基于地磁測量的彈體滾轉角測量系統設計
加入技術(shù)交流群
縱觀(guān)國內外各種不同的制導技術(shù)和彈道修正技術(shù)．最關(guān)鍵的一點(diǎn)總是離不開(kāi)實(shí)時(shí)獲取與利用精確的彈道參數．尤其以姿態(tài)數據的獲取最為重要。只有實(shí)時(shí)準確地獲取了有用的彈道參數，才能正確解算出彈道偏差，進(jìn)而確定修正力系以及修正時(shí)機，提高彈道修正彈的精度。
當前國內外測量滾轉姿態(tài)的方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：利用GPS測量精度高，但是易受?chē)饧夹g(shù)封鎖；利用太陽(yáng)方位角遙測法的成本比較高，不可能在現有彈藥的基礎上大量裝備：而利用加速度計測量方法產(chǎn)生的初始對準誤差有積累效應．目前仍未能有效解決。因此，研制能有效提高彈體滾轉姿態(tài)探測精度、抗高過(guò)載并能充分利用現有彈藥的方法及組件迫在眉睫。而利用地磁場(chǎng)為參考進(jìn)行探測，原理簡(jiǎn)單，可以全天候工作，抗高過(guò)載能力強，同時(shí)具有好的頻響，是實(shí)現上述要求的最好途徑之一。
地磁導航(GNS)具有隱蔽性能好、即開(kāi)即用、誤差不隨時(shí)間積累等特點(diǎn)，可以彌補慣性導航長(cháng)期誤差積累的不足。這里借鑒磁航向系統的研究成果，將地磁場(chǎng)矢量作為彈體滾轉測量的基準矢量，進(jìn)而解算彈體的滾轉角。地磁傳感器種類(lèi)很多，其中磁阻傳感器(MR)具有抗過(guò)載能力強、精度高、體積小、重量輕、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，適合作為彈載測量工具。
2 磁傳感器選擇
2．1 磁傳感器
(1)磁通門(mén)傳感器 磁通門(mén)磁強計是測量磁場(chǎng)強度的一種傳感器，其測量原理是通過(guò)對被測磁場(chǎng)的磁通進(jìn)行調制獲得一個(gè)反映被測磁場(chǎng)強度的交變信號。磁通門(mén)可以在制造工藝上使其非常敏感，分辨率最低為1μO(píng)e，可以測量直流或交流磁場(chǎng)頻率的上限約為10 kHz。它們的尺寸規格較大，價(jià)格昂貴。
(2)霍爾效應磁傳感器 100多年前發(fā)現的霍爾效應，由于一般材料的霍爾系數都很小而難以應用，直到半導體問(wèn)世后才真正用于磁場(chǎng)測量。其優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，功耗小，價(jià)格便宜，接口電路簡(jiǎn)單，特別適用于強磁場(chǎng)的測量。但是，它又有靈敏度低，噪聲大，溫度性能差等缺點(diǎn)。雖然有些高靈敏度或采取了聚磁措施的霍爾器件也能用于測量地磁場(chǎng)．但一般都是用于要求不高的場(chǎng)合。
(3)磁阻傳感器 是利用合金電阻對某一個(gè)方向磁場(chǎng)敏感的原理制成。采用MR傳感器進(jìn)行探測有下列優(yōu)點(diǎn)：尺寸小，高靈敏度，內阻抗小，使其對電磁噪聲和干擾不敏感：無(wú)轉動(dòng)部件，使其具有高可靠性；部件能方便地裝入插板產(chǎn)品中，而使實(shí)施成本降低；成本低、精度高、響應速度快、無(wú)漂移誤差、抗沖擊抗過(guò)載能力強等。
(4)巨磁阻效應傳感器 巨磁阻效應(GMR)是最近才發(fā)現的現象，它基于電子通過(guò)數層疊層，非常薄的鐵磁層和非磁性層(25~50埃)之間的界面散射。當兩個(gè)相鄰的鐵磁層有反向磁化強度時(shí)，電阻要高于它們在同一方向上的磁化強度矢量。迄今為止，GMR效應需要工作在高強度的磁場(chǎng)并伴有高分貝噪聲，這使得它不能應用于大范圍的傳感器產(chǎn)品中。電阻變化所需的磁場(chǎng)變化需從10 0e到幾千0e，而靈敏度尚未達到MR或磁通門(mén)裝置的靈敏度。但正繼續朝著(zhù)開(kāi)發(fā)更低磁場(chǎng)的方向發(fā)展。
