鋼柵尺在大型雷達回轉(zhuǎn)軸角度測量中的應(yīng)用

， ，

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

鋼柵尺在大型雷達回轉(zhuǎn)軸角度測量中的應(yīng)用

湯輝，劉喆，倪仁品

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

介紹了新型角度和直線位移傳感器(基于電感式的鋼柵尺應(yīng)用特點和工作原理)，對比了常用角度傳感器的優(yōu)缺點，論述了某大型雷達俯仰軸采用鋼柵尺作為檢測元件實現(xiàn)高精度仰角測量的過程。實踐證明，鋼柵尺作為一種新型的測量傳感器，特別適合應(yīng)用于大尺寸高精度的角度和直線位移檢測。

鋼柵尺；角度傳感器；雷達

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和水平的提高，對回轉(zhuǎn)機構(gòu)或軸的角度在線測量精度要求也越來越高。目前，應(yīng)用較為普遍的角度檢測傳感器有旋轉(zhuǎn)變壓器、自整角機、光電編碼器、感應(yīng)同步器和光柵和磁柵等。近些年，又出現(xiàn)了諸如時柵、鋼柵尺等高精度的檢測手段，而這些不同種類的角度傳感器，均有各自的優(yōu)缺點和應(yīng)用場合。某大型雷達俯仰轉(zhuǎn)軸直徑達到1 m，要求仰角控制精度為0.01 °，根據(jù)經(jīng)驗，同軸安裝的傳感器檢測精度至少為5″。下面在分析各種傳感器優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，著重介紹一種新型角度傳感器(基于電感式的鋼柵尺)，以及其在某大型雷達俯仰軸角度測量中的應(yīng)用情況。

1 角度傳感器

在閉環(huán)或半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，安裝在回轉(zhuǎn)軸上角度傳感器產(chǎn)生的反饋信號的質(zhì)量對整個控制系統(tǒng)品質(zhì)起到?jīng)Q定性的作用，傳感器的安裝特性、環(huán)境適應(yīng)特性也是其能否應(yīng)用的重要因素。所以在進行控制系統(tǒng)設(shè)計時，如何選擇合適的角度檢測元件是非常重要的問題。幾種常用角度傳感器的優(yōu)缺點的對比如表1所示[1-2]。

表1 常用角度傳感器比較

名 稱優(yōu) 點缺 點旋轉(zhuǎn)變壓器環(huán)境適應(yīng)性好，可靠性高精度較低，信號處理復(fù)雜光電編碼器精度高，信號處理簡單 環(huán)境適應(yīng)性差，抗震性差，不適合大直徑同軸測量光柵 精度高，信號處理簡單，適合大直徑同軸測量環(huán)境適應(yīng)性差，抗震性差磁柵精度高，抗震性能好 磁滯效應(yīng)存在，不適合電磁環(huán)境復(fù)雜的場合

通過以上幾種角度傳感器的比較可知，在使用環(huán)境較為惡劣、振動環(huán)境和電磁環(huán)境復(fù)雜的情況下，且要求角度傳感器安裝直徑為1 m以上，并達到角秒級的測量精度時，選擇一款適用的傳感器非常困難。

2 鋼柵尺

鋼柵尺是基于帶移動磁阻芯的變壓器工作原理，變壓器的一次繞組和二次繞組的互感系數(shù)隨磁心的相對位置而改變。鋼柵尺主要由平面線圈和測量尺組成，如圖1所示。線圈結(jié)構(gòu)中，有多個沿測量方向排列的繞組單元(每個主單元有一次和二次正弦/余弦線圈)，采用微型多層技術(shù)在基質(zhì)上制成。測量尺是一根不銹鋼鋼帶，上面有采用照相服飾刻制的高精密柵格。

當(dāng)傳感器構(gòu)件(在讀頭中)和測量尺之間沿測量方向有相對運動時，每組線圈的互感信號會周期性的改變，從而產(chǎn)生2路相位差90°的正弦信號(正弦和余弦)。信號經(jīng)放大電路(在讀頭中)處理后，與理想的正弦波的偏差(諧波含量)不超過0.1%。這樣在后續(xù)數(shù)字化處理過程中就可以進行高倍的細分(進一步對信號進行細分)。增量式鋼柵尺輸出信號形式是正弦信號或方波信號，除輸出周期性的正交信號(A、B及其反信號)外，也輸出一路參考點信號，用于確定絕對位置，此信號產(chǎn)生于集成在測量尺上的單獨的參考點柵格，無需任何附加部件。鋼柵尺信號處理原理如圖2所示。薄帶式鋼柵尺如圖3所示。

圖1 鋼柵尺測量原理

圖2 鋼柵尺信號處理原理

圖3 薄帶式鋼柵尺

鋼柵尺的一個重要的工作特性就是不會引起任何的測量磁滯(機械間隙誤差)，與磁系統(tǒng)不同，其高頻變化的磁場抑制了材料的一切磁滯。這個也是鋼柵尺和傳統(tǒng)的磁柵磁之間的主要區(qū)別，它不會受到磁場的干擾，無磁滯反應(yīng)。

