鉑熱敏電阻在液浮陀螺儀溫控系統(tǒng)中應(yīng)用

摘要:建立了液浮陀螺儀溫控模型,深人分析了其結(jié)構(gòu)組成和工作原理。針對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了分析研究。對(duì)滿(mǎn)足條件的熱敏線圈和鉑熱敏電阻的溫控系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:改進(jìn)后溫控系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能得到加強(qiáng)，控制精度較之前未受影響,鉑熱敏電阻器的使用未影響液浮陀螺儀的各項(xiàng)性能指標(biāo),為液浮陀螺儀選擇更可靠的溫控元件提供了有力的依據(jù)。
0引言
　　液浮陀螺儀的溫控模型是整個(gè)液浮陀螺非常重要的組成部分。陀螺儀是決定慣性系統(tǒng)精度的核心部件,由于其對(duì)溫度敏感度大,溫度漂移成為其主要的誤差源之一。溫度變化對(duì)陀螺精度的影響主要反映在2個(gè)方面:一是陀螺器件材料性能本身對(duì)溫度的敏感性;二是周?chē)鷾囟葓?chǎng)對(duì)陀螺工作狀態(tài)的影響2],因此，提高陀螺儀的溫控精度和保證其長(zhǎng)期可靠的穩(wěn)定工作是--項(xiàng)非常重要的工作。國(guó)內(nèi)外有關(guān)此方面的研究通常可歸納為以下三類(lèi)解決方法[3]:
1) 通過(guò)合理設(shè)計(jì)改善陀螺結(jié)構(gòu),使陀螺器件的布局、零件的材料和結(jié)構(gòu)形狀滿(mǎn)足對(duì)溫度不敏感的要求;
2) 通過(guò)采用合適的溫控裝置或溫度控制使陀螺工作在一個(gè)恒定的溫度環(huán)境內(nèi);
3)通過(guò)熱力學(xué)分析和試驗(yàn)研究的方法辨識(shí)出陀螺的靜、動(dòng)態(tài)溫度模型,并依此進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償。本文通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)現(xiàn)有陀螺儀溫控系統(tǒng)做研究和改進(jìn),大量數(shù)據(jù)表明:改進(jìn)后的溫控系統(tǒng)有更好的辨識(shí)精度和更.高的可靠性。
1液浮陀螺溫控系統(tǒng)的組成和工作原理
　　液浮陀螺儀的溫控系統(tǒng)包括測(cè)溫電橋動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)和功率放大級(jí)。
1)測(cè)溫電橋
　　內(nèi)外測(cè)溫鉑金串聯(lián)電阻Rr=Rc+Rf為交流電橋一臂,其余各臂由精密電阻R2,R3,Rw構(gòu)成。Rw為工作溫度設(shè)定可調(diào)電阻,可微調(diào)給定溫度值。測(cè)溫電阻隨溫度變化引起電橋不平衡電壓△ug經(jīng)放大后,其輸出電壓與工作溫差呈比例。平衡電橋如圖1。
 
　　平衡電橋輸出電壓為
 
2)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)
　　為改善浮液溫控的動(dòng)態(tài)特性,獲得最快的加溫時(shí)間和最小允許的超調(diào)，多采用微分、積分.比例校正環(huán)節(jié)K(s)。
3)功率放大級(jí)與加溫
　　動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電路輸出,經(jīng)功率放大轉(zhuǎn)換為加熱片的加溫電流,使加熱片的發(fā)熱量為
 
2液浮陀螺儀熱傳導(dǎo)模型
　　浮液的溫控精度和溫度場(chǎng)的均勻性和熱動(dòng)態(tài)性能，主要取決于選擇測(cè)溫元件與加溫元件的類(lèi)型以及在陀螺上的布局和溫控系統(tǒng)參數(shù)的選擇。
　　測(cè)溫元件用電阻系數(shù)穩(wěn)定的鉑金絲，均勻分布繞在導(dǎo)熱絕緣片上,并黏貼于陀螺殼體外壁上。另一鉑金絲線圈置于浮液內(nèi)直接敏感油溫。加熱元件采用高阻系數(shù)的鎳鉻片,將其加工成電熱絲片.片的兩面貼以耐溫絕緣傳熱的聚乙烯薄膜,用其硫化硅橡膠固化。加熱片卷貼于測(cè)溫片的外面,加熱絲厚度與寬度取決于加熱功率的大小,加熱絲的疏密取決于溫度場(chǎng)的分布。加熱片的外面有保溫盒磁屏蔽的鈹莫合金外罩。
　　為分析浮液溫度場(chǎng),首先應(yīng)建立陀螺熱傳導(dǎo)模型。設(shè)陀螺電機(jī)傳導(dǎo)到陀螺浮液的熱量為Qmf,Qh.k為自然對(duì)流到平臺(tái)帽罩的熱量;加熱片發(fā)熱量為Qh,經(jīng)殼體傳人浮液熱量為Qu,傳到陀螺安裝界面的熱量為Qhp,經(jīng)屏蔽單由空氣介質(zhì)對(duì)流出去。陀螺熱的傳導(dǎo)除與傳導(dǎo)路徑的熱阻和熱容量有關(guān)外,還與作為溫控系統(tǒng)干擾源的環(huán)境溫度的變化有關(guān)。浮液的熱傳導(dǎo)如圖2所示。
 
　　根據(jù)具體結(jié)構(gòu)尺寸和材料計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)間的熱阻系數(shù),考慮浮液較大的熱容慣性，作出熱流圖的等效電路圖如圖3所示。
　　圖3中,Rhi,Rho為加熱片內(nèi)、外絕緣導(dǎo)熱層的熱阻;R.為測(cè)溫片熱阻;Re為陀螺殼體熱阻;Rf,Rp為浮液對(duì)流熱阻
 
