鉑熱敏電阻器在液浮陀螺儀溫控系統(tǒng)中的應用

傅中澤, 趙丙權, 王智奇

(天津航海儀器研究所,天津 300131)

鉑熱敏電阻器在液浮陀螺儀溫控系統(tǒng)中的應用

傅中澤, 趙丙權, 王智奇

(天津航海儀器研究所,天津 300131)

建立了液浮陀螺儀溫控模型，深入分析了其結(jié)構組成和工作原理。針對所建立的數(shù)學模型對各個結(jié)構參數(shù)進行了分析研究。對滿足條件的熱敏線圈和鉑熱敏電阻器的溫控系統(tǒng)進行了實驗驗證，實驗結(jié)果表明：改進后溫控系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動態(tài)性能得到加強，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性能指標，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)。

液浮陀螺儀； 熱敏電阻器； 溫控系統(tǒng)

0 引 言

液浮陀螺儀的溫控模型是整個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，由于其對溫度敏感度大，溫度漂移成為其主要的誤差源之一[1]。溫度變化對陀螺精度的影響主要反映在2個方面：一是陀螺器件材料性能本身對溫度的敏感性；二是周圍溫度場對陀螺工作狀態(tài)的影響[2],因此,提高陀螺儀的溫控精度和保證其長期可靠的穩(wěn)定工作是一項非常重要的工作。國內(nèi)外有關此方面的研究通?？蓺w納為以下三類解決方法[3]：

1)通過合理設計改善陀螺結(jié)構，使陀螺器件的布局、零件的材料和結(jié)構形狀滿足對溫度不敏感的要求；

2)通過采用合適的溫控裝置或溫度控制使陀螺工作在一個恒定的溫度環(huán)境內(nèi)；

3)通過熱力學分析和試驗研究的方法辨識出陀螺的靜、動態(tài)溫度模型，并依此進行溫度誤差補償。本文通過理論分析和試驗驗證，對現(xiàn)有陀螺儀溫控系統(tǒng)做研究和改進，大量數(shù)據(jù)表明：改進后的溫控系統(tǒng)有更好的辨識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)包括測溫電橋、動態(tài)補償環(huán)節(jié)和功率放大級。

1)測溫電橋

內(nèi)外測溫鉑金串聯(lián)電阻RT=RC+RF為交流電橋一臂，其余各臂由精密電阻R2,R3,RW構成。RW為工作溫度設定可調(diào)電阻，可微調(diào)給定溫度值。測溫電阻隨溫度變化引起電橋不平衡電壓ΔuB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

ΔuB=SBΔR.

(1)

圖1 測溫電橋原理示意圖Fig 1 Principle diagram of thermometry bridge

2)動態(tài)補償環(huán)節(jié)

為改善浮液溫控的動態(tài)特性，獲得最快的加溫時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)功率放大級與加溫

動態(tài)補償電路輸出，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)

ih=KAuA,

(3)

2 液浮陀螺儀熱傳導模型

浮液的溫控精度和溫度場的均勻性和熱動態(tài)性能，主要取決于選擇測溫元件與加溫元件的類型以及在陀螺上的布局和溫控系統(tǒng)參數(shù)的選擇[4]。

測溫元件用電阻系數(shù)穩(wěn)定的鉑金絲，均勻分布繞在導熱絕緣片上，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的分布。加熱片的外面有保溫盒磁屏蔽的鈹莫合金外罩[5]。

為分析浮液溫度場，首先應建立陀螺熱傳導模型。設陀螺電機傳導到陀螺浮液的熱量為QMF,Qh,K為自然對流到平臺帽罩的熱量；加熱片發(fā)熱量為Qh,經(jīng)殼體傳入浮液熱量為QhF，傳到陀螺安裝界面的熱量為QhP，經(jīng)屏蔽罩由空氣介質(zhì)對流出去。陀螺熱的傳導除與傳導路徑的熱阻和熱容量有關外，還與作為溫控系統(tǒng)干擾源的環(huán)境溫度的變化有關[6]。浮液的熱傳導如圖2所示。

圖2 陀螺浮液的熱傳導Fig 2 Thermal conductivity of gyro floating liquid

根據(jù)具體結(jié)構尺寸和材料計算出各節(jié)點間的熱阻系數(shù)，考慮浮液較大的熱容慣性，作出熱流圖的等效電路圖[7]如圖3所示。

圖3 熱流等效電路圖Fig 3 Heat flow equivalent circuit

圖3中，Rhi,Rho為加熱片內(nèi)、外絕緣導熱層的熱阻；Rm為測溫片熱阻；Rc為陀螺殼體熱阻；RF,RP為浮液對流熱阻和陀螺安裝面的傳導熱阻; Rg,Rk為屏蔽罩與平臺帽罩的熱阻。

3 溫控系統(tǒng)數(shù)學模型

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[9]如圖4所示。

系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)如下

式中 K0=SBKPKDKFKAK1K2K3為靜態(tài)放大系數(shù)。

圖4 陀螺溫控系統(tǒng)方框圖Fig 4 Block diagram of temperature control system of gyro

SB為電橋測溫靈敏度；KP，KD,KFF(s)，KA為前放、解調(diào)、動態(tài)補償、電流放大級的傳遞系數(shù)；K1,K2,K3為加熱片、浮液外壁與內(nèi)壁的熱導系數(shù)；αW,αT為TW,RT的電阻溫度系數(shù)；TW,TF為要求的工作溫度與實際的控制溫度。

