在水下拖曳式通信平臺收放系統中，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平臺的姿態。準確地測量出張力和傾角的變化，對監測整個通信平臺的安全工作起著重要的作用。應變式力傳感器是目前應用最廣泛的測力傳感器[1]，這種傳感器通常利用電阻應變計組成的全橋電路實現張力的測量，它具有測量精度高，響應速度快等特點，如日本共和電業生產的測力傳感器準確度可達0.05%，允許過載200%。傾角傳感器按照轉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現非電量到電量的轉化[2]，準確度可達到0.05%。

    目前市場上銷售的張力傳感器和傾角傳感器只能做到單一測量，未能實現一體化測量[3-4]，并且這些傳感器大多不具備多參數測量的功能，而且很難同時保證較大的過載能力和較小的體積。張力傾角復合傳感器采用一體化設計理念，利用電阻應變計組成的全橋電路實現張力的測量，利用電容原理測量傾角，輸出的模擬信號通過A/D轉換采集到單片機，經數據處理，利用數字補償的方式使張力和傾角的測量均能達到較高的精度，最終通過RS485通信直接在計算機中顯示出數值，實現張力和傾角的實時監測。
1 工作原理及總體設計
1.1 張力模塊設計
    張力模塊是利用四片金屬應變計連接成全橋電路[5]，當彈性體受力作用后，金屬電阻應變計就會產生變形，阻值發生變化，在電橋上產生一個不平衡信號輸出，該信號與外力成正比，從而達到測量張力的目的，如圖1所示。

    測量電橋采用恒壓源供電，電橋的輸出為：
    
1.3 總體設計方案
    該復合傳感器是利用電阻應變計連成全橋電路測量張力，利用差動電容式芯片測量傾角，采用模塊化設計理念，張力測量模塊與傾角測量模塊獨立工作互不影響，采用CAN總線數字通信接口，傳感器內置單片機可實現快速、實時地對測量參數進行計算、數字濾波、線性補償等數據處理。
    傳感器功能框圖如圖3所示。

2  大過載小型化設計
    該傳感器需要長期在450 m海水下工作，并且總質量要求小于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，同時它的抗腐蝕性能很好，在靜止的海水中無腐蝕，高速海水（42 m/s）條件下的腐蝕速率僅為0.0051 mm/a。
    根據使用要求規定傳感器的外形尺寸≤?準55 mm×35 mm，將彈性元件和傳感器殼體設計為一體結構，彈性元件按照承受載荷50 kN（5倍過載）設計，應變計粘貼在傳感器殼體底部內壁，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，電路組件通過螺釘安裝在傳感器內部基準面上。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現連接和密封，電氣連接采用特制的超小型水密連接器，耐壓5 MPa以上。傳感器結構如圖4所示。

    為了不影響傳感器的靈敏度和精度又同時滿足5倍過載的要求，對傳感器殼體進行淬火和時效處理，經過熱處理工藝后，去除了殘余應力，提高了彈性梁的強度，改善了材料的機械性能，傳感器精度和過載的指標同時得到滿足，并提高了材料的熱穩定性，有利于敏感元件的散熱，允許通過的最大電流也有所提高。
3 電路與程序設計
    電路利用基準源REF3040為張力模塊提供穩定的恒壓源供電；傾角模塊采用經過整流、濾波后的直流5 V電源供電，使用儀表放大器AD627R進行信號的差分放大；使用高速24位高精度A/D轉換器ADS1248進行模數轉換，采用串口通信方式與單片機XC886連接，數據經過單片機運算處理后由通信芯片輸出數字信號。這種電路結構的轉換精度可以達到0.02%以上。而且通過單片機可對傳感器的非線性和溫度漂移進行補償[7-8]。通過測量張力模塊的橋壓間接測量溫度，溫度信號由微控制器內部A/D采集。
    為了減小非線性誤差及零位、靈敏度溫漂，通常采用溫度系數極小的外接電阻進行串并聯補償，但是這種傳統的模擬補償方法存在一定的缺陷，在-40℃～80℃全溫范圍內補償效果不甚理想，并且補償過程復雜、繁瑣。為了提高傳感器精度，需采用軟件補償的方法。本設計采用了分段擬合的方法，處理器通過讀取張力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值獲得特定溫度區間，從而得到經過溫度補償后的張力和傾角輸出值。同時利用卡爾曼濾波算法對傳感器的輸出進行平滑濾波，剔除較大噪聲，提高傳感器的穩定度。主程序流程圖如圖5所示。
4 實驗與分析
    根據上述設計方案生產了一批張力傾角復合傳感器，并對傳感器進行測試：先將傳感器固定在EEI-6型力標準機上，通電后加載50 kN（5倍過載），保持30 s后卸載，然后對傳感器進行性能測試。取當地重力加速度g=9.806 65 m/s2,激勵電壓為5.0 V，記錄3只傳感器的張力測試數據如表1。

    從表3數據可知,該傳感器的張力準確度優于0.1 %FS，傾角準確度優于0.05%FS,零點漂移小于0.05 %FS/h,熱零點漂移小于0.002  %FS/℃，滿足使用要求。
    本文介紹了一種大過載小型化的張力傾角復合傳感器，采用模塊化設計思想，同時實現張力、傾角兩種參數的測量，從工作原理、結構設計、電路與程序設計等方面對傳感器進行了理論分析與試驗仿真，進而給出傳感器的詳細設計方案。實驗結果證明，該傳感器具有精度高、抗過載能力強、結構尺寸小、耐惡劣環境、多參數復合測量等特點，部分產品已應用于某水下拖曳式通信平臺收放系統中，工作狀態良好。類似產品可廣泛應用于船舶、礦山、石油化工等領域。
參考文獻
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