在水下拖曳式通信平臺收放系統(tǒng)中,，線纜所受張力的大小及與水平面所成的角度反映了通信系統(tǒng)平臺的姿態(tài)。準(zhǔn)確地測量出張力和傾角的變化,，對監(jiān)測整個通信平臺的安全工作起著重要的作用,。應(yīng)變式力傳感器是目前應(yīng)用最廣泛的測力傳感器[1]，這種傳感器通常利用電阻應(yīng)變計組成的全橋電路實現(xiàn)張力的測量,，它具有測量精度高,，響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，如日本共和電業(yè)生產(chǎn)的測力傳感器準(zhǔn)確度可達(dá)0.05%,，允許過載200%,。傾角傳感器按照轉(zhuǎn)換原理可分為光柵式、加速度式,、電容式等,，電容式傾角傳感器利用電容的原理實現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化[2]，準(zhǔn)確度可達(dá)到0.05%,。

    目前市場上銷售的張力傳感器和傾角傳感器只能做到單一測量,，未能實現(xiàn)一體化測量[3-4]，并且這些傳感器大多不具備多參數(shù)測量的功能,，而且很難同時保證較大的過載能力和較小的體積。張力傾角復(fù)合傳感器采用一體化設(shè)計理念,，利用電阻應(yīng)變計組成的全橋電路實現(xiàn)張力的測量,，利用電容原理測量傾角，輸出的模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換采集到單片機(jī),，經(jīng)數(shù)據(jù)處理,，利用數(shù)字補(bǔ)償?shù)姆绞绞箯埩蛢A角的測量均能達(dá)到較高的精度，最終通過RS485通信直接在計算機(jī)中顯示出數(shù)值,，實現(xiàn)張力和傾角的實時監(jiān)測,。
1 工作原理及總體設(shè)計
1.1 張力模塊設(shè)計
    張力模塊是利用四片金屬應(yīng)變計連接成全橋電路[5]，當(dāng)彈性體受力作用后,，金屬電阻應(yīng)變計就會產(chǎn)生變形,，阻值發(fā)生變化，在電橋上產(chǎn)生一個不平衡信號輸出,，該信號與外力成正比,，從而達(dá)到測量張力的目的,，如圖1所示。

    測量電橋采用恒壓源供電,，電橋的輸出為：
    
1.3 總體設(shè)計方案
    該復(fù)合傳感器是利用電阻應(yīng)變計連成全橋電路測量張力,，利用差動電容式芯片測量傾角，采用模塊化設(shè)計理念,，張力測量模塊與傾角測量模塊獨(dú)立工作互不影響,，采用CAN總線數(shù)字通信接口，傳感器內(nèi)置單片機(jī)可實現(xiàn)快速,、實時地對測量參數(shù)進(jìn)行計算,、數(shù)字濾波、線性補(bǔ)償?shù)葦?shù)據(jù)處理,。
    傳感器功能框圖如圖3所示,。

2  大過載小型化設(shè)計
    該傳感器需要長期在450 m海水下工作，并且總質(zhì)量要求小于450 g,，為此選擇鈦合金TC4作為傳感器的彈性元件,。鈦合金材料具有比例極限高、密度小,、彈性模量低,、焊接性能好等特點(diǎn)，同時它的抗腐蝕性能很好,，在靜止的海水中無腐蝕,，高速海水（42 m/s）條件下的腐蝕速率僅為0.0051 mm/a。
    根據(jù)使用要求規(guī)定傳感器的外形尺寸≤?準(zhǔn)55 mm×35 mm,，將彈性元件和傳感器殼體設(shè)計為一體結(jié)構(gòu),，彈性元件按照承受載荷50 kN（5倍過載）設(shè)計，應(yīng)變計粘貼在傳感器殼體底部內(nèi)壁,，連成全橋電路后接入放大電路,，傾角芯片焊接在電路組件上，電路組件通過螺釘安裝在傳感器內(nèi)部基準(zhǔn)面上,。傳感器下端面中心處加工施力螺紋,，上端面的連接螺紋則均勻分布在圓周上，端蓋采用焊接方式實現(xiàn)連接和密封,，電氣連接采用特制的超小型水密連接器,，耐壓5 MPa以上。傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示,。

