(dǎo)線(xiàn)電流的大小不會(huì)對(duì)航向角產(chǎn)生干擾,兩路導(dǎo)線(xiàn)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小相等、方向相反,從而相互抵消,對(duì)航向角不產(chǎn)生干擾,導(dǎo)線(xiàn)電流的大小不受限制,

(3)通過(guò)上述試驗(yàn)分析可知,雙絞線(xiàn)的性能和使用限制要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單股導(dǎo)線(xiàn),實(shí)際使用時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮.

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趙瑜(1986-),男,工程師,研究方向:航向傳感器開(kāi)發(fā).