火炮耳轴倾斜传感器的应用与研究

耳轴倾斜传感器用来测量坦克火炮耳轴倾斜角度，并以电量的形式自动输送给火控计算机。表3-1列出了某坦克火炮耳轴倾斜时对穿甲弹在方向和距离上的影响。

表3-1　火炮耳轴倾斜时方向、距离修正量

采用耳轴倾斜传感器，通过计算机对弹道进行修正，耳轴倾斜的影响基本可以消除。

按应用场合，坦克火控系统采用的耳轴倾斜传感器分为两类：一类用于以静止状态下射击为主要射击方式的火控系统上；另一类用于以行进间射击为主要射击方式的坦克上。

（一）坦克静止状态下测量耳轴倾斜角度的传感器

1.磁倾计耳轴倾斜传感器

这种倾斜传感器以一个磁倾计为重力传感元件。安装时，磁倾计的敏感轴平行于火炮耳轴，如图3-2所示。倾斜传感器的输出是一个与倾斜角正弦成正比的直流电压信号。当其敏感轴在水平位置时，输出电压为0；当向左、右两个方向倾斜时，分别输出0～±5 V 的电压。在实际系统中，±5 V 电压对应±14.5°的倾斜角变化范围，测角精度为2 mil。

图3-2　磁倾计耳轴倾斜传感器工作原理图

磁倾计倾斜传感器基本工作原理如下：

平时重锤在重力作用下位于垂线位置，敏感轴线位于水平位置，叶片处于位置传感器的正中央，扭矩电动机中无电流，系统处于平衡状态。

当耳轴倾斜时，例如逆时针倾斜θ 角度，最初在重力作用下叶片不动，由于位置传感器随同底座转动，使叶片和传感器间的相对位置发生变化——叶片靠近传感器左侧。此时，传感器向伺服放大器输入一个误差信号，放大器对该信号进行电压和功率放大，然后输出一个电流信号给扭矩电动机。电动机产生扭矩并将重锤和叶片扭动，直到使叶片回到传感器的中立位置为止。由于该位置传感器十分灵敏，放大器放大系数甚大，故系统静态误差很小。

已知扭矩电动机产生的扭矩与伺服放大器向其提供的电流成正比。利用相应的电流通过一个标准电阻，从而在电阻两端产生一个与倾斜角正弦成正比的电压信号。该信号在输给计算机之前要进行滤波和放大。所用滤波器为一低通电路，截止频率为5 Hz，目的是消除由于坦克发动机振动所产生的干扰。

在实际结构中，重锤两端设有限制器，在倾斜传感器未通电工作时，用来限制重锤摆动。当倾斜传感器投入工作时，限制器被解除，同时叶片自动移到零位。另外，为了提高系统工作的稳定性，叶片组件被放在油中，以对叶片的运动产生一定的阻尼。

2.重力摆式耳轴倾斜传感器

（1）基本工作原理

重力摆式耳轴倾斜传感器，是通过传感元件测量传感器壳体与重力摆之间相对位置的变化来测量火炮耳轴倾斜的角度的。传感元件输出的信号经过一定电路进行变换和标准化后，以模拟量形式或直接以数字量形式馈送给火控计算机。

图3-3所示为重力摆式耳轴倾斜传感器的基本结构。由图可以看出，它主要由壳体、重力摆、传感元件和阻尼器等组成。

图3-3　重力摆式耳轴倾斜传感器

重力摆和传感元件的转动部分固定在转轴上，转轴通过轴承支承在与壳体固连在一起的支座上，并可在一定角度范围内相对支座自由摆动。传感元件的固定部分通过螺钉安装在支座上。在组装倾斜传感器时，要求当壳体的安装平面处于水平位置时，传感器输出信号为0，也就是要保证传感元件的转子此时刚好位于定子的中立位置。

在将倾斜传感器往炮塔上安装时，应使重力摆的摆动平面与火炮的耳轴轴线平行。这样，当火炮耳轴随车体倾斜时，由于重力作用，重力摆的重力线（摆线）仍停在当地的地垂线位置，于是传感元件的定子将随同壳体相对转子转过一个角度。显然，这个角度就是火炮耳轴倾斜的角度。

