高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下電池性能的紅外遙測(cè)系統(tǒng)

摘要：介紹了一種紅外遙測(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

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件。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測(cè)量、水銀集流環(huán)有線測(cè)量和無(wú)線電遙測(cè)等。但這些方法適用的測(cè)試范圍有限，對(duì)于速度很具有強(qiáng)電磁干擾的新型高速旋轉(zhuǎn)機(jī)的情況不能適用。為了滿足新型高速旋轉(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。

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。

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。

經(jīng)導(dǎo)線傳輸來(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)。

為了滿足測(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)線應(yīng)用帶屏蔽層的導(dǎo)線。金屬盒、導(dǎo)線的屏蔽層和旋轉(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。

表1 電池紅外遙測(cè)系統(tǒng)直流傳輸測(cè)試表

由以上測(cè)試結(jié)果可以得出：

系統(tǒng)最大傳輸誤差：+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為交流傳輸系統(tǒng)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。