基于MEMS加速度传感器的数字式象限仪

　　0 引言

　　规正炮床水平是高炮射击准备的重要内容。传统的规正炮床方法不但对操作技能要求高，而且操作繁琐，花费时间长，效率较低。必须对水准器和象限仪进行数字化改造，以提高规正炮床水平的智能化程度，缩短规正水平时间。故基于MEMS 加速度传感器的数字式象限仪的设计方法，给出利用数字式象限仪规正高炮炮床水平的操作步骤。

　　1 对象研究

　　提高规正炮床水平的智能化水平，需要在满足精度要求的前提下，使系统具有可操作性，易于战士掌握;具有较高的自动化程度，能提高规正水平的速度。目前，用于倾角测量的传感器种类很多，必须从其精度、响应时间、稳定性、测量范围和性价比等方面来选择合适的传感器。传感器测量精度的高低则需要根据调平误差对火炮射击的精度影响的大小来确定。

　　1.1 调平误差对射击精度的影响分析

　　炮床倾角引起的射角和提前方位角简化后的误差最大值如式 (1)、式 (2)。

　　其中：φ 为火炮射角;δΨ、δθ 为炮床纵摇和横滚角;δφmax、δβqmax 为射角和提前方位角最大误差值。计算结果如表1。

　　从表1 可见，调平误差对于高炮系统的射击精度影响很大。目前高炮系统的系统误差大于2 密位，高炮用象限仪的精度是60″(0.27 密位)，水准器精度是45″(0.20 密位)，传统的手动式调平高炮，利用象限仪或水准器一般可将炮床调整到0.1～0.2密位的水平上。因此，考虑到火炮加工设备精度、制造工艺等影响，调平误差为0.2 密位时能够满足射击精度要求，不会对射击精度造成很大影响。

　　1.2 倾角传感器的测量原理

　　高炮规正炮床水平时，首先要测量炮床纵轴的倾角并进行调平，然后在测量横轴相对纵轴的倾角基础上，调整左右炮脚使横轴处于纵轴的平面内。因此，使用单轴倾角传感器便能完成测量任务。sca103t 是荷兰VTI 公司的电容式硅微机械单轴加速度传感器，该器件内部包含了1 个硅敏感电容传感器和1 个ASIC 专用集成电路，ASIC 电路

　　集成了EEPROM 存储器、信号放大器、AD 转换器、温度传感器和SPI 串行通信接口，组成完整的数字化传感器。在10Hz 带宽模拟端输出可获得0.001°的输出分辨率，长期稳定性不大于0.004°。

　　加速度传感器可以用来测定变化或恒定的加速度。恒定加速度的一个特例就是重力加速度，当传感器静止时(没有水平或垂直方向的加速度)，重力加速度方向和传感器灵敏轴的夹角就是倾角。当加速度传感器的X 轴相对于重力场发生变化时(图1)，重力将在相应方向产生分量Ax，其中Ax=gsinα。测量该方向的重力分量，可以计算出沿相应轴向的倾角α，α=arcsin(Ax/g)，实现倾角测量的目的。