电磁干扰对姿态传感器稳定性分析

白万民，赵传超

（西安工业大学，西安 710021）

电磁干扰对姿态传感器稳定性分析

白万民，赵传超

（西安工业大学，西安 710021）

针对生产制造中无法在外界电磁辐射（EMR）环境下对姿态传感器稳定性检测的问题，提出了一种新的稳定性分析方法：通过整体电磁仿真得到不同材料元器件辐射强度，再进行区域模块分析。运用仿真建模方法对姿态传感器主板进行全波电磁干扰仿真，运用仿真软件对仿真结果分析和验证，完成姿态传感器受电磁辐射的稳定性分析。运用LabVIEW软件编写构造虚拟检测仪器，将验证后的电磁干扰响应数据与姿态传感器输出数据叠加并显示在人机交互界面中，最终实现对姿态传感器在电磁干扰环境下的智能检测。

姿态传感器；电磁辐射；稳定性；LabVIEW

0 引言

随着现代电子技术的发展，战场作战环境已经充斥着各种各样电磁场，其中人为地电磁干扰、电磁辐射是对战场电子设备最大的威胁之一[1～3]。姿态传感器用于检测自行火炮的角度，要求在电磁干扰影响下稳定性非常好。姿态传感器作为检测自行火炮车身与水平面角度的主要器件，抗外界电磁干扰的能力尤其显得更加重要。现在制作过程中对姿态传感器的抗电磁辐射检测主要停留在自身的电磁兼容设计中，外界电磁辐射对姿态传感器的影响主要还是通过实际加载相应功率、频率特性、相同能量的电磁场来对传感器输出结果测定；这种直接在现实电磁环境中的检测方法较准确，但是相应的代价高，操作繁琐，甚至有些时候代价极高，比如对抗电磁脉冲的检测时，不仅代价高，而且不容易连续检测。通过分析以上问题，姿态传感器主板尺寸小，元器件数量相对较少，可以通过建模仿真的方法对姿态传感器的抗电磁辐射性能进行检测，进而进行误差的补偿。

本文通过FIT方法模拟在不同频率下的电磁场在主板上产生的耦合磁场的强度分布，通过改变不同角度的电磁照射得到最强的耦合磁场，然后通过电磁仿真软件对主板上不同耦合场强、不同材料的元器件进行电磁仿真，最后根据整体电路原理图对干扰结果叠加，得出干扰极限，通过LabVIEW编程将不同频率电磁干扰极限与姿态传感器的输出结果叠加并显示在人机交互界面中，从而实现对姿态传感器在电磁干扰下的稳定性检测。

1 姿态传感器主板的模型

本文以XGZT-III型姿态传感器的主板为研究对象，该型号的姿态传感器主板在设计时仅仅考虑了自身电磁兼容的问题，主板实际尺寸为75mm×75mm。通过扫描运用Solidworks软件对主板上的元器件进行建模，导入电磁仿真软件后，对各个元器件的材料以及电导率等参数进行定义设置。姿态传感器和主板几何模型分别如图1和图2所示。

图1 XGZT-III型姿态传感器

图2 姿态传感器主板几何模型

2 电磁仿真分析

通过FIT方法对上述主板几何模型进行外界电磁辐射的仿真，模拟姿态传感器主板耦合电磁场的分布，经过模拟实验得到：当电磁入射角为90°时耦合电磁场最强。要求姿态传感器在高频电磁辐射环境中有很好的稳定性，本文设置的模拟频率范围是0GHz～18GHz。图3～图6分别是模拟外界电磁辐射频率为1GHz、9GHz、15GHz、18GHz的耦合电磁场强度分布。

图3 f=1GHz

图4 f=9GHz

图5 f=15GHz

图6 f=18GHz

由上图分析可知，频率不同的外界电磁辐射在姿态传感器主板上产生的耦合电磁场的整体分布基本相同，但是耦合磁场的强度并不是随着频率的增高而增强，相互之间并不存在着明显的简单函数关系。经过大量实验分析耦合磁场的强度与外界电磁辐射频率的关系如图7所示。由图7知外界电磁辐射频率在4GHz～5GHz之间时，耦合电场最强。

