摘? 要: 介紹了一種紅外遙測系統(tǒng)" title="遙測系統(tǒng)">遙測系統(tǒng),該系統(tǒng)可以對高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的供電電壓和噪聲值進行精確測量和記錄。它為高速旋轉(zhuǎn)機上" title="機上">機上激活的熱電池、化學電池的測試提供了一種抗干擾能力強、測量精度高的技術手段。
關鍵詞: 紅外遙測? 電池? 高速旋轉(zhuǎn)機 ?抗干擾
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高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下工作的電池(如化學電池、熱電池及固體電池等)的供電特性的精確測量是一項非常重要但又困難的事情。目前,根據(jù)信號傳輸形式的不同,檢測方法有電刷接觸有線測量、水銀集流環(huán)有線測量和無線電遙測等。但這些方法適用的測試范圍有限,對于速度很高且具有強電磁干擾" title="電磁干擾">電磁干擾的新型高速旋轉(zhuǎn)機的情況不能適用。為了滿足新型高速旋轉(zhuǎn)機上的電池高精度測試的要求,我們開發(fā)了電池供電特性紅外遙測系統(tǒng),取得了很好的效果。
1 遙測系統(tǒng)結構
由于高速旋轉(zhuǎn)機在工作時產(chǎn)生極其強大的電磁干擾,抗干擾設計成為系統(tǒng)設計的關鍵所在。試驗表明,電磁感應耦合方式和無線電傳輸方式都受到嚴重干擾而不能正常應用。我們最終選擇了紅外遙測的方法,成功解決了強電磁場干擾的問題。
遙測系統(tǒng)由測量與調(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。測量與發(fā)射電路和被測電池一起裝在高速旋轉(zhuǎn)機上隨機高速運動,發(fā)射管處于旋轉(zhuǎn)軸線上,可連續(xù)發(fā)射輸出信號。接收電路固定在旋轉(zhuǎn)機外適宜接收信號的位置。
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2 遙測系統(tǒng)的硬件設計
2.1 電池信號測量轉(zhuǎn)換電路
此電路安裝在旋轉(zhuǎn)機上和被測電池一起旋轉(zhuǎn),電路由被測電池供電;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32V,而交流噪聲信號的電壓值Vpp僅為25mV,幅值相差很懸殊,不宜在一種范圍里進行轉(zhuǎn)換。因此,分別采用交、直流測量電路,這樣可以按轉(zhuǎn)換關系對直流電壓進行衰減,對交流信號適當放大。
電路中IC1采用精密穩(wěn)壓芯片AD586為后級電路供電,使電池電壓的波動不會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
將光信號接收、轉(zhuǎn)換、前置放大電路與解調(diào)電路分開是提高系統(tǒng)抗干擾能力的一項重要措施;將光電轉(zhuǎn)換后的電信號放大再進行遠距離傳輸,可以使解調(diào)電路遠離高速旋轉(zhuǎn)機。前置放大電路由光信號接收與轉(zhuǎn)換、電信號放大整形、電信號輸出三部分組成,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的干擾。輸出的方波信號經(jīng)屏蔽線傳輸?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)導線傳輸來的方波信號已經(jīng)變形,整形電路需將變形的方波信號重新轉(zhuǎn)變?yōu)闃藴实姆讲?以滿足鎖相環(huán)電路的要求。鎖相環(huán)電路由CD4046構成,其本身即是一個振蕩電路。當沒有信號輸入時,其輸出為0;有信號輸入時,其內(nèi)部的比較器對自身的振蕩頻率和輸入信號的頻率進行比較,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,使之與輸入信號嚴格同步,輸出的相位比較電壓即是原被調(diào)制信號。
為了滿足測試系統(tǒng)" title="測試系統(tǒng)">測試系統(tǒng)高精度的要求,對解調(diào)出的信號進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構成。
2.3 抗干擾設計
測試系統(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、設計屏蔽層等。各部分電路板要用金屬盒完全密封,其輸入輸出導線應用帶屏蔽層的導線。金屬盒、導線的屏蔽層和旋轉(zhuǎn)機外殼都要接地。
3 結果與技術指標
本系統(tǒng)的性能指標如下:
紅外遙測載波中心頻率:210kHz
測量范圍:DC——0～32V;AC(峰-峰值)——0.025～1V
頻率響應范圍:0.5～2000Hz
最大接收距離:30cm
最大接收偏角:±11°
測試失真:≤3%
經(jīng)試驗證明,本系統(tǒng)完全達到了設計要求,工作穩(wěn)定可靠。
4 系統(tǒng)測試
本系統(tǒng)的試驗環(huán)境如下:
高速變頻電動旋轉(zhuǎn)機(72000rpm)?? ? 一臺
某型引信用熱電池?????????????????一枚
電池紅外遙測系統(tǒng)?????????????????一套
HP數(shù)字電壓表?????????????????????一臺
HP數(shù)字示波器?????????????????????一臺
部分測試結果如表1所示。
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由以上測試結果可以得出:
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。
由結果可得:k=0.319;a=-0.161
大量的試驗和應用表明本測試系統(tǒng)性能指標完全達到了設計要求,實現(xiàn)了在強電磁干擾環(huán)境下的高精度信號測試,現(xiàn)已推廣使用。
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參考文獻
1 Davld E. Johnson, John L. Hilburn.有源濾波器的快速實用設計.北京:人民郵電出版社,1980
2 高稚允,高 岳.光電檢測技術.北京:國防工業(yè)出版社,1995
3 劉衛(wèi)東,劉延冰,劉建國. 檢測微弱光信號的PIN光電檢測電路的設計[J]. 電測與儀表,1999(4)