綜上所述，該地磁測量系統中，選用磁阻傳感器作為地磁測量元件最為合適。
2．2 磁阻傳感器
磁阻傳感器是利用合金電阻對某一個(gè)方向磁場(chǎng)敏感的原理制成。由于磁阻傳感器本身是固態(tài)，電阻的體積可以做的很小且沒(méi)有活動(dòng)部件，功耗也很低，配合選用體積小、功耗低的外圍器件，可以將探測系統微型化，已經(jīng)有逐步取代磁通門(mén)的趨勢。因此，非常適用于制導火箭彈系統進(jìn)行地磁矢量測量。各向異性磁阻傳感器是根據在鐵磁性材料中會(huì )發(fā)生磁阻的非均質(zhì)現象研制的，在硅襯底上制作4個(gè)相同的鐵鎳合金帶形成惠斯通電橋，其具體工作原理如圖1所示。
用4個(gè)磁控電阻器制成的惠斯通電橋帶有供電電壓Ub，使電流通過(guò)電阻器。電阻器是同一結構材料，則4個(gè)電阻器的電阻是相同的，阻值為R。如圖1所示箭頭方向給電阻器施加正交偏置磁場(chǎng)，會(huì )導致電阻器發(fā)生磁化，進(jìn)而發(fā)生阻值的改變。同向放置的兩個(gè)電阻器阻值增加△R，另兩個(gè)與其相反放置的電阻器阻值減小△R。電橋輸出為：
在外磁場(chǎng)的作用下，內部磁阻的變化引起輸出管腳0UT+，0UT一兩端電壓的變化，其電壓的幅值表示所測磁場(chǎng)的強度。如果將三維磁阻傳感器按照載體三維坐標系安裝，通過(guò)測量載體空間磁場(chǎng)的三維磁感應強度，按照一定的算法就可以計算出載體在空間的姿態(tài)信息。
3 捷聯(lián)式MR測角系統設計
3．1 主要技術(shù)指標
該測試系統要求對旋轉軸對稱(chēng)彈丸的滾轉姿態(tài)參數實(shí)現實(shí)時(shí)準確的測量。測角系統所要達到的技術(shù)指標要求如下：
(1)滾轉角速率 0～30 r／s
(2)測量范圍 0°～360°
(3)測量精度 l°
(4)響應時(shí)間40μs
(5)溫度范圍 一40℃～85℃
(6)電源 ±15 V．0．5 A
3．2 磁信號采集系統設計
滾轉角測量系統由兩個(gè)Honeywell磁阻傳感器HMCl052、電源轉換電路、信號調理電路、微控制器電路、S／R校準電路等組成，如圖2所示。
電源轉換電路給磁阻傳感器和測量系統工作提供必須的直流穩定電壓，選用AD680作為基準電源。
信號調理電路包括信號放大和低通濾波兩部分。由于傳感器的橋壓為5 V，地磁場(chǎng)的典型值為0．5～0．6 Guass，則由傳感器輸出特性曲線(xiàn)可知在磁場(chǎng)范圍為±2 Guass時(shí)輸出電壓信號為±20 mV，這么微弱的信號須經(jīng)過(guò)放大才能傳給后續電路。故需要采用高精度運算放大器或測量放大器。這里設計選用美國模擬器件公司的儀表放大器AMP04，并由AD680提供給放大器2．5 V的基準電壓。
直接輸出的信號含有大量的干擾“毛刺”，若采用大量的軟件濾波會(huì )增加系統的開(kāi)銷(xiāo)，降低系統的實(shí)時(shí)性。因此，對傳感器輸出低通濾波后，才進(jìn)行數據采集。這里選用MAX291，它是一個(gè)8階低通Butterworth型濾波器。
模擬濾波后的數據經(jīng)過(guò)A／D轉換為數字信號送入DSP處理。要求在規定的時(shí)間間隔內完成對信號的采集和處理，包括以下幾部分：三通道信號的采集、信號的數字濾波、誤差的自動(dòng)補償、滾轉角的解算以及信號的存儲。對CPU提出很高的要求，因此必須采用高速度的數字信號處理器?？紤]后續對脈沖發(fā)動(dòng)機實(shí)時(shí)控制的方便性，同時(shí)考慮系統的算法和精度要求，設計選用最佳測控應用的定點(diǎn)DSP器件TMS320VC5416。
評論