图7 耦合电磁场强度与外界电磁辐射频率关系

由图3～图6耦合电场分布知，姿态传感器主板电容、电阻、电感及变压器元器件是受外界电磁辐射影响较大的区域。这些元器件在高频电磁辐射照射下的特性与常态理想的特性完全不同[4]，在高频电磁场环境中，电容的高频特性是电阻、电感和电容的串联，电阻的高频特性是电阻与电容并联后再与电感串联，电感的高频特性是电阻与电感并联后再与电容串联；变压器则是电阻、电感（互感线圈）和电容的组合；元器件理想特性与高频特性对比如表1所示。

表1 元器件理想特性与高频特性

按照表中各类元器件的高频特性对每一个元器件进行区域性电磁辐射仿真，得出外界电磁辐射对元器件相应的感应电流；在仿真软件中，导入姿态传感器PCB板主电路，按照姿态传感器电路原理图[5]，在相应的元器件输出端补偿由外界电磁辐射感应出的电流，将所有元器件的感应电流全部补偿并叠加到电路中，在姿态传感器的输出端得到总的感应电流，完成对姿态传感器的外界电磁辐射仿真。姿态传感器PCB板仿真如图8所示。

图8 PCB仿真

完成所有电磁辐射仿真后，运用LabVIEW软件编写基于姿态传感器的虚拟检测仪器[6,7]。通过RS-232串口与USB串口的转换实现姿态传感器与计算机的数据传输。在虚拟检测仪器后台程序中将姿态传感器输出端口的数据与外界电磁辐射的仿真数据叠加后显示在虚拟仪器人机交互界面中，可以方便数据提取分析，数据的显示如图9所示。

本课题在研究中，为了方便对数据的查看和后期处理，将采集的数据进行了录入数据库处理，由于每次检测时的数据量不是很大，这里选用ACCESS数据库储存检测数据。当需要对数据查看分析时，不需要在数据库中查看和操作，可以直接在虚拟人机交互界面中调取指定的数据信息；数据库的调取如图10所示。分析图10中的数据知，姿态传感器两轴角度值都在规定的稳定误差范围内（误差σ＜0.06°），验证了本课题所研究的方法可行。

3 结论

虚拟仪器与仿真技术创新性结合，通过本课题的研究，解决了姿态传感器在生产制作阶段无法进行外界电磁辐射稳定性分析的问题；在实验室和出厂之前就对姿态传感器的电磁干扰稳定性进行校正和补偿，而不是在自行火炮安装前进行实际的电磁环境检验，提高了出厂合格率，同时也节省了实际电磁环境检验的资金。本课题所提出的虚拟智能检测方法还为后期姿态传感器误差补偿储备了大量的数据，为进一步分析提供了可行性。除此之外，这种外界电磁辐射仿真方法不仅仅适用于本课题中的姿态传感器的稳定性分析，还适用于很多需要考虑外界电磁辐射影响因素的电子产品的分析，实际应用价值高。

图9 虚拟仪器数据显示

图10 数据库信息

[1] 古小明,周克胜,朱居莹.战场复杂电磁环境[J].四川兵工学报,2009(08).

[2] 杨智敏,富春江,于学伟.炮兵战场电磁环境[J].四川兵工学报,2010,(02).

[3] 解向军,郑敏,徐宏伟.战场电磁环境分析[J].飞机设计,2013,(04).

[4] 葛晶晶,姚竹亭,甄晓辉.电磁兼容设计在电子武器和装备中的应用[J].火力与指挥控制,2010,(04).

[5] 贾培刚,刘晓武.基于MEMS陀螺仪的三维姿态传感器的设计[D].西安工业大学:TP212.

[6] 秦树人主编.虚拟仪器[M].中国计量出版社,2004.

[7] 刘君华,等.虚拟仪器图形化编程语言LabVIEW教程[M].西安电子科技大学出版社,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

白万民（1959 -），男，陕西人，硕士，研究方式为计算机应用技术。