電磁干擾對姿態(tài)傳感器穩(wěn)定性分析

白萬民，趙傳超

（西安工業(yè)大學，西安 710021）

電磁干擾對姿態(tài)傳感器穩(wěn)定性分析

白萬民，趙傳超

（西安工業(yè)大學，西安 710021）

針對生產(chǎn)制造中無法在外界電磁輻射（EMR）環(huán)境下對姿態(tài)傳感器穩(wěn)定性檢測的問題，提出了一種新的穩(wěn)定性分析方法：通過整體電磁仿真得到不同材料元器件輻射強度，再進行區(qū)域模塊分析。運用仿真建模方法對姿態(tài)傳感器主板進行全波電磁干擾仿真，運用仿真軟件對仿真結果分析和驗證，完成姿態(tài)傳感器受電磁輻射的穩(wěn)定性分析。運用LabVIEW軟件編寫構造虛擬檢測儀器，將驗證后的電磁干擾響應數(shù)據(jù)與姿態(tài)傳感器輸出數(shù)據(jù)疊加并顯示在人機交互界面中，最終實現(xiàn)對姿態(tài)傳感器在電磁干擾環(huán)境下的智能檢測。

姿態(tài)傳感器；電磁輻射；穩(wěn)定性；LabVIEW

0 引言

隨著現(xiàn)代電子技術的發(fā)展，戰(zhàn)場作戰(zhàn)環(huán)境已經(jīng)充斥著各種各樣電磁場，其中人為地電磁干擾、電磁輻射是對戰(zhàn)場電子設備最大的威脅之一[1～3]。姿態(tài)傳感器用于檢測自行火炮的角度，要求在電磁干擾影響下穩(wěn)定性非常好。姿態(tài)傳感器作為檢測自行火炮車身與水平面角度的主要器件，抗外界電磁干擾的能力尤其顯得更加重要。現(xiàn)在制作過程中對姿態(tài)傳感器的抗電磁輻射檢測主要停留在自身的電磁兼容設計中，外界電磁輻射對姿態(tài)傳感器的影響主要還是通過實際加載相應功率、頻率特性、相同能量的電磁場來對傳感器輸出結果測定；這種直接在現(xiàn)實電磁環(huán)境中的檢測方法較準確，但是相應的代價高，操作繁瑣，甚至有些時候代價極高，比如對抗電磁脈沖的檢測時，不僅代價高，而且不容易連續(xù)檢測。通過分析以上問題，姿態(tài)傳感器主板尺寸小，元器件數(shù)量相對較少，可以通過建模仿真的方法對姿態(tài)傳感器的抗電磁輻射性能進行檢測，進而進行誤差的補償。

本文通過FIT方法模擬在不同頻率下的電磁場在主板上產(chǎn)生的耦合磁場的強度分布，通過改變不同角度的電磁照射得到最強的耦合磁場，然后通過電磁仿真軟件對主板上不同耦合場強、不同材料的元器件進行電磁仿真，最后根據(jù)整體電路原理圖對干擾結果疊加，得出干擾極限，通過LabVIEW編程將不同頻率電磁干擾極限與姿態(tài)傳感器的輸出結果疊加并顯示在人機交互界面中，從而實現(xiàn)對姿態(tài)傳感器在電磁干擾下的穩(wěn)定性檢測。

1 姿態(tài)傳感器主板的模型

本文以XGZT-III型姿態(tài)傳感器的主板為研究對象，該型號的姿態(tài)傳感器主板在設計時僅僅考慮了自身電磁兼容的問題，主板實際尺寸為75mm×75mm。通過掃描運用Solidworks軟件對主板上的元器件進行建模，導入電磁仿真軟件后，對各個元器件的材料以及電導率等參數(shù)進行定義設置。姿態(tài)傳感器和主板幾何模型分別如圖1和圖2所示。

圖1 XGZT-III型姿態(tài)傳感器

圖2 姿態(tài)傳感器主板幾何模型

2 電磁仿真分析

通過FIT方法對上述主板幾何模型進行外界電磁輻射的仿真，模擬姿態(tài)傳感器主板耦合電磁場的分布，經(jīng)過模擬實驗得到：當電磁入射角為90°時耦合電磁場最強。要求姿態(tài)傳感器在高頻電磁輻射環(huán)境中有很好的穩(wěn)定性，本文設置的模擬頻率范圍是0GHz～18GHz。圖3～圖6分別是模擬外界電磁輻射頻率為1GHz、9GHz、15GHz、18GHz的耦合電磁場強度分布。

圖3 f=1GHz

圖4 f=9GHz

圖5 f=15GHz

圖6 f=18GHz

由上圖分析可知，頻率不同的外界電磁輻射在姿態(tài)傳感器主板上產(chǎn)生的耦合電磁場的整體分布基本相同，但是耦合磁場的強度并不是隨著頻率的增高而增強，相互之間并不存在著明顯的簡單函數(shù)關系。經(jīng)過大量實驗分析耦合磁場的強度與外界電磁輻射頻率的關系如圖7所示。由圖7知外界電磁輻射頻率在4GHz～5GHz之間時，耦合電場最強。