3溫控系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
　　根據(jù)上述式(1).式(2).式(3)可以做出陀螺溫控系統(tǒng)的方塊圖“如圖4所示。
　　系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)如”下
 
　　S_B為電橋測(cè)溫靈敏度;Kp,KD,KF,F(s),KA為前放、解調(diào)、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、電流放大級(jí)的傳遞系數(shù);K1,K2,K3為加熱片、浮液外壁與內(nèi)璧的熱導(dǎo)系數(shù);aw,ar為T(mén)w,Rr,的電阻溫度系數(shù);Tw,Tf為要求的工作溫度與實(shí)際的控制溫度。
　　假定不用校正網(wǎng)絡(luò),令F(s)=1,當(dāng)采用熱敏電阻器串聯(lián)測(cè)溫時(shí),Rr=Rf+Rc,并聯(lián)熱路的傳遞函數(shù)為
 
　　這相當(dāng)于增加微分比例環(huán)節(jié),改善了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性,這是因?yàn)橥鉁y(cè)溫絲比內(nèi)測(cè)溫絲超前敏感溫度的變化,選擇為某一最佳值中,使動(dòng)態(tài)性能較好10]。根據(jù)溫控特性要求,即可選擇系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)。
4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
　　實(shí)驗(yàn)主要對(duì)比現(xiàn)在天津航海研究所正在用的線繞熱敏元件和鉑熱敏電阻器的各項(xiàng)參數(shù)。根據(jù)上述對(duì)溫控系統(tǒng)的分析和長(zhǎng)期試驗(yàn)積累選擇了合適的n值,試驗(yàn)所采取的溫控方式為:保留原測(cè)溫線圈,并在陀螺儀接線環(huán)背面接測(cè)溫電阻器P100作為新的測(cè)溫電阻器;保留原熱敏線圈,并在專(zhuān)門(mén)制作的接線片上串聯(lián)相應(yīng)數(shù)量的熱敏電阻器P100,示意圖如圖5、圖6。
 
　　在原熱敏線圈和鉑熱敏電阻器二種工作方式下，分別采集測(cè)溫線圈和測(cè)溫電阻器的阻值,對(duì)比兩種工作方式下的溫控精度測(cè)漂精度和翻滾殘差,對(duì)比在兩種熱敏元件的工作方式下對(duì)陀螺儀的各種靜態(tài)動(dòng)態(tài)性能的影響。
4.1溫控精度測(cè)試試驗(yàn)
　　按照測(cè)試方案,分別對(duì)8只試驗(yàn)陀螺儀兩種溫控狀態(tài)進(jìn)行了8h的靜態(tài)溫控精度測(cè)試。采集8h測(cè)試數(shù)據(jù),重復(fù)7次試驗(yàn),計(jì)算每次測(cè)試數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)方差,陀螺--次啟動(dòng)連續(xù)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ,并用σ作為陀螺溫控精度的測(cè)試結(jié)果
 
　　從表1可以看出:作為溫控元件的熱敏電阻器和熱敏線圈具有相當(dāng)?shù)臏乜鼐取＝?jīng)計(jì)算,將熱敏線圈作為溫控元件的平均溫控精度為0.0098℃,將熱敏電阻器作為溫控元件的平均溫控精度為0.0096℃。
4.2翻滾試驗(yàn)
　　將試驗(yàn)陀螺儀按照正常測(cè)試程序進(jìn)行平行極軸12點(diǎn)翻滾,翻滾的初始位置是:自轉(zhuǎn)軸SA指西,輸人軸IA指南。轉(zhuǎn)臺(tái)以每30°的增量進(jìn)行斷續(xù)翻滾，并記錄每一-位置相應(yīng)的反饋電流I,,采樣平均時(shí)間為1min。這樣,翻滾一周共有12個(gè)數(shù)據(jù),用富氏分析法對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
 
　　同時(shí)采集測(cè)溫線圈和測(cè)溫電阻器阻值,將翻滾過(guò)程中所采集數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)方差作為溫度穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)記錄翻滾殘差,翻滾7次,把每組標(biāo)準(zhǔn)方差值,翻滾殘差錄人試驗(yàn)數(shù)據(jù)表格。翻滾數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2。
 
　　以上數(shù)據(jù)表明:在鉑熱敏電阻器和熱敏線圈兩種不同.元件的溫控狀態(tài)下,翻滾試驗(yàn)具有相當(dāng)?shù)姆瓭L殘差。
4.3時(shí)間穩(wěn)定性測(cè)試
　　表3是實(shí)驗(yàn)陀螺儀分別采用熱敏線圈和鉑熱敏電阻器進(jìn)行測(cè)試的陀螺儀時(shí)間穩(wěn)定性。
 
　　從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出:采用鉑熱敏電阻器后,陀螺儀的時(shí)漂小于0.001°/h,沒(méi)有對(duì)其精度產(chǎn)生影響。
5結(jié)論
　　本文通過(guò)對(duì)液浮陀螺儀溫控系統(tǒng)的分析研究,得出了系統(tǒng)對(duì)熱敏元件的基本要求,鑒于長(zhǎng)期使用的線繞元件可靠性較差的問(wèn)題,本文對(duì)滿(mǎn)足溫控系統(tǒng)條件的熱敏線圈和鉑熱敏電阻器進(jìn)行了一系列對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:在保證系統(tǒng)溫控精度的前提下,鉑熱敏電阻器替代線繞熱敏元件具有一定的可行性,為液浮陀螺儀選擇合適的溫控元件提供了相應(yīng)的依據(jù)。