摘要: 阐述了基于电解质型倾角传感器的寻北仪基座倾角测量系统的工作原理。为了得到基座准确的倾斜量，测量系统首先必须进行零位标定，即在基座倾角为零时，要确定系统的输出电压。考虑到系统的输出电压会受到温度、运输、振动、放置变形、传感器安装调校误差及电路电桥非严格对称等各种环境因素的影响，标定的零位并不是固定不变的。为了提高测量精度，设计了一套全新的动态标零方法，即在测量过程中，临时标定零位，从而消除系统误差的影响。
0 引言
磁悬浮陀螺寻北仪必须在静基座条件下工作，基座必须精确调平，否则会对寻北精度产生很大影响。已知当基座出现横倾角γ 和纵倾角θ 时，横倾角γ 对寻北误差有影响，纵倾角θ 对寻北精度几乎没有影响，基座倾斜对寻北的影响公式可表示如下:
式中: Δαtilt为基座倾斜引起的寻北误差; γ 为基座的横倾角; 为寻北仪架设点的纬度。目前的调平方法是在基座外壳上安装长水准器，架设时依据水准器的指示，利用调平系统将水准器气泡调居中，即认为寻北仪基座是水平的。这种调平方法简单，很容易实现，但会受到长水准器的精度、安装误差、环境变化、温度变化，以及操作人员熟练程度等许多因素的影响，使陀螺寻北仪基座在工作时有时处于倾斜状态。
如果不能得到基座准确的倾斜量，就不能修正基座倾斜对寻北仪精度的影响。所以必须要对基座倾斜的大小和方向进行准确测量，然后利用基座倾斜与寻北精度影响量之间的数学模型，进行误差补偿，保证寻北精度。
1 电解质型倾角传感器工作原理
电解质型倾角传感器工作原理如图1 所示。在一个密封壳体内装有电解质导电液，三根电极浸入其中，引出接成差动电桥的形式，由交流电源Uc激励。当传感器处于水平位置时，三根电极浸入的深度相同，电桥平衡，输出为零; 当传感器倾斜某一角度ε 时，三根电极浸入的深度发生改变，电桥失去平衡，输出大小正比于该倾角正切的信号。当ε 角较小( ε <5°) 时，输出电压与倾角成正比( tanε≈ε) ，信号的极性与倾斜方向有关。
图 1 倾角测量系统工作原理图
由于选用的是电解质型倾角传感器，因此电桥驱动输入必须是一个交变信号，否则传感器的电解液将会发生电解，图1中CON3 的1，2 和3 点接倾角传感器的三根电极，电阻R03 和R04 与电极1，2 之间电阻和电极2，3 之间电阻构成测量电桥，在CON3 的1，3两点间加激励信号，随着倾角大小和方向的不同，CON3 的2 点对地信号幅值及与初始激励信号的相位不同。
激励的原始输入来自C8051F120 单片机的 PCA0( 可编程逻辑阵列) 产生的 1 kHz 的方波信号，经过U3B 反相器隔离后，分为两路驱动信号，其中一路信号再经过 U3C 反相器，从而产生极性相反、幅值相同的两路信号，这两路信号通过 C302、C303 电容滤去直流分量，加载在电解质型倾角传感器两个电极上，因为输入是同一个方波源，所以，在传感器两个电极上就会出现1 kHz 幅值相等、极性相反的方波交变信号作为驱动信号。加载传感器上的激励信号( 图1中CON3接头1，3 两点间信号) 如图2 所示。
当倾角的大小和方向不同时，测量电桥输出信号幅值也不同，且输出信号的相位与初始激励信号的相位也不同，图3( a) 至( d) 所示的是倾角从左高右低逐渐变化到右高左低时传感器输出信号的幅值和相位的变化，图3 中上半部分为激励信号，下半部分为传感器输出信号。
图 3 测量电桥输出信号波形随倾角大小和方向的变化图
信号放大电路是一个同相交流放大器，电桥输出的含有倾角大小和方向信息的方波信号经电容C402隔直后加在放大器的同相输入端。由于传感器输出的信号是极性信号，即有正有负，而系统又是单电源( +5 V) 供电，这对以后的处理造成了以下两点难度:
一是负值模拟电压的采集及转换实现较为困难; 二是在软件处理时需要将绝对值相同的信号同倾角一一对应起来。为了解决这个问题，如图1 所示，在VCC和地之间经过精密电阻分压得到VCC/2 参考电压，同时加在U4A 的同相输入端和反相输入端，从而在输出端可以得到一个VCC/2 的直流偏移电压。当测量电桥输出的交流信号加入后，是在VCC/2 的基础上变化而不是在地电位上下变化，相当于加入了 VCC/2 的直流分量，从而使放大器输出均为正值。信号放大电路的交流放大倍数为:
信号放大电路输出信号对地电位U1O为:
2 倾角测量系统零位动态标定
基座倾角测量系统在最终计算倾角前必须进行零位标定，即标零。所谓标零，是指在基座倾角为零时，要确定系统的输出电压，正常情况下，真零位电压应该是VCC/2。
假设基座严格调平，倾角为零时，由于受到传感器安装调校误差及电路电桥非严格对称等因素影响，经系统AD 采样电路采到的代表基座倾角的直流信号并非是VCC/2，因此微处理器就会计算出此时基座有一倾角κ，κ 即是测量零位，代表基座倾角为零的位置。
此角度是一系统误差，如果不进行严格标定并在系统最终运算中加以扣除，将会严重影响系统的测量精度。由于受到温度、运输、振动、放置变形、电路参数发生漂移等各种环境因素的影响，系统零位并不是固定不变的，长期观察来看，零位会发生变化。如果系统以调试结果或某一次的测量结果为准来修正此零位，也会带来较大误差。因此，针对磁悬浮陀螺寻北仪基座倾角测量系统的使用特点，设计了一套全新的动态标零方法，即在使用测量过程中，临时标定零位，从而能完全消除系统误差的影响，提高测量精度。
零位动态测量原理如图4 所示，AA 为需要测量倾角大小的工作面，V 为工作面 AA 的旋转轴线，AB为水平面，AC 为传感器安装定位平面，AC 与AA 的夹角即是测量零位κ，如图4( a) 所示。在磁悬浮陀螺寻北仪进行二位置寻北过程中，因为传感器是安装在随动壳体上，并围绕着随动壳体旋转轴 V 转动，在第一位置时，图4( b) 中，由于陀螺本体基座没有调平，造成被测工作面本身不水平，与水平面AB 有一夹角ν，系统实际输出倾角ν1为:
当转至第二位置时( 该位置与第一位置相差180°，为对径关系) ，如图4( c) ，系统实际输出倾角ν2为:
根据两次测量结果，即由式( 4) 和式( 5) 可计算出倾角测量零位κ 为:
而在实际运作过程中是用下式来计算壳体纵倾角和横倾角的:
式( 6) 计算的测量零位存贮在数据文件中，在下一次单位置粗寻北过程使用。
3 结束语
根据倾角传感器的安装特点，结合磁悬浮陀螺寻北仪的寻北过程，采用上述的方法动态标定倾角测量系统的零位，能很好地解决零位长期不稳定问题，提高倾角测量系统的测量精度。
参考文献:
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基金项目: 第二炮兵工程大学 2011 年重点基金项目( XY2011JJA06)
作者简介: 仲启媛( 1973—) ，女，副教授，研究方向为兵器发射理论与技术; 黄先祥( 1940—) ，男，中国工程院院士，教授。
收稿日期: 2012 -03
