在水下拖曳式通信平臺(tái)收放系統(tǒng)中，線纜所受張力的大小及與水平面所成的角度反映了通信系統(tǒng)平臺(tái)的姿態(tài)。準(zhǔn)確地測(cè)量出張力和傾角的變化，對(duì)監(jiān)測(cè)整個(gè)通信平臺(tái)的安全工作起著重要的作用。應(yīng)變式力傳感器是目前應(yīng)用最廣泛的測(cè)力傳感器[1]，這種傳感器通常利用電阻應(yīng)變計(jì)組成的全橋電路實(shí)現(xiàn)張力的測(cè)量，它具有測(cè)量精度高，響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，如日本共和電業(yè)生產(chǎn)的測(cè)力傳感器準(zhǔn)確度可達(dá)0.05%，允許過(guò)載200%。傾角傳感器按照轉(zhuǎn)換原理可分為光柵式、加速度式、電容式等，電容式傾角傳感器利用電容的原理實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)化[2]，準(zhǔn)確度可達(dá)到0.05%。

    目前市場(chǎng)上銷售的張力傳感器和傾角傳感器只能做到單一測(cè)量，未能實(shí)現(xiàn)一體化測(cè)量[3-4]，并且這些傳感器大多不具備多參數(shù)測(cè)量的功能，而且很難同時(shí)保證較大的過(guò)載能力和較小的體積。張力傾角復(fù)合傳感器采用一體化設(shè)計(jì)理念，利用電阻應(yīng)變計(jì)組成的全橋電路實(shí)現(xiàn)張力的測(cè)量，利用電容原理測(cè)量?jī)A角，輸出的模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換采集到單片機(jī)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，利用數(shù)字補(bǔ)償?shù)姆绞绞箯埩蛢A角的測(cè)量均能達(dá)到較高的精度，最終通過(guò)RS485通信直接在計(jì)算機(jī)中顯示出數(shù)值，實(shí)現(xiàn)張力和傾角的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
1 工作原理及總體設(shè)計(jì)
1.1 張力模塊設(shè)計(jì)
    張力模塊是利用四片金屬應(yīng)變計(jì)連接成全橋電路[5]，當(dāng)彈性體受力作用后，金屬電阻應(yīng)變計(jì)就會(huì)產(chǎn)生變形，阻值發(fā)生變化，在電橋上產(chǎn)生一個(gè)不平衡信號(hào)輸出，該信號(hào)與外力成正比，從而達(dá)到測(cè)量張力的目的，如圖1所示。

    測(cè)量電橋采用恒壓源供電，電橋的輸出為：
    
1.3 總體設(shè)計(jì)方案
    該復(fù)合傳感器是利用電阻應(yīng)變計(jì)連成全橋電路測(cè)量張力，利用差動(dòng)電容式芯片測(cè)量?jī)A角，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，張力測(cè)量模塊與傾角測(cè)量模塊獨(dú)立工作互不影響，采用CAN總線數(shù)字通信接口，傳感器內(nèi)置單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時(shí)地對(duì)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、數(shù)字濾波、線性補(bǔ)償?shù)葦?shù)據(jù)處理。
    傳感器功能框圖如圖3所示。

