钢栅尺在大型雷达回转轴角度测量中的应用

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(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

钢栅尺在大型雷达回转轴角度测量中的应用

汤辉，刘喆，倪仁品

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

介绍了新型角度和直线位移传感器(基于电感式的钢栅尺应用特点和工作原理)，对比了常用角度传感器的优缺点，论述了某大型雷达俯仰轴采用钢栅尺作为检测元件实现高精度仰角测量的过程。实践证明，钢栅尺作为一种新型的测量传感器，特别适合应用于大尺寸高精度的角度和直线位移检测。

钢栅尺；角度传感器；雷达

0 引言

随着现代工业技术和水平的提高，对回转机构或轴的角度在线测量精度要求也越来越高。目前，应用较为普遍的角度检测传感器有旋转变压器、自整角机、光电编码器、感应同步器和光栅和磁栅等。近些年，又出现了诸如时栅、钢栅尺等高精度的检测手段，而这些不同种类的角度传感器，均有各自的优缺点和应用场合。某大型雷达俯仰转轴直径达到1 m，要求仰角控制精度为0.01 °，根据经验，同轴安装的传感器检测精度至少为5″。下面在分析各种传感器优缺点的基础上，着重介绍一种新型角度传感器(基于电感式的钢栅尺)，以及其在某大型雷达俯仰轴角度测量中的应用情况。

1 角度传感器

在闭环或半闭环控制系统中，安装在回转轴上角度传感器产生的反馈信号的质量对整个控制系统品质起到决定性的作用，传感器的安装特性、环境适应特性也是其能否应用的重要因素。所以在进行控制系统设计时，如何选择合适的角度检测元件是非常重要的问题。几种常用角度传感器的优缺点的对比如表1所示[1-2]。

表1 常用角度传感器比较

名 称优 点缺 点旋转变压器环境适应性好，可靠性高精度较低，信号处理复杂光电编码器精度高，信号处理简单 环境适应性差，抗震性差，不适合大直径同轴测量光栅 精度高，信号处理简单，适合大直径同轴测量环境适应性差，抗震性差磁栅精度高，抗震性能好 磁滞效应存在，不适合电磁环境复杂的场合

通过以上几种角度传感器的比较可知，在使用环境较为恶劣、振动环境和电磁环境复杂的情况下，且要求角度传感器安装直径为1 m以上，并达到角秒级的测量精度时，选择一款适用的传感器非常困难。

2 钢栅尺

钢栅尺是基于带移动磁阻芯的变压器工作原理，变压器的一次绕组和二次绕组的互感系数随磁心的相对位置而改变。钢栅尺主要由平面线圈和测量尺组成，如图1所示。线圈结构中，有多个沿测量方向排列的绕组单元(每个主单元有一次和二次正弦/余弦线圈)，采用微型多层技术在基质上制成。测量尺是一根不锈钢钢带，上面有采用照相服饰刻制的高精密栅格。

当传感器构件(在读头中)和测量尺之间沿测量方向有相对运动时，每组线圈的互感信号会周期性的改变，从而产生2路相位差90°的正弦信号(正弦和余弦)。信号经放大电路(在读头中)处理后，与理想的正弦波的偏差(谐波含量)不超过0.1%。这样在后续数字化处理过程中就可以进行高倍的细分(进一步对信号进行细分)。增量式钢栅尺输出信号形式是正弦信号或方波信号，除输出周期性的正交信号(A、B及其反信号)外，也输出一路参考点信号，用于确定绝对位置，此信号产生于集成在测量尺上的单独的参考点栅格，无需任何附加部件。钢栅尺信号处理原理如图2所示。薄带式钢栅尺如图3所示。

图1 钢栅尺测量原理

图2 钢栅尺信号处理原理

图3 薄带式钢栅尺

钢栅尺的一个重要的工作特性就是不会引起任何的测量磁滞(机械间隙误差)，与磁系统不同，其高频变化的磁场抑制了材料的一切磁滞。这个也是钢栅尺和传统的磁栅磁之间的主要区别，它不会受到磁场的干扰，无磁滞反应。