从图3-3中还可以看到，在传感器内部有一个用永久磁铁构成的阻尼器（也可以用电磁铁）。当重力摆的摆叶在永久磁铁的磁场中运动时，在摆叶内将产生涡流，涡流在磁场中产生的电动力形成了有效的阻尼作用。

实验表明，当没有阻尼器时，重力摆在扬起一定角度再松开后，自由振动时间（该时间定义为从摆角初始幅度的90% 减幅到初始幅度10% 所用的时间）往往长达10 s；而在安装阻尼器后，这个时间将缩短到小于2 s。这样，当坦克由运动状态到短停状态时，重力摆将迅速停止摆动，保证及时提供正确的火炮耳轴倾斜量。

（2）传感元件

1）正余弦旋转变压器

倾斜传感器传感元件的功用是把角度信号变为电信号。输出模拟信号的传感器有同位器、旋转变压器等器件。下面以一种正余弦旋转变压器为例进行讨论。

一般的旋转变压器由定子和转子两部分组成。定子绕组为变压器初级，加有交流激磁电压；转子绕组为变压器次级。旋转变压器的一般特性是，当转子旋转时，定子与转子绕组间的互感系数比较精确地按照偏转角的正弦或余弦规律变化，因而在转子绕组中的感应电势也按照这种关系变化。

图3-4所示为旋转变压器工作原理示意图。设图中定子绕组的激磁电压U0=Um·sinωt，则当转子绕组的磁轴转到与定子绕组的磁轴相垂直（θ=0°）时，转子绕组中的感应电势为零（图3-4（a））；当转子转到角度θ 时（图3-4（b）），转子绕组中的感应电势为

式中，n 为变压比。

当θ=90°时（图3-4（c）），转子绕组中的感应电势最大，即

U1=n·U0=n·Um·sinωt

值得说明的是，在实际应用中，往往采用正余弦旋转变压器。它的特点是，在定子与转子中各有相互垂直的两个绕组。在定子中，除了激磁绕组外，为了克服输出电压发生畸变的缺陷，加有补偿绕组。这样，在转子绕组中将同时得到正弦及余弦函数的输出电压，如图3-5所示。若假设激磁电压U0=Um·sinωt，n 为变压比，则输出电压为

U1=n·Um·sinωt·sinθ

U2=n·Um·sinωt·cosθ

如前所述，计算机若在峰值同时对两个交流信号电压进行采样，然后按照公式

进行计算，即可求出θ 角度数值。

正余弦旋转变压器摒除了Um、ω、n 等在使用中数值发生变化的影响，可以提高测角精度。

图3-4　旋转变压器工作原理示意图

图3-5　正余弦旋转变压器

2）码盘

用同位器或旋转变压器作为传感元件，需要交流电源，要将输出的交流信号变为直流信号，还需要用A/D 变换器将模拟量变为数字量。如果采用数字传感器，直接把角度信号变为数字量送到计算机，将可简化上述中间过程。把角度转换成二进制代码最常采用的器件之一是码盘。

码盘可用来对角度进行编码，常用的有接触式和光电式两类。接触式是以电刷接触导电区还是绝缘区来判断各位代码的状态（1，0），按照这种规则做成一个圆盘，就叫作码盘；如果不是利用导电区和绝缘区，而是用透光与不透光的方法来实现，则称为光码盘。

在码盘上按照转换成二进制代码的位数，刻划出相应的数道。例如二进制数为8 位，则将有8 条数道。值得指出的是，码盘上的编码不能采用普通的二进制代码。由图3-6所示的4 位8421 编码码盘看出，只要码盘图形或电刷（光束）位置有个不大的偏差，就可能使读数产生很大的误差。例如，若电刷（光束）处于0111 和1000 两个代码的边界上，因为码盘的制作和电刷（光束）的安装都不可避免地会有公差，从而使最高位数道的电刷（光束）有可能比其他位“超前”或“落后”一点，“超前”将导致读出的代码为1111，“落后”则导致读出0000，这是不能容许的。

