慣性制導系統(tǒng)溫控電路的實時監(jiān)測

分類：解決方案日期：2010-07-16 11:49:28

應用領域：
航空／國防

使用的產品：
NI USB-6008
LabVIEW 8.20

挑戰(zhàn)：
運用NI的便攜式數(shù)據(jù)采集設備融合先進的虛擬儀器技術，實現(xiàn)多路電阻、多路電流的精密測量和系統(tǒng)狀態(tài)信號的監(jiān)測，以較低的成本解決生產、調試和維修過程中的監(jiān)測任務。

應用方案：
運用NI的便攜式數(shù)據(jù)采集設備配合相應的外圍電路，對監(jiān)測信號進行采集，使用NI的圖形化編程軟件LabVIEW對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行顯示、處理和記錄，實現(xiàn)了慣性制導系統(tǒng)溫控電路的實時監(jiān)測。

介紹：
本文根據(jù)監(jiān)測精度的需要，設計了精密穩(wěn)定的信號轉換電路，將需要監(jiān)測的電阻、電流和系統(tǒng)狀態(tài)信號轉化為適當?shù)碾妷盒盘枺徊⒏鶕?jù)監(jiān)測任務的需要選擇合適的數(shù)據(jù)采集設備，對電壓信號進行采集，軟件采用LabVIEW實現(xiàn)，受益于labVIEW對NI數(shù)據(jù)采集產品的完美支持，可以很方便的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、處理和記錄等功能。

正文：

引言

慣性制導是利用陀螺儀和加速度表組成的慣性測量裝置測量飛行器的運動參數(shù)，控制其按預定路線飛行的一種制導方式。整個制導系統(tǒng)一般由慣性測量組合、計算機和執(zhí)行機構等組成。慣性測量組合是保證制導精度的核心裝置，內部裝有高精度的測量儀器（包括陀螺儀、加速度表）和相應的模數(shù)轉換電路，這些器件必須工作在恒定的溫度環(huán)境下，才能達到高精度的測量要求，因此慣性測量組合內部都設計有精密的溫度控制電路。本文所介紹的就是美國國家儀器公司的數(shù)據(jù)采集產品在某型號慣性制導武器溫控電路的實時監(jiān)測中的應用。

監(jiān)測對象分析

為了縮短穩(wěn)定時間、提高控溫精度，慣性制導系統(tǒng)溫控電路采用多路控溫、多級控溫的方式，首先采用了溫度繼電器對系統(tǒng)進行初級控溫，待系統(tǒng)溫度升高到45℃時溫度繼電器斷開，系統(tǒng)對外輸出28V“加溫好”指示信號；一級溫控和二級溫控電路采用PWM（脈寬調制）控制方式，一級溫控電路的控溫點為52℃，二級溫控電路的控溫點為60℃，由于一、二級溫控之間溫度梯度較小，從而保證了最終的控溫效果，一級和二級的控溫電路監(jiān)測主要通過監(jiān)測慣性制導系統(tǒng)自帶的測溫鉑電阻阻值和加溫電流實現(xiàn)。

綜上所述，要完成對溫控電路的實時監(jiān)測，需要對多路電阻、多路電流和“加溫好”信號進行采集。對于鉑電阻阻值的監(jiān)測，考慮到電阻初始值較高，而變化量又較小，采用電橋法，輸出的微弱電壓信號經(jīng)儀表放大器放大到0~5V之間。由于電流的典型值最大高達18A左右，最小0.2A左右，為保證采集精度，我們選用高精度的霍爾效應線性電流傳感器ACS712，選用量程20A的電流傳感器監(jiān)測總加溫電流，量程5A的電流傳感器監(jiān)測分路加溫電流。“加溫好”信號通過電阻分壓的方法將其將降為1~3V之間。這樣所有的待測信號都轉化為0~5V的電壓信號。

硬件系統(tǒng)組成

1) 鉑電阻阻值監(jiān)測電路設計

鉑電阻阻值監(jiān)測電路示意圖如圖1所示。在監(jiān)測過程中，最多需要監(jiān)測六路測溫鉑電阻的阻值，通過繼電器控制與驅動電路分別將測溫鉑電阻作為一個橋臂接入橋式阻值測量電路，鉑電阻阻值的變化產生的電壓信號，經(jīng)儀表放大器AD620放大后送入數(shù)據(jù)采集設備。

2) 電流監(jiān)測電路設計

電流監(jiān)測電路如圖2所示。在監(jiān)測過程中，最多需要監(jiān)測四路加溫電流，所以我們選用了四片Allegro公司的高精度的霍爾效應線性電流傳感器ACS712，其輸出電壓正比于交/直流電流輸入，在室溫下其輸出誤差小于1.5%，精度完全能夠滿足總電流0.5A、分路電流0.2A的測量精度。選擇量程為20A的ACS712-20A用于監(jiān)測總加溫電流，其余三片監(jiān)測分路加溫電流的ACS712-5B量程為5A，電流傳感器輸出的電壓信號無需放大即可直接送入數(shù)據(jù)采集設備。