假定不用校正網(wǎng)絡，令F(s)=1，當采用熱敏電阻器串聯(lián)測溫時，RT=RF+RC，并聯(lián)熱路的傳遞函數(shù)為

這相當于增加微分比例環(huán)節(jié)，改善了系統(tǒng)動態(tài)特性，這是因為外測溫絲比內(nèi)測溫絲超前敏感溫度的變化，選擇n為某一最佳值中，使動態(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)和動態(tài)參數(shù)。

4 實驗驗證

實驗主要對比現(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參數(shù)。根據(jù)上述對溫控系統(tǒng)的分析和長期試驗積累選擇了合適的n值，試驗所采取的溫控方式為：保留原測溫線圈，并在陀螺儀接線環(huán)背面接測溫電阻器Pt100作為新的測溫電阻器；保留原熱敏線圈，并在專門制作的接線片上串聯(lián)相應數(shù)量的熱敏電阻器Pt100,示意圖如圖5、圖6。

圖5 測溫電阻裝配示意圖Fig 5 Diagram of assembly of temperature measurement resistor

圖6 熱敏電阻器裝配示意圖Fig 6 Diagram of thermistor assembly

在原熱敏線圈和鉑熱敏電阻器二種工作方式下，分別采集測溫線圈和測溫電阻器的阻值，對比兩種工作方式下的溫控精度、測漂精度和翻滾殘差，對比在兩種熱敏元件的工作方式下對陀螺儀的各種靜態(tài)動態(tài)性能的影響。

4.1 溫控精度測試試驗

按照測試方案,分別對8只試驗陀螺儀兩種溫控狀態(tài)進行了8 h的靜態(tài)溫控精度測試。采集8 h測試數(shù)據(jù)，重復7次試驗，計算每次測試數(shù)據(jù)的標準方差，陀螺一次啟動連續(xù)測試的標準偏差σ，并用σ作為陀螺溫控精度的測試結(jié)果

試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表1。

表1 試驗陀螺儀溫控試驗數(shù)據(jù)表Tab 1 Temperature control test data sheet of experimental gyroscope

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?shù)臏乜鼐取＝?jīng)計算，將熱敏線圈作為溫控元件的平均溫控精度為0.009 8℃，將熱敏電阻器作為溫控元件的平均溫控精度為0.009 6℃。

4.2 翻滾試驗

將試驗陀螺儀按照正常測試程序進行平行極軸12點翻滾,翻滾的初始位置是：自轉(zhuǎn)軸SA指西，輸入軸IA指南。轉(zhuǎn)臺以每30°的增量進行斷續(xù)翻滾，并記錄每一位置相應的反饋電流Ii，采樣平均時間為1 min。這樣，翻滾一周共有12個數(shù)據(jù)，用富氏分析法對所得數(shù)據(jù)進行處理。

Ii=a0+a1cosφ1+b1sinφi+a2cos 2φi+b2sini2φi.

同時采集測溫線圈和測溫電阻器阻值,將翻滾過程中所采集數(shù)據(jù)的標準方差作為溫度穩(wěn)定性的標準,同時記錄翻滾殘差,翻滾7次,把每組標準方差值,翻滾殘差錄入試驗數(shù)據(jù)表格。翻滾數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計如表2。

表2 試驗陀螺儀翻滾試驗數(shù)據(jù)表Tab 2 Test data table of experimental gyroscope rollover

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，翻滾試驗具有相當?shù)姆瓭L殘差。

4.3 時間穩(wěn)定性測試

表3是實驗陀螺儀分別采用熱敏線圈和鉑熱敏電阻器進行測試的陀螺儀時間穩(wěn)定性。

表3 試驗陀螺儀精度調(diào)試數(shù)據(jù)表Tab 3 Precision debug data sheet of experimental gyroscope

從以上試驗數(shù)據(jù)可以看出：采用鉑熱敏電阻器后，陀螺儀的時漂小于0.001°/h,沒有對其精度產(chǎn)生影響。

5 結(jié) 論

本文通過對液浮陀螺儀溫控系統(tǒng)的分析研究，得出了系統(tǒng)對熱敏元件的基本要求，鑒于長期使用的線繞元件可靠性較差的問題，本文對滿足溫控系統(tǒng)條件的熱敏線圈和鉑熱敏電阻器進行了一系列對比試驗，試驗結(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的依據(jù)。

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Application of Pt thermistor in temperature control system of liquid floating gyroscope

FU Zhong-ze, ZHAO Bing-quan, WANG Zhi-qi

(Tianjin Navigation Instrument Research Institute,Tianjin 300131,China)

Temperature control model of liquid floating gyroscope is established,its structure,composition and working principle are analyzed in-depth.Aiming at various structural parameters of the constructed mathematical model are analyzed.It is verified by experiments on temperature control system of thermal coil and Pt thermistor which meets conditions,experimental results show that static and dynamic properties of improved temperature control system is streghtherned and control precision is not unaffected,usage of Pt thermistor does not affect performance index of liquid floating gyro,provide a strong basis for liquid floating gyroscope to select more reliable temperature control device.

liquid floating gyroscope； thermistor； temperature control system

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0150—04

2014—05—29

TH 811.1

A

1000—9787(2014)08—0150—04

傅中澤(1966-)，男，吉林省長春人，高級工程師，從事慣性系統(tǒng)的研究工作。