为了克服上述误差，可以采用循环码（格林码）。循环码的特点是，代码从任何数转变到相邻数时，代码的各位数中仅有一位发生变化。图3-7为4位循环码码盘，表3-2列出了十进制数、二进制数及等值的循环码数。显然，循环码比起普通二进制码具有这样一个显著优点，即循环码表示的任何数加1或减1 时，只有一个二进位数字发生变化。这样的码盘，即使制作和安装有公差，产生的误差也不会超过读数的最低位的单位量。

图3-6　4 位8421 编码码盘

图3-7　4 位循环码码盘

但是循环码的各位数没有固定的权，因而难以把采用循环码表示的信息直接进行计算，这就需要计算机事前用程序或用硬件电路把循环码转换成相应的二进制码。

在实际应用中，对于耳轴倾斜角度的测量范围（0～±15°），用8 位码盘就可以满足要求了。其中，最高位为符号位，用于判别耳轴倾斜的方向；7位二进制数测角精度可达2 mil。

当采用光码盘结构时，可以将光码盘安装在重力摆的轴上。在底座上用8 个小发光二极管（外径2 mm）镶嵌在8 个小孔中作为光源，发出的红外光通过挡板的缝隙变为极窄的扁平光束（0.12 mm）照射到光码盘的数道上，并被响应的光敏二极管所接收。当底座随同壳体相对重力摆（码盘）偏转时，遂产生与偏转角度相应的8 位信息。

表3-2　十进制数、二进制数及等值的循环码数

（二）坦克行进间测量耳轴倾斜角度的传感器

1.垂直陀螺仪耳轴倾斜传感器

要求具有行进间射击功能的坦克火控系统，测量火炮耳轴倾斜角度不能采用重力摆方案，可以用垂直陀螺仪作为倾斜传感器的核心部件。

（1）垂直陀螺仪方案

1）重力摆的特点

重力摆可以起到“人工垂线”的作用，在重力G=mg 的作用下，摆线能自动、准确地停在当地地垂线的位置。但是，当坦克在重力摆的摆动平面内有加速度a 时，则重力摆除了受到重力G 作用外，还受到惯性力F惯=ma 的作用，因此，重力摆将停在合力R 的方向上。合力R 的作用线称为视在垂线。视在垂线和地垂线之间的最大夹角为β摆M，如图3-8所示。

当加在摆上的惯性力去掉后，摆的运动方程为

对于偏离角β摆较小的摆，运动方程近似为

式中，K=mgl；I=ml2，为重力摆对转轴的转动惯量。

上述微分方程式的解为

图3-8　有加速度时的重力摆

可见，外加惯性力去掉后，重力摆将做周期性的振荡。

由以上讨论看出，重力摆容易受加速度的影响而偏离地垂线。实际上，坦克在行驶过程中，加速度a 是经常出现和变化的，重力摆在不停地摆动。显然，要求有行进间射击功能的坦克不能采用这种方案。

2）双自由度陀螺仪的特点

双自由度陀螺仪具有定轴性，因此可以设想把陀螺仪的转子轴作为地垂线。但是，双自由度陀螺仪是相对惯性坐标系保持定轴的。由于地球的自转，陀螺仪轴承存在摩擦力、间隙及不平衡等现象，使陀螺仪存在着漂移，因而陀螺仪不能相对地面坐标系永远保持稳定的方向。另外，双自由度陀螺仪本身不能像重力摆那样自动定出地垂线的位置。所以，仅用陀螺仪是不行的。(www.xing528.com)

