基于电磁感应对航向传感器精度的影响分析

中国船舶重工集团公司第七一五研究所 赵 瑜 吴文福 高呈学

基于电磁感应对航向传感器精度的影响分析

中国船舶重工集团公司第七一五研究所 赵 瑜 吴文福 高呈学

航向传感器用于测量载体的实时动态航向角信息,为载体的运行状态提供方位基准.其核心芯片为基于MEMS技术的磁力仪、加速度计和陀螺仪组成,通过信息融合技术来解算实时航向信息.电磁感应对航向传感器内部磁力仪芯片的影响会导致航向角解算的误差,文中定量分析了电磁感应的影响大小,并给出了对比分析结论,对航向传感器精度的改善具有一定的参考价值.

航向传感器;电磁感应; MEMS;磁力仪

1 引言

航向传感器用于实时提供运载体的动态航向角信息,其基于微型的MEMS技术,使用一组三轴磁力仪、三轴加速度计和三轴陀螺仪来检测运动,融合多种传感数据,并通过一个实时机载扩展卡尔曼滤波器,使其在姿态和方位测量方面能提供无与伦比的精度.相比于电子罗盘而言,其通过去除瞬时加速度干扰,使其计算的航向精度得到很大的提高,并且能够全空间360°无死角安装和测量.电磁感应影响是指通电导体产生的电磁场对航向传感器精度的影响,其中产生的电磁场主要是对传感器内部的磁力仪芯片带来磁干扰,进而影响多种传感数据的融合解算.文中主要分析固定位置下,不同电流产生的磁感应对磁力仪芯片和航向角的影响,并且对比分析单股直导线和双绞直导线的影响大小和性能表现.

2 电流磁效应及磁场强度原理

电流磁效应是指任何通有电流的导线,都可以在其周围产生磁场的现象.在通电长直导线周围,产生磁场的磁力仪形状为以导线为圆心的封闭同心圆,且磁场方向与电流的方向相互垂直.

对于有限长直载流导线,磁场大小的解算方式如下,设定载流导线的长度用L表示,通电电流用I表示,与通电导线垂直距离为d的P点的磁场强度设为B,示意图如图1所示:

图1 有限长直载流导线磁感应强度示意图

上述为有限长直载流导线电流产生磁场强度的示意图,后续将根据实际测试结果来分析载流导线产生的磁场大小和对航向角的影响.

3 测试说明

测试的主要目的是分析通电电流产生的磁场对航向传感器的精度影响,因此需要用的主要设备包括稳压电源、航向传感器、采集系统、滑动变阻器、通电测试导线等.其中:

(1)航向传感器固定在磁环境稳定的平台上,周围无其它磁干扰影响;

(2)稳压电源分别为航向传感器和测试导线供电,并通过滑动变阻器和稳压电源的调节来给测试导线提供所需的电流;

(3)采集系统实时记录传感器内部磁力仪芯片的读数和航向角的读数;

(4)通电测试导线包含两种,分别为单股导线和双绞导线,用于电磁感应的测试对比,并且导线直接从传感器上方通过,沿传感器的前进方向步线.

(5)单股导线测试时,通过传感器上方的导线为其中一路,另一路由滑动变阻器端点引出,绕开传感器后到达稳压电源接线端,如上图所示;双绞线测试时,两路导线都通过传感器上方.

4 影响分析

测试过程中主要采用两种方式:单股导线的电磁影响、双绞线的电磁影响.通过调节滑动变阻器的滑片,使滑动变阻器的阻值固定在一个合适的大小,然后改变稳压电源的电压值,使通电导线的电流值根据需要来变动,测试过程中通过采集系统来记录磁力仪芯片的读数和航向角的读数值.

4.1 单股导线的电磁影响

航向传感器上方通过的导线为单股线,导线方向与磁力仪芯片的X轴方向平行,与Y轴、Z轴方向垂直,通电电流由0.0A变化到1.0A,当电流较小时以0.02A为一刻度,当电流较大时以0.05A为一刻度,如下为实际测试情况:

图2所示的上半部分为通电导线电流与传感器内部磁力仪芯片的电磁感应影响对比图,包括X轴、Y轴、Z轴和合成总场对比曲线,可得知:

(1)通电电流对磁力仪的X轴读数几乎无影响;

(2)通电电流与磁力仪Y轴、Z轴读数的影响基本成线性关系,电流越大,对磁力仪对应轴的影响越大;

(3)通电电流与磁力仪合成总场读数的影响基本成线性关系,电流越大,对磁力仪的影响越大.

图2 通电导线电流(单股线)与磁力仪各轴、航向角误差对比图

图2所示的下半部分为通电导线(单股线)电流与传感器航向角误差对比曲线图,由图2可知:

(1)随着通电导线电流的增大,传感器航向角的偏差也随之增大,两者基本呈线性关系;

(2)通过数据分析得出,当电流为0.08A时,航向角偏差为-0.85°;当电流为0.10A时,航向角偏差为-1.20°,因此对于采用单股导线而言,为了保证航向角影响误差小于1°范围,通过导线的电流不能超过0.08A,这在实际使用中实现较困难.

4.2 双绞线的电磁影响

航向传感器上方通过的导线为双绞线,两路导线的电流大小相等、方向相反.导线方向与磁力仪芯片的X轴方向平行,与Y轴、Z轴方向垂直,通电电流由0.0A变化到1.0A,当电流较小时以0.05A为一刻度,当电流较大时以0.10A为一刻度,如下为实际测试情况:

图3所示的上半部分为通电导线(双绞线)电流与传感器内部磁力仪芯片的电磁感应影响对比图,包括X轴、Y轴、Z轴和合成总场对比曲线,由上图可知:

(1)通电电流对磁力仪的X轴、Y轴和Z轴读数几乎无影响;

(2)通电电流对磁力仪合成总场读数几乎无影响,磁力仪读数不随通电电流的变化而变化,电流产生的磁场由于双绞线的原因而相互抵消.

图3 通电导线电流(双绞线)与磁力仪芯片各轴、航向角误差对比图

图3所示的下半部分为通电导线(双绞线)电流与传感器航向角误差对比曲线图,由图3可知:

(1)随着通电导线电流的增大,传感器航向角的读数基本不受影响,读数在-0.53°到+0.12°之间波动,属于航向角本身的解算误差;

(2)对于采用双绞线而言,为了保证航向角影响误差小于1°范围,通过导线的电流不受限制,这在实际使用中实现较容易.

5 结论

基于电磁感应对航向传感器航向角精度的影响分析可知:

(1)当经过航向传感器上方的通电导线为单股线时,导线电流的大小会直接对航向角产生干扰,电流越大,干扰越大,为了保证干扰影响小于1°范围,导线电流大小不能超过0.08A,在实际使用时实现较困难;

(2)当经过航向传感器上方的通电导线为双绞线时,导线电流的大小不会对航向角产生干扰,两路导线电流产生的磁场大小相等、方向相反,从而相互抵消,对航向角不产生干扰,导线电流的大小不受限制,

(3)通过上述试验分析可知,双绞线的性能和使用限制要远远优于单股导线,实际使用时应优先考虑.

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赵瑜(1986-),男,工程师,研究方向:航向传感器开发.