圖2 電流監(jiān)測電路

3) “加溫好”信號監(jiān)測電路設計

“加溫好”信號是由慣性制導系統(tǒng)初級加溫達到45℃時對外輸出的28V直流電壓信號，考慮到一般數(shù)據(jù)采集設備的量程，我們將其作分壓處理，原理圖如下：

圖3 “加溫好”信號監(jiān)測電路

圖中，Tok+的輸出為0V、1.33V，經(jīng)過分壓后的電壓信號更加方便數(shù)據(jù)采集設備的處理。

4) 數(shù)據(jù)采集設備的選擇

l 精度

鉑電阻阻值監(jiān)測精度分析

鉑電阻的阻值計算公式：

R(t)=R(0℃)（1+At+Bt2）………………………………………………………（1）

式中：

R(t)——溫度為t時鉑電阻的阻值；
t——溫度；
R(0℃)——溫度為0℃時鉑電阻的阻值（這里為500Ω）；
A——3.90802×10-3 ℃-1；
B——-5.80195×10-7 ℃-2。

根據(jù)公式計算可得到

R（25℃）=500×（1+3.90802×10-3×25-5.80195×10-7×252）=548.7Ω
R（52℃）=500×（1+3.90802×10-3×52-5.80195×10-7×522）=600.8Ω
R（60℃）=500×（1+3.90802×10-3×60-5.80195×10-7×602）=616.2Ω
R（75℃）=500×（1+3.90802×10-3×75-5.80195×10-7×752）=644.9Ω

由于監(jiān)測都在室溫下進行，我們將溫度監(jiān)測的低點設為25℃，高點設為75℃，并保證0.1℃的監(jiān)測精度。將圖1中的R取549Ω，則溫度在25℃~75℃之間時，輸出的電壓信號在0~200mV之間，則放大倍數(shù)G=19.93（RG=2.61kΩ）時可輸出0~4V的電壓信號。由于R與T近似線性關系，也即Ｒ也需要1/500的相對精度，但由于輸出電壓與R是非線性關系,當R變化1/500時，

根據(jù)R與電壓的關系可得：

Ｕ1=G*(2.5-549*5/(R+549))
U2=G*(2.5-549*5/（R+R/500+549）)
ΔU=U2-U1=G*(2.5-549*5/（R+R/500+549）-2.5+549*5/(R+549))=5.49*G*R/((R+549)(R+R/500+549))

當R在548.7~644.9Ω之間時ΔU在49.6~50mV之間,因此數(shù)據(jù)采集卡在量程為0~5V時應具有不大于49.6mV的絕對精度。

根據(jù)電流傳感器輸出電壓的靈敏度，量程為20A的電流傳感器靈敏度為100mV/A，輸出電壓范圍0.5Ｖ~2.5V；量程為5A的電流傳感器靈敏度為185mV/A，輸出電壓范圍1.575~2.5V；同時還需監(jiān)測+5V（DAQ）精密電壓基準以方便對電流傳感器輸出電壓進行校準，因此數(shù)據(jù)采集卡在量程為0~5V時應具有不小于100mV的絕對精度。

“加溫號”信號只需監(jiān)測其有無，無精度要求。

l 采樣速率

本應用對采樣速率無特殊要求，不小于100S/s的采樣速率即可滿足要求。

l 模擬輸入通道

三路差分模擬輸入通道分別用來精確測量鉑電阻阻值、加溫電流、+5V（DAQ）精密電壓基準；一路模擬或數(shù)字輸入通道用來監(jiān)測“加溫號”信號的有無，當選用數(shù)字輸入通道時，圖3中的R26應換用10k電阻，R27應不大于1k，否則無法將數(shù)字輸入通道拉低到零。

l 數(shù)字I/O

能輸出六路鉑電阻通道切換控制信號和四路電流傳感器輸出電壓通道切換控制信號，共需十路（并行控制）數(shù)字I/O，或者四路（串行控制，需要譯碼器配合）數(shù)字I/O。

根據(jù)上述要求我們選用美國國家儀器公司的便攜式多功能數(shù)據(jù)采集設備NI USB-6008, NI USB-6008具有10kS/s采樣速率、12位分辨率，8路模擬輸入、2路模擬輸出，12路數(shù)字I/O，1個32位的數(shù)字計數(shù)器，功能全面，性能適中，具有很高的性價比。NI USB-6008在量程為±5V的差分工作模式下，絕對精度可達4.28mV，完全可以滿足監(jiān)測的需要。

軟件及界面設計

軟件程序流程圖如圖4所示，程序初始化后首先進行系統(tǒng)配置，選擇測試項目，輸入產品信息和測試信息等測試必需的配置選項，然后即可開始采集工作，此時NI USB-6008被配置為四路差分模擬輸入通道，分別對電阻、電流、基準電壓、“加溫好”信號進行采集，而P0和P1口被用來控制多路電阻和電流的切換。數(shù)據(jù)被實時的顯示在前面板上，數(shù)據(jù)的其他處理在后臺進行。達到設定的監(jiān)測時間或用戶終止采集后結束采集，生成測試報表，表中的控溫精度是根據(jù)標準偏差算法求得，計算公式如下：