圖7 耦合電磁場強度與外界電磁輻射頻率關系

由圖3～圖6耦合電場分布知，姿態(tài)傳感器主板電容、電阻、電感及變壓器元器件是受外界電磁輻射影響較大的區(qū)域。這些元器件在高頻電磁輻射照射下的特性與常態(tài)理想的特性完全不同[4]，在高頻電磁場環(huán)境中，電容的高頻特性是電阻、電感和電容的串聯(lián)，電阻的高頻特性是電阻與電容并聯(lián)后再與電感串聯(lián)，電感的高頻特性是電阻與電感并聯(lián)后再與電容串聯(lián)；變壓器則是電阻、電感（互感線圈）和電容的組合；元器件理想特性與高頻特性對比如表1所示。

表1 元器件理想特性與高頻特性

按照表中各類元器件的高頻特性對每一個元器件進行區(qū)域性電磁輻射仿真，得出外界電磁輻射對元器件相應的感應電流；在仿真軟件中，導入姿態(tài)傳感器PCB板主電路，按照姿態(tài)傳感器電路原理圖[5]，在相應的元器件輸出端補償由外界電磁輻射感應出的電流，將所有元器件的感應電流全部補償并疊加到電路中，在姿態(tài)傳感器的輸出端得到總的感應電流，完成對姿態(tài)傳感器的外界電磁輻射仿真。姿態(tài)傳感器PCB板仿真如圖8所示。

圖8 PCB仿真

完成所有電磁輻射仿真后，運用LabVIEW軟件編寫基于姿態(tài)傳感器的虛擬檢測儀器[6,7]。通過RS-232串口與USB串口的轉換實現(xiàn)姿態(tài)傳感器與計算機的數(shù)據(jù)傳輸。在虛擬檢測儀器后臺程序中將姿態(tài)傳感器輸出端口的數(shù)據(jù)與外界電磁輻射的仿真數(shù)據(jù)疊加后顯示在虛擬儀器人機交互界面中，可以方便數(shù)據(jù)提取分析，數(shù)據(jù)的顯示如圖9所示。

本課題在研究中，為了方便對數(shù)據(jù)的查看和后期處理，將采集的數(shù)據(jù)進行了錄入數(shù)據(jù)庫處理，由于每次檢測時的數(shù)據(jù)量不是很大，這里選用ACCESS數(shù)據(jù)庫儲存檢測數(shù)據(jù)。當需要對數(shù)據(jù)查看分析時，不需要在數(shù)據(jù)庫中查看和操作，可以直接在虛擬人機交互界面中調(diào)取指定的數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)庫的調(diào)取如圖10所示。分析圖10中的數(shù)據(jù)知，姿態(tài)傳感器兩軸角度值都在規(guī)定的穩(wěn)定誤差范圍內(nèi)（誤差σ＜0.06°），驗證了本課題所研究的方法可行。

3 結論

虛擬儀器與仿真技術創(chuàng)新性結合，通過本課題的研究，解決了姿態(tài)傳感器在生產(chǎn)制作階段無法進行外界電磁輻射穩(wěn)定性分析的問題；在實驗室和出廠之前就對姿態(tài)傳感器的電磁干擾穩(wěn)定性進行校正和補償，而不是在自行火炮安裝前進行實際的電磁環(huán)境檢驗，提高了出廠合格率，同時也節(jié)省了實際電磁環(huán)境檢驗的資金。本課題所提出的虛擬智能檢測方法還為后期姿態(tài)傳感器誤差補償儲備了大量的數(shù)據(jù)，為進一步分析提供了可行性。除此之外，這種外界電磁輻射仿真方法不僅僅適用于本課題中的姿態(tài)傳感器的穩(wěn)定性分析，還適用于很多需要考慮外界電磁輻射影響因素的電子產(chǎn)品的分析，實際應用價值高。

圖9 虛擬儀器數(shù)據(jù)顯示

圖10 數(shù)據(jù)庫信息

[1] 古小明,周克勝,朱居瑩.戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境[J].四川兵工學報,2009(08).

[2] 楊智敏,富春江,于學偉.炮兵戰(zhàn)場電磁環(huán)境[J].四川兵工學報,2010,(02).

[3] 解向軍,鄭敏,徐宏偉.戰(zhàn)場電磁環(huán)境分析[J].飛機設計,2013,(04).

[4] 葛晶晶,姚竹亭,甄曉輝.電磁兼容設計在電子武器和裝備中的應用[J].火力與指揮控制,2010,(04).

[5] 賈培剛,劉曉武.基于MEMS陀螺儀的三維姿態(tài)傳感器的設計[D].西安工業(yè)大學:TP212.

[6] 秦樹人主編.虛擬儀器[M].中國計量出版社,2004.

[7] 劉君華,等.虛擬儀器圖形化編程語言LabVIEW教程[M].西安電子科技大學出版社,2001.

Stability analysis of electromagnetic interference on attitude sensor

BAI Wan-min, ZHAO Chuan-chao

TP202+.1

A

1009-0134(2017)04-0070-03

2017-01-03

白萬民（1959 -），男，陜西人，碩士，研究方式為計算機應用技術。