3）垂直陀螺仪

将摆式元件和双自由度陀螺仪结合起来，通过传感器和修正电动机组成一个负反馈的闭环系统，即构成垂直陀螺仪。图3-9所示为其方框图。

图3-9　垂直陀螺仪方块图

θ摆—摆式元件摆线对地垂线的偏离角；θ—陀螺仪转子轴线对地垂线的偏离角；θ-θ摆—陀螺仪转子轴对摆线的偏离角。

当陀螺仪转子和摆式元件之间有偏离角θ-θ摆时，信号传感器将偏离角的大小转换成相应的电信号。由修正电动机产生一定的修正力矩加到陀螺仪上，通过使陀螺仪进动来消除这个偏离角。这样，通过修正系统的不断工作，便保证了陀螺仪不断地跟踪摆式元件的摆线而定出地垂线的位置。

如果在确定修正电动机的修正力矩时，令该力矩对陀螺仪的修正速度仅能补偿它的漂移，比坦克行驶时，摆式元件的摆动速度慢得多，因此，即使在坦克行驶时，摆式元件不断地摆动，陀螺仪也能相当稳定地定出当地的地垂线的位置。这是由于陀螺仪跟不上摆式元件的摆动。

图3-10　垂直陀螺仪结构原理图

图3-10所示为垂直陀螺仪的结构原理图。由图看出，陀螺仪的转子轴沿地垂线方向安装，其动量矩向量H 指向上方。在陀螺仪内框的下端固定一个液体摆，在外环轴的一端固定一个纵向修正电动机，在内环轴的一端固定一个横向修正动机，它们一起组成垂直陀螺仪的修正装置。

在安装垂直陀螺仪时，如果使外环轴和火炮方向一致，内环轴和火炮耳轴平行，并在外环轴的一端安装上信号输出部件，例如，将同位器的转子安装在外环轴上，定子安装在垂直陀螺仪的壳体上，就可以测量火炮耳轴倾斜的角度了。

（2）垂直陀螺仪主要组成部件

1）五极式液体开关

液体开关又称为液体摆式电门，很像一个水准仪。它在密封的铜制容器中装有特殊的导电液体，容器上部有4 个彼此绝缘并对称分布的电极，容器壳体本身构成中间电极。液体开关安装在陀螺仪内环的下部。图3-11（a）所示为液体开关处于水平时的示意图。

液体开关利用中间极与侧极之间电阻的变化来感受气泡覆盖相应侧电极面积的变化，从而反映出陀螺仪转子轴线与摆线间的偏离角。

当液体开关水平，即偏离角φ=0°时，气泡处于中央位置，导电液体盖住4 个电极的面积相等，因而从中间电极到4 个侧极之间导电液的电阻相等，则有

图3-11　液体开关示意图

（a）液体开关水平时；（b）液体开关倾斜时

R左=R右=R0

当液体开关倾斜时（图3-11（b）），即偏离角φ ≠0°，由于液体的浮力，气泡将偏离中央位置，被导电液体在该方向盖住的两个电极的面积不再相等，盖住面积小的电极至中间电极的电阻增大，而另一个电极的电阻减小，则有R左≠R右。当转子轴开始偏离摆线位置时，电极和导电液之间接触面积的变化是均匀的，此时电阻随角度φ 呈线性变化，则有

R左=R0+K1φ

R右=R0-K1φ

当偏离角φ 超过线性范围，即|φ|＞φm 时，相应电极中的一个已完全被气泡所覆盖，而另一个则完全被导电液体所覆盖，则中间电极到两侧极的电阻将不再发生变化并保持为常值。

总括以上3 种情况，液体开关的静态特性如图3-12所示。

图3-12　液体开关静态特性

2）修正电动机

修正电动机的作用是产生一个与偏离角φ 成一定关系的力矩。液体开关和修正电动机一起组成一个角度-力矩变换器，其静态特性如图3-13所示。修正电动机产生的修正力矩加在陀螺仪的内、外环上。在设计时，保证该力矩施加的方向是使陀螺仪向减小偏离角φ 的方向进动，以实现负反馈控制。