另外，圆型钢栅尺的形式分为2种，一种是牢固嵌入测量法兰的，另一种是薄带式的。薄带式钢栅尺尤其适合应用在大直径安装要求的场合，通过过盈配合非常牢固地安装在测量轴上，无需任何其他安装附件。为了消除安装偏心造成的误差，还可以选择配置双读头或四读头，经信号处理盒处理后，可以消除安装偏心造成的测量系统误差。

3 应用

在某大型雷达姿态调整控制系统中，要求角度调整精度为0.01°。雷达承载重(90 t)，跨距大(1 m)，天线骨架刚性较差，因此，采用双机驱动形式，主轴直径达到1 m，为了实现雷达复杂环境下的高精度角度检测，选择与俯仰轴套轴安转的薄带式钢栅尺作为角度传感器。

钢栅尺为双读头系统，由钢栅尺、双读头和信号处理盒组成。由于钢栅尺读头与尺圈的距离要求控制在0.4 mm±0.2 mm范围内，而长达1 m的俯仰轴直径需要严格控制径向跳动，这样才能够保证钢栅尺的正常使用，为了消除跳动对测量的影响，特选用对称安装的双读头系统。使用双读头系统可以完全消除偏心率带来的误差，其测量精度相比单读头系统提高1倍。该型钢栅尺1圈输出了1 039 360个脉冲，每个脉冲对应的角度均为1.25 rad·s，且输出为A、B正交的两相脉冲，通过后面的伺服信号处理可以进一步倍频，获得0.3 rad·s的分辨率。为了消除增量脉冲计数的累积误差，钢栅尺还提供了一个参考点，伺服系统在每次获得该信号时即对计数器清零，保证计数误差不累积。

由于雷达跨距较大，且天线骨架刚性弱，系统采用了俯仰轴两边各配置1台电机同步驱动的方式[3]。很显然，如何实现双电机力矩均衡、速度同步，运转时不会对天线施加附加的扭力是伺服系统设计的关键。钢栅尺不仅起到了对俯仰角度高精度检测的作用，其另外一个重要的作用是，在转轴两边分别配置独立的钢栅尺测量系统，通过伺服控制器实时比较天线在运转过程中两边的计数值，作为2台电机是否同步的判断依据，根据失步的程度采取相应的调整措施，失步检测与调整系统组成如图4所示。

图4 钢栅尺失步检测与调整原理

特别注意的是，由于钢栅尺供电为直流5 V或直流24 V，而大型设备的伺服控制箱与钢栅尺之间的距离较远，如果直接由控制箱输出直流工作电压为钢栅尺供电，在大功率伺服电机工作时产生的较为严重的电磁干扰背景下，会造成传感器工作不正常，影响同步系统的正常工作。为了避免上述情况的发生，需要在传感器附近设置一个中转电源，由伺服控制箱输出交流220 V，经长距离传输后，送入中转电源变成直流5 V或直流24 V，再就近给钢栅尺供电。

4 结束语

钢栅尺作为一种新型的位移传感器，特别适用于恶劣环境下的高可靠测量要求，其不受安装尺寸限制的特性，更是为大直径回转角度高精度测量提供了很好的解决方案。目前，钢栅尺位移传感器已广泛应用于机床制造业，虽然在军工行业尚未有应用的公开报道，但可以为相关工程应用提供参考和借鉴。

[1] 杨广，刘芳，李德勇.磁栅尺的结构、特点及应用[J].传感器技术，1999(2)：53-54.

[2] 狄长安，王芳.现代新型传感器及其应用[M].北京：兵器工业出版社，2007.

[3] 汤辉，吴影生.双电机驱动精密二维测试转台伺服系统设计与实现[J].电子机械工程，2009,25(5)：38-40.

Application of Steel Grating Ruler in Angular Measuring for Great Axis of Radar

TANGHui，LIUZhe，NIRenpin

(No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088,China)

This Paper introduces a new transducer for length and angle measurements(the characteristic and principle of steel grating ruler based on inductance theory), lists the advantages and disadvantages of general angular transducers, and discusses the process of accurate angle measurements for great axis of radar by steel grating ruler.The engineering experience has proved that steel grating ruler is very suitable for large scale angle and length measurements with high precision.

steel grating ruler; angular transducer; radar

2014-07-08

TH712

A

1001-2257(2014)12-0074-03

汤辉(1980-)，男，安徽淮南人，高级工程师，主要从事雷达伺服系统研制开发工作。