另外，圓型鋼柵尺的形式分為2種，一種是牢固嵌入測量法蘭的，另一種是薄帶式的。薄帶式鋼柵尺尤其適合應(yīng)用在大直徑安裝要求的場合，通過過盈配合非常牢固地安裝在測量軸上，無需任何其他安裝附件。為了消除安裝偏心造成的誤差，還可以選擇配置雙讀頭或四讀頭，經(jīng)信號處理盒處理后，可以消除安裝偏心造成的測量系統(tǒng)誤差。

3 應(yīng)用

在某大型雷達姿態(tài)調(diào)整控制系統(tǒng)中，要求角度調(diào)整精度為0.01°。雷達承載重(90 t)，跨距大(1 m)，天線骨架剛性較差，因此，采用雙機驅(qū)動形式，主軸直徑達到1 m，為了實現(xiàn)雷達復(fù)雜環(huán)境下的高精度角度檢測，選擇與俯仰軸套軸安轉(zhuǎn)的薄帶式鋼柵尺作為角度傳感器。

鋼柵尺為雙讀頭系統(tǒng)，由鋼柵尺、雙讀頭和信號處理盒組成。由于鋼柵尺讀頭與尺圈的距離要求控制在0.4 mm±0.2 mm范圍內(nèi)，而長達1 m的俯仰軸直徑需要嚴(yán)格控制徑向跳動，這樣才能夠保證鋼柵尺的正常使用，為了消除跳動對測量的影響，特選用對稱安裝的雙讀頭系統(tǒng)。使用雙讀頭系統(tǒng)可以完全消除偏心率帶來的誤差，其測量精度相比單讀頭系統(tǒng)提高1倍。該型鋼柵尺1圈輸出了1 039 360個脈沖，每個脈沖對應(yīng)的角度均為1.25 rad·s，且輸出為A、B正交的兩相脈沖，通過后面的伺服信號處理可以進一步倍頻，獲得0.3 rad·s的分辨率。為了消除增量脈沖計數(shù)的累積誤差，鋼柵尺還提供了一個參考點，伺服系統(tǒng)在每次獲得該信號時即對計數(shù)器清零，保證計數(shù)誤差不累積。

由于雷達跨距較大，且天線骨架剛性弱，系統(tǒng)采用了俯仰軸兩邊各配置1臺電機同步驅(qū)動的方式[3]。很顯然，如何實現(xiàn)雙電機力矩均衡、速度同步，運轉(zhuǎn)時不會對天線施加附加的扭力是伺服系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。鋼柵尺不僅起到了對俯仰角度高精度檢測的作用，其另外一個重要的作用是，在轉(zhuǎn)軸兩邊分別配置獨立的鋼柵尺測量系統(tǒng)，通過伺服控制器實時比較天線在運轉(zhuǎn)過程中兩邊的計數(shù)值，作為2臺電機是否同步的判斷依據(jù)，根據(jù)失步的程度采取相應(yīng)的調(diào)整措施，失步檢測與調(diào)整系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 鋼柵尺失步檢測與調(diào)整原理

特別注意的是，由于鋼柵尺供電為直流5 V或直流24 V，而大型設(shè)備的伺服控制箱與鋼柵尺之間的距離較遠，如果直接由控制箱輸出直流工作電壓為鋼柵尺供電，在大功率伺服電機工作時產(chǎn)生的較為嚴(yán)重的電磁干擾背景下，會造成傳感器工作不正常，影響同步系統(tǒng)的正常工作。為了避免上述情況的發(fā)生，需要在傳感器附近設(shè)置一個中轉(zhuǎn)電源，由伺服控制箱輸出交流220 V，經(jīng)長距離傳輸后，送入中轉(zhuǎn)電源變成直流5 V或直流24 V，再就近給鋼柵尺供電。

4 結(jié)束語

鋼柵尺作為一種新型的位移傳感器，特別適用于惡劣環(huán)境下的高可靠測量要求，其不受安裝尺寸限制的特性，更是為大直徑回轉(zhuǎn)角度高精度測量提供了很好的解決方案。目前，鋼柵尺位移傳感器已廣泛應(yīng)用于機床制造業(yè)，雖然在軍工行業(yè)尚未有應(yīng)用的公開報道，但可以為相關(guān)工程應(yīng)用提供參考和借鑒。

[1] 楊廣，劉芳，李德勇.磁柵尺的結(jié)構(gòu)、特點及應(yīng)用[J].傳感器技術(shù)，1999(2)：53-54.

[2] 狄長安，王芳.現(xiàn)代新型傳感器及其應(yīng)用[M].北京：兵器工業(yè)出版社，2007.

[3] 湯輝，吳影生.雙電機驅(qū)動精密二維測試轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子機械工程，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

湯輝(1980-)，男，安徽淮南人，高級工程師，主要從事雷達伺服系統(tǒng)研制開發(fā)工作。