摘? 要: 介紹了一種紅外遙測(cè)系統(tǒng)" title="遙測(cè)系統(tǒng)">遙測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)可以對(duì)高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的供電電壓和噪聲值進(jìn)行精確測(cè)量和記錄。它為高速旋轉(zhuǎn)機(jī)上" title="機(jī)上">機(jī)上激活的熱電池、化學(xué)電池的測(cè)試提供了一種抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量精度高的技術(shù)手段。
關(guān)鍵詞: 紅外遙測(cè)? 電池? 高速旋轉(zhuǎn)機(jī) ?抗干擾
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高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下工作的電池(如化學(xué)電池、熱電池及固體電池等)的供電特性的精確測(cè)量是一項(xiàng)非常重要但又困難的事情。目前,根據(jù)信號(hào)傳輸形式的不同,檢測(cè)方法有電刷接觸有線(xiàn)測(cè)量、水銀集流環(huán)有線(xiàn)測(cè)量和無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)等。但這些方法適用的測(cè)試范圍有限,對(duì)于速度很高且具有強(qiáng)電磁干擾" title="電磁干擾">電磁干擾的新型高速旋轉(zhuǎn)機(jī)的情況不能適用。為了滿(mǎn)足新型高速旋轉(zhuǎn)機(jī)上的電池高精度測(cè)試的要求,我們開(kāi)發(fā)了電池供電特性紅外遙測(cè)系統(tǒng),取得了很好的效果。
1 遙測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
由于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生極其強(qiáng)大的電磁干擾,抗干擾設(shè)計(jì)成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。試驗(yàn)表明,電磁感應(yīng)耦合方式和無(wú)線(xiàn)電傳輸方式都受到嚴(yán)重干擾而不能正常應(yīng)用。我們最終選擇了紅外遙測(cè)的方法,成功解決了強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾的問(wèn)題。
遙測(cè)系統(tǒng)由測(cè)量與調(diào)制發(fā)射電路、前置接收放大電路、解調(diào)電路" title="解調(diào)電路">解調(diào)電路三部分組成,如圖1所示。測(cè)量與發(fā)射電路和被測(cè)電池一起裝在高速旋轉(zhuǎn)機(jī)上隨機(jī)高速運(yùn)動(dòng),發(fā)射管處于旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)上,可連續(xù)發(fā)射輸出信號(hào)。接收電路固定在旋轉(zhuǎn)機(jī)外適宜接收信號(hào)的位置。
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2 遙測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2.1 電池信號(hào)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路
此電路安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)上和被測(cè)電池一起旋轉(zhuǎn),電路由被測(cè)電池供電;電路板用發(fā)泡材料密封。電路原理如圖2所示。
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由于直流電壓最高可達(dá)32V,而交流噪聲信號(hào)的電壓值Vpp僅為25mV,幅值相差很懸殊,不宜在一種范圍里進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此,分別采用交、直流測(cè)量電路,這樣可以按轉(zhuǎn)換關(guān)系對(duì)直流電壓進(jìn)行衰減,對(duì)交流信號(hào)適當(dāng)放大。
電路中IC1采用精密穩(wěn)壓芯片AD586為后級(jí)電路供電,使電池電壓的波動(dòng)不會(huì)影響電路的正常工作,確保了發(fā)射電路的穩(wěn)定性;V-F變換芯片IC2采用高精度的集成電路CD4046。
2.2 接收與解調(diào)濾波電路