    為了不影響傳感器的靈敏度和精度又同時滿足5倍過載的要求,，對傳感器殼體進(jìn)行淬火和時效處理，經(jīng)過熱處理工藝后,，去除了殘余應(yīng)力,，提高了彈性梁的強(qiáng)度,，改善了材料的機(jī)械性能，傳感器精度和過載的指標(biāo)同時得到滿足,，并提高了材料的熱穩(wěn)定性,，有利于敏感元件的散熱，允許通過的最大電流也有所提高,。
3 電路與程序設(shè)計
    電路利用基準(zhǔn)源REF3040為張力模塊提供穩(wěn)定的恒壓源供電,；傾角模塊采用經(jīng)過整流、濾波后的直流5 V電源供電,，使用儀表放大器AD627R進(jìn)行信號的差分放大,；使用高速24位高精度A/D轉(zhuǎn)換器ADS1248進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采用串口通信方式與單片機(jī)XC886連接,，數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)運(yùn)算處理后由通信芯片輸出數(shù)字信號,。這種電路結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到0.02%以上。而且通過單片機(jī)可對傳感器的非線性和溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償[7-8],。通過測量張力模塊的橋壓間接測量溫度,，溫度信號由微控制器內(nèi)部A/D采集。
    為了減小非線性誤差及零位,、靈敏度溫漂,，通常采用溫度系數(shù)極小的外接電阻進(jìn)行串并聯(lián)補(bǔ)償，但是這種傳統(tǒng)的模擬補(bǔ)償方法存在一定的缺陷,，在-40℃～80℃全溫范圍內(nèi)補(bǔ)償效果不甚理想,，并且補(bǔ)償過程復(fù)雜、繁瑣,。為了提高傳感器精度,，需采用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ā１驹O(shè)計采用了分段擬合的方法,，處理器通過讀取張力A/D值,、傾角A/D值以及溫度A/D值，利用最小二乘法曲線擬合出在特定溫度區(qū)間下的張力和傾角輸出曲線,，利用溫度A/D值獲得特定溫度區(qū)間,，從而得到經(jīng)過溫度補(bǔ)償后的張力和傾角輸出值,。同時利用卡爾曼濾波算法對傳感器的輸出進(jìn)行平滑濾波,，剔除較大噪聲，提高傳感器的穩(wěn)定度,。主程序流程圖如圖5所示,。
4 實驗與分析
    根據(jù)上述設(shè)計方案生產(chǎn)了一批張力傾角復(fù)合傳感器，并對傳感器進(jìn)行測試：先將傳感器固定在EEI-6型力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上,，通電后加載50 kN（5倍過載）,，保持30 s后卸載,，然后對傳感器進(jìn)行性能測試。取當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭=9.806 65 m/s2,激勵電壓為5.0 V,，記錄3只傳感器的張力測試數(shù)據(jù)如表1,。

    從表3數(shù)據(jù)可知,該傳感器的張力準(zhǔn)確度優(yōu)于0.1 %FS，傾角準(zhǔn)確度優(yōu)于0.05%FS,零點(diǎn)漂移小于0.05 %FS/h,熱零點(diǎn)漂移小于0.002  %FS/℃,，滿足使用要求,。
    本文介紹了一種大過載小型化的張力傾角復(fù)合傳感器，采用模塊化設(shè)計思想,，同時實現(xiàn)張力,、傾角兩種參數(shù)的測量，從工作原理,、結(jié)構(gòu)設(shè)計,、電路與程序設(shè)計等方面對傳感器進(jìn)行了理論分析與試驗仿真，進(jìn)而給出傳感器的詳細(xì)設(shè)計方案,。實驗結(jié)果證明,，該傳感器具有精度高、抗過載能力強(qiáng),、結(jié)構(gòu)尺寸小,、耐惡劣環(huán)境、多參數(shù)復(fù)合測量等特點(diǎn),，部分產(chǎn)品已應(yīng)用于某水下拖曳式通信平臺收放系統(tǒng)中,，工作狀態(tài)良好。類似產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于船舶,、礦山,、石油化工等領(lǐng)域。
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