2  大過(guò)載小型化設(shè)計(jì)
    該傳感器需要長(zhǎng)期在450 m海水下工作，并且總質(zhì)量要求小于450 g，為此選擇鈦合金TC4作為傳感器的彈性元件。鈦合金材料具有比例極限高、密度小、彈性模量低、焊接性能好等特點(diǎn)，同時(shí)它的抗腐蝕性能很好，在靜止的海水中無(wú)腐蝕，高速海水（42 m/s）條件下的腐蝕速率僅為0.0051 mm/a。
    根據(jù)使用要求規(guī)定傳感器的外形尺寸≤?準(zhǔn)55 mm×35 mm，將彈性元件和傳感器殼體設(shè)計(jì)為一體結(jié)構(gòu)，彈性元件按照承受載荷50 kN（5倍過(guò)載）設(shè)計(jì)，應(yīng)變計(jì)粘貼在傳感器殼體底部?jī)?nèi)壁，連成全橋電路后接入放大電路，傾角芯片焊接在電路組件上，電路組件通過(guò)螺釘安裝在傳感器內(nèi)部基準(zhǔn)面上。傳感器下端面中心處加工施力螺紋，上端面的連接螺紋則均勻分布在圓周上，端蓋采用焊接方式實(shí)現(xiàn)連接和密封，電氣連接采用特制的超小型水密連接器，耐壓5 MPa以上。傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    為了不影響傳感器的靈敏度和精度又同時(shí)滿足5倍過(guò)載的要求，對(duì)傳感器殼體進(jìn)行淬火和時(shí)效處理，經(jīng)過(guò)熱處理工藝后，去除了殘余應(yīng)力，提高了彈性梁的強(qiáng)度，改善了材料的機(jī)械性能，傳感器精度和過(guò)載的指標(biāo)同時(shí)得到滿足，并提高了材料的熱穩(wěn)定性，有利于敏感元件的散熱，允許通過(guò)的最大電流也有所提高。
3 電路與程序設(shè)計(jì)
    電路利用基準(zhǔn)源REF3040為張力模塊提供穩(wěn)定的恒壓源供電；傾角模塊采用經(jīng)過(guò)整流、濾波后的直流5 V電源供電，使用儀表放大器AD627R進(jìn)行信號(hào)的差分放大；使用高速24位高精度A/D轉(zhuǎn)換器ADS1248進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采用串口通信方式與單片機(jī)XC886連接，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)運(yùn)算處理后由通信芯片輸出數(shù)字信號(hào)。這種電路結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到0.02%以上。而且通過(guò)單片機(jī)可對(duì)傳感器的非線性和溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償[7-8]。通過(guò)測(cè)量張力模塊的橋壓間接測(cè)量溫度，溫度信號(hào)由微控制器內(nèi)部A/D采集。
    為了減小非線性誤差及零位、靈敏度溫漂，通常采用溫度系數(shù)極小的外接電阻進(jìn)行串并聯(lián)補(bǔ)償，但是這種傳統(tǒng)的模擬補(bǔ)償方法存在一定的缺陷，在-40℃～80℃全溫范圍內(nèi)補(bǔ)償效果不甚理想，并且補(bǔ)償過(guò)程復(fù)雜、繁瑣。為了提高傳感器精度，需采用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒?。本設(shè)計(jì)采用了分段擬合的方法，處理器通過(guò)讀取張力A/D值、傾角A/D值以及溫度A/D值，利用最小二乘法曲線擬合出在特定溫度區(qū)間下的張力和傾角輸出曲線，利用溫度A/D值獲得特定溫度區(qū)間，從而得到經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后的張力和傾角輸出值。同時(shí)利用卡爾曼濾波算法對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行平滑濾波，剔除較大噪聲，提高傳感器的穩(wěn)定度。主程序流程圖如圖5所示。
4 實(shí)驗(yàn)與分析
    根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)了一批張力傾角復(fù)合傳感器，并對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試：先將傳感器固定在EEI-6型力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上，通電后加載50 kN（5倍過(guò)載），保持30 s后卸載，然后對(duì)傳感器進(jìn)行性能測(cè)試。取當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭=9.806 65 m/s2,激勵(lì)電壓為5.0 V，記錄3只傳感器的張力測(cè)試數(shù)據(jù)如表1。

    從表3數(shù)據(jù)可知,該傳感器的張力準(zhǔn)確度優(yōu)于0.1 %FS，傾角準(zhǔn)確度優(yōu)于0.05%FS,零點(diǎn)漂移小于0.05 %FS/h,熱零點(diǎn)漂移小于0.002  %FS/℃，滿足使用要求。
    本文介紹了一種大過(guò)載小型化的張力傾角復(fù)合傳感器，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，同時(shí)實(shí)現(xiàn)張力、傾角兩種參數(shù)的測(cè)量，從工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路與程序設(shè)計(jì)等方面對(duì)傳感器進(jìn)行了理論分析與試驗(yàn)仿真，進(jìn)而給出傳感器的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該傳感器具有精度高、抗過(guò)載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)尺寸小、耐惡劣環(huán)境、多參數(shù)復(fù)合測(cè)量等特點(diǎn)，部分產(chǎn)品已應(yīng)用于某水下拖曳式通信平臺(tái)收放系統(tǒng)中，工作狀態(tài)良好。類似產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于船舶、礦山、石油化工等領(lǐng)域。
參考文獻(xiàn)
[1] 姚文斌，劉兆辰.起重機(jī)提升鋼絲繩張力測(cè)力傳感器的研究[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2001(3)：34-37.
[2] 張維勝.傾角傳感器的原理和發(fā)展[J].傳感器世界，2002(8)：18-21.
[3] 唐亮， 楊昌棋， 尤血松，等. 高拉扭比的復(fù)合式傳感器研究[J].傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，24(4):5-8.
[4] 曲國(guó)福，劉宏昭.基于MEMS技術(shù)的復(fù)合型智能傳感器設(shè)計(jì)[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2006，25(3):86-88.
[5] 張蔚，姚文斌.雙跨接觸式鋼索張力傳感器的設(shè)計(jì)[J].傳感器技術(shù)，2004，23(11):24-26.
[6] 高峰，谷雨，周濱，等.一種電容式角度傳感器[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009(8):17-18，19.
[7] 蘇亞，孫以材，李國(guó)玉.壓力傳感器熱零點(diǎn)漂移補(bǔ)償各種計(jì)算方法的比較[J].傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，17(3),375-378.
[8] CENTERS P W, PRICE F D. Real time simultaneous inline wear and lubricant condition monitoring[J]．Wear,1998, 123(3):303-312.