將光信號(hào)接收、轉(zhuǎn)換、前置放大電路與解調(diào)電路分開(kāi)是提高系統(tǒng)抗干擾能力的一項(xiàng)重要措施;將光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)放大再進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸,可以使解調(diào)電路遠(yuǎn)離高速旋轉(zhuǎn)機(jī)。前置放大電路由光信號(hào)接收與轉(zhuǎn)換、電信號(hào)放大整形、電信號(hào)輸出三部分組成,如圖3所示。這部分電路密封在金屬殼內(nèi),可有效防止外界電磁場(chǎng)的干擾。輸出的方波信號(hào)經(jīng)屏蔽線(xiàn)傳輸?shù)浇庹{(diào)電路。解調(diào)電路可分為接收整形電路、鎖相環(huán)解調(diào)電路、濾波輸出電路三部分,如圖4所示。
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經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)傳輸來(lái)的方波信號(hào)已經(jīng)變形,整形電路需將變形的方波信號(hào)重新轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的方波,以滿(mǎn)足鎖相環(huán)電路的要求。鎖相環(huán)電路由CD4046構(gòu)成,其本身即是一個(gè)振蕩電路。當(dāng)沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí),其輸出為0;有信號(hào)輸入時(shí),其內(nèi)部的比較器對(duì)自身的振蕩頻率和輸入信號(hào)的頻率進(jìn)行比較,輸出比較誤差電壓。誤差電壓又經(jīng)相位比較去控制自身的振蕩頻率,使之與輸入信號(hào)嚴(yán)格同步,輸出的相位比較電壓即是原被調(diào)制信號(hào)。
為了滿(mǎn)足測(cè)試系統(tǒng)" title="測(cè)試系統(tǒng)">測(cè)試系統(tǒng)高精度的要求,對(duì)解調(diào)出的信號(hào)進(jìn)行高頻濾波是非常重要的。因此,濾波電路采用了巴特沃夫三階低通濾波器,由LM358構(gòu)成。
2.3 抗干擾設(shè)計(jì)
測(cè)試系統(tǒng)的抗干擾措施主要有屏蔽和接地的方法,包括在電路板上增加濾波電容、設(shè)計(jì)屏蔽層等。各部分電路板要用金屬盒完全密封,其輸入輸出導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)用帶屏蔽層的導(dǎo)線(xiàn)。金屬盒、導(dǎo)線(xiàn)的屏蔽層和旋轉(zhuǎn)機(jī)外殼都要接地。
3 結(jié)果與技術(shù)指標(biāo)
本系統(tǒng)的性能指標(biāo)如下:
紅外遙測(cè)載波中心頻率:210kHz
測(cè)量范圍:DC——0～32V;AC(峰-峰值)——0.025～1V
頻率響應(yīng)范圍:0.5～2000Hz
最大接收距離:30cm
最大接收偏角:±11°
測(cè)試失真:≤3%
經(jīng)試驗(yàn)證明,本系統(tǒng)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,工作穩(wěn)定可靠。
4 系統(tǒng)測(cè)試
本系統(tǒng)的試驗(yàn)環(huán)境如下:
高速變頻電動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)(72000rpm)?? ? 一臺(tái)
某型引信用熱電池?????????????????一枚
電池紅外遙測(cè)系統(tǒng)?????????????????一套
HP數(shù)字電壓表?????????????????????一臺(tái)
HP數(shù)字示波器?????????????????????一臺(tái)
部分測(cè)試結(jié)果如表1所示。
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由以上測(cè)試結(jié)果可以得出:
系統(tǒng)最大傳輸誤差:+0.94%
系統(tǒng)最小傳輸誤差:-0.63%
系統(tǒng)直流傳輸公式: Y=kX+a
系統(tǒng)交流傳輸公式: Y=kX
其中,Y為輸出,X為輸入,k為交流傳輸系數(shù)均值。
由結(jié)果可得:k=0.319;a=-0.161
大量的試驗(yàn)和應(yīng)用表明本測(cè)試系統(tǒng)性能指標(biāo)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,實(shí)現(xiàn)了在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下的高精度信號(hào)測(cè)試,現(xiàn)已推廣使用。
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參考文獻(xiàn)
1 Davld E. Johnson, John L. Hilburn.有源濾波器的快速實(shí)用設(shè)計(jì).北京:人民郵電出版社,1980
2 高稚允,高 岳.光電檢測(cè)技術(shù).北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1995
3 劉衛(wèi)東,劉延冰,劉建國(guó). 檢測(cè)微弱光信號(hào)的PIN光電檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)[J]. 電測(cè)與儀表,1999(4)