图3-13　静态力矩修正特性

3）信号输出部件

信号输出部件可采用同位器、旋转变压器和码盘等任何一种传感元件。

（3）垂直陀螺仪结构图

图3-14所示为垂直陀螺仪结构图。现说明如下：

图3-14　垂直陀螺仪结构图

δa—液体开关摆线相对地垂线的“趋势”角度；α—陀螺仪转子轴相对地垂线的角度；φ—摆线和转子轴之间的角度；T—液体开关的时间常数。

1）五极式液体开关

液体开关的运动和受力情况很复杂，一般简单地认为是一个惯性环节。

所谓趋势角度，是指当加速度a 一定时，气泡最后的稳定偏转角度。时间常数T 体现了液体阻尼的大小，反映了液体及气泡的惯性。

2）修正电动机

修正电动机也有惯性。不过它的时间常数TM 比液体开关的时间常数T 要小得多，实际上可以忽略。

3）双自由度陀螺仪

双自由度陀螺仪的进动方程为

式中，H 为陀螺仪转子角动量；为外环进动角速度；Mα 为作用在内环轴上的力矩和。

又

式中，为转子轴绕外环轴的进动角速度；ωα 为地球自转角速度向量沿外环轴的分量；

式中，MKα 为修正电动机产生的修正力矩；

MBα=M摩擦+M不平衡+M其他

4）信号传输部件

无论是同位器还是旋转变压器等，都可以看成是一个比例环节。

式中，αs 为火炮耳轴（传感器定子）倾斜角度；α 为陀螺仪外环（传感器转子）进动角度；θ 为传感器定子相对转子转过的角度。

对结构图进行分析可以看出：

当坦克静止时，修正电动机产生的修正力矩MKα 在克服干扰力矩MBα 后，使外环以速度进动，以补偿地球自转的影响ωa。此时液体开关摆线δa、陀螺仪转子轴线和地垂线方向基本一致，即

δa≈α≈0

倾斜传感器输出与倾斜角度αs 成正比的电压：

Uα=K2αs

当坦克有加速度a 时，如果作用时间较长且大小和方向不变，则摆线将偏转一定角度。在电动机修正力矩作用下，陀螺仪转子轴将向摆线靠拢，使得外环角度α ≠0°。此时，倾斜传感器输出电压Uα 不再与倾斜角αs 成正比：

Uα=K2(αs-α)

式中，角度α 称为加速度误差。

但是实际上，如前所述，电动机修正力矩MKα 的大小只用来克服陀螺仪的漂移。当坦克有加速度、液体开关液面偏斜时，由于MKα 很小，陀螺仪外环进动的速度α˙很慢，因此角度α 变化不大。另外，坦克有加速，就有减速，液体开关液面摆动和修正力矩MKα 的作用方向是经常变化的，因此陀螺仪确定的是摆式元件摆动的平均位置，也就是垂直陀螺仪能相当准确地定出地垂线的位置。此时，

α≈0

θ≈αs

Uα≈K2αs

2.用伺服加速度计测火炮耳轴倾斜角度

该倾斜传感器由伺服加速度计和信号放大电路组成。

用伺服加速度计测量不同倾斜位置的重力时，其输出信号与倾斜角为正弦关系：

U=Asinα

式中，U 为输出信号；α 为倾斜角；A 为比例系数。

在较小倾斜角（≤±15°）下，可近似认为输出信号与倾斜角为线性关系。图3-15所示为伺服加速度计的工作原理图。

图3-15　伺服加速度计工作原理图

BL—磁铁；AC—位置传感器；m—质量块；AS—伺服放大器；K—弹簧；RL—负载电阻；r—阻尼器。

当X—X 轴处于水平位置时，质量块m 沿X—X 轴方向不产生位移，此时调整伺服加速度计使其输出为零。当X—X 轴转动±15°时，质量块在分力±mgsin15°作用下滑，在X—X 轴方向产生位移。位置传感器AC 输出信号经伺服放大器AS 放大后，输出电流产生电磁力阻止质量块m 移动，质量块最后平衡在某一位置。在负载电阻RL 上取出信号，该信号便是倾斜±15°时的输出信号。调整伺服加速度计，使其在±15°时的输出大小相等，极性相反。为了提高测量精度，可加入一级反三角函数变换器，使其输出信号与倾斜角变为比例关系。