文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2012)11-0094-03
在水下拖曳式通信平臺(tái)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(tái)的姿態(tài),。準(zhǔn)確地測(cè)量出張力和傾角的變化,對(duì)監(jiān)測(cè)整個(gè)通信平臺(tái)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(cè)力傳感器[1],,這種傳感器通常利用電阻應(yīng)變計(jì)組成的全橋電路實(shí)現(xiàn)張力的測(cè)量,它具有測(cè)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(cè)力傳感器準(zhǔn)確度可達(dá)0.05%,允許過(guò)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(shí)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(chǎng)上銷(xiāo)售的張力傳感器和傾角傳感器只能做到單一測(cè)量,,未能實(shí)現(xiàn)一體化測(cè)量[3-4],,并且這些傳感器大多不具備多參數(shù)測(cè)量的功能,而且很難同時(shí)保證較大的過(guò)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(jì)理念,,利用電阻應(yīng)變計(jì)組成的全橋電路實(shí)現(xiàn)張力的測(cè)量,利用電容原理測(cè)量?jī)A角,,輸出的模擬信號(hào)通過(guò)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(cè)量均能達(dá)到較高的精度,,最終通過(guò)RS485通信直接在計(jì)算機(jī)中顯示出數(shù)值,實(shí)現(xiàn)張力和傾角的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),。
1 工作原理及總體設(shè)計(jì)
1.1 張力模塊設(shè)計(jì)
張力模塊是利用四片金屬應(yīng)變計(jì)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(jì)就會(huì)產(chǎn)生變形,,阻值發(fā)生變化,,在電橋上產(chǎn)生一個(gè)不平衡信號(hào)輸出,該信號(hào)與外力成正比,,從而達(dá)到測(cè)量張力的目的,,如圖1所示,。
測(cè)量電橋采用恒壓源供電,電橋的輸出為:
1.3 總體設(shè)計(jì)方案
該復(fù)合傳感器是利用電阻應(yīng)變計(jì)連成全橋電路測(cè)量張力,,利用差動(dòng)電容式芯片測(cè)量?jī)A角,,采用模塊化設(shè)計(jì)理念,張力測(cè)量模塊與傾角測(cè)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(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時(shí)地對(duì)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行計(jì)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(guò)載小型化設(shè)計(jì)
該傳感器需要長(zhǎng)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(shí)它的抗腐蝕性能很好,在靜止的海水中無(wú)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(jì)為一體結(jié)構(gòu),,彈性元件按照承受載荷50 kN(5倍過(guò)載)設(shè)計(jì),,應(yīng)變計(jì)粘貼在傳感器殼體底部?jī)?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(guò)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(shí)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(shí)滿足5倍過(guò)載的要求,,對(duì)傳感器殼體進(jìn)行淬火和時(shí)效處理,,經(jīng)過(guò)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(guò)載的指標(biāo)同時(shí)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(guò)的最大電流也有所提高。
3 電路與程序設(shè)計(jì)
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(guò)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(hào)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(guò)單片機(jī)運(yùn)算處理后由通信芯片輸出數(shù)字信號(hào),。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(guò)單片機(jī)可對(duì)傳感器的非線性和溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償[7-8]。通過(guò)測(cè)量張力模塊的橋壓間接測(cè)量溫度,,溫度信號(hào)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(guò)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?。本設(shè)計(jì)采用了分段擬合的方法,處理器通過(guò)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(guò)溫度補(bǔ)償后的張力和傾角輸出值,。同時(shí)利用卡爾曼濾波算法對(duì)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(shí)驗(yàn)與分析
根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)了一批張力傾角復(fù)合傳感器,,并對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)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(guò)載),,保持30 s后卸載,,然后對(duì)傳感器進(jìn)行性能測(cè)試,。取當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭=9.806 65 m/s2,激勵(lì)電壓為5.0 V,記錄3只傳感器的張力測(cè)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(guò)載小型化的張力傾角復(fù)合傳感器,,采用模塊化設(shè)計(jì)思想,同時(shí)實(shí)現(xiàn)張力,、傾角兩種參數(shù)的測(cè)量,,從工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),、電路與程序設(shè)計(jì)等方面對(duì)傳感器進(jìn)行了理論分析與試驗(yàn)仿真,,進(jìn)而給出傳感器的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,,該傳感器具有精度高,、抗過(guò)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(cè)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(tái)收放系統(tǒng)中,,工作狀態(tài)良好,。類(lèi)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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