鉑熱敏電阻在液浮陀螺儀溫控系統中應用

摘要:建立了液浮陀螺儀溫控模型,深人分析了其結構組成和工作原理。針對所建立的數學(xué)模型對各個(gè)結構參數進(jìn)行了分析研究。對滿(mǎn)足條件的熱敏線(xiàn)圈和鉑熱敏電阻的溫控系統進(jìn)行了實(shí)驗驗證,實(shí)驗結果表明:改進(jìn)后溫控系統的靜態(tài)性能和動(dòng)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。
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。溫度變化對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溫度的敏感性;二是周?chē)鷾囟葓?chǎng)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(cháng)期可靠的穩定工作是--項非常重要的工作。國內外有關(guān)此方面的研究通?？蓺w納為以下三類(lèi)解決方法[3]:
1) 通過(guò)合理設計改善陀螺結構,使陀螺器件的布局、零件的材料和結構形狀滿(mǎn)足對溫度不敏感的要求;
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;
3)通過(guò)熱力學(xué)分析和試驗研究的方法辨識出陀螺的靜、動(dòng)態(tài)溫度模型,并依此進(jìn)行溫度誤差補償。本文通過(guò)理論分析和試驗驗證,對現有陀螺儀溫控系統做研究和改進(jìn),大量數據表明:改進(jìn)后的溫控系統有更好的辨識精度和更.高的可靠性。
1液浮陀螺溫控系統的組成和工作原理
　　液浮陀螺儀的溫控系統包括測溫電橋動(dòng)態(tài)補償環(huán)節和功率放大級。
1)測溫電橋
　　內外測溫鉑金串聯(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構成。Rw為工作溫度設定可調電阻,可微調給定溫度值。測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)補償環(huán)節
　　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，多采用微分、積分.比例校正環(huán)節K(s)。
3)功率放大級與加溫
　　動(dòng)態(tài)補償電路輸出,經(jīng)功率放大轉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參數的選擇。
　　測溫元件用電阻系數穩定的鉑金絲，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(xiàn)圈置于浮液內直接敏感油溫。加熱元件采用高阻系數的鎳鉻片,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(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)對流出去。陀螺熱的傳導除與傳導路徑的熱阻和熱容量有關(guān)外,還與作為溫控系統干擾源的環(huán)境溫度的變化有關(guān)。浮液的熱傳導如圖2所示。
 
　　根據具體結構尺寸和材料計算出各節點(diǎn)間的熱阻系數,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、外絕緣導熱層的熱阻;R.為測溫片熱阻;Re為陀螺殼體熱阻;Rf,Rp為浮液對流熱阻
 
3溫控系統數學(xué)模型
　　根據上述式(1).式(2).式(3)可以做出陀螺溫控系統的方塊圖“如圖4所示。
　　系統的開(kāi)環(huán)傳遞函數如”下
 
　　S_B為電橋測溫靈敏度;Kp,KD,KF,F(s),KA為前放、解調、動(dòng)態(tài)補償、電流放大級的傳遞系數;K1,K2,K3為加熱片、浮液外壁與內璧的熱導系數;aw,ar為T(mén)w,Rr,的電阻溫度系數;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,當采用熱敏電阻器串聯(lián)測溫時(shí),Rr=Rf+Rc,并聯(lián)熱路的傳遞函數為
 
　　這相當于增加微分比例環(huán)節,改善了系統動(dòng)態(tài)特性,這是因為外測溫絲比內測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]。根據溫控特性要求,即可選擇系統的靜態(tài)參數和動(dòng)態(tài)參數。
4實(shí)驗驗證
　　實(shí)驗主要對比現在天津航海研究所正在用的線(xiàn)繞熱敏元件和鉑熱敏電阻器的各項參數。根據上述對溫控系統的分析和長(cháng)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(xiàn)圈,并在陀螺儀接線(xiàn)環(huán)背面接測溫電阻器P100作為新的測溫電阻器;保留原熱敏線(xiàn)圈,并在專(zhuān)門(mén)制作的接線(xiàn)片上串聯(lián)相應數量的熱敏電阻器P100,示意圖如圖5、圖6。
 
　　在原熱敏線(xiàn)圈和鉑熱敏電阻器二種工作方式下，分別采集測溫線(xiàn)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(dòng)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(jìn)行了8h的靜態(tài)溫控精度測試。采集8h測試數據,重復7次試驗,計算每次測試數據的標準方差,陀螺--次啟動(dòng)連續測試的標準偏差σ,并用σ作為陀螺溫控精度的測試結果
 
　　從表1可以看出:作為溫控元件的熱敏電阻器和熱敏線(xiàn)圈具有相當的溫控精度。經(jīng)計算,將熱敏線(xiàn)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
　　將試驗陀螺儀按照正常測試程序進(jìn)行平行極軸12點(diǎn)翻滾,翻滾的初始位置是:自轉軸SA指西,輸人軸IA指南。轉臺以每30°的增量進(jìn)行斷續翻滾，并記錄每一-位置相應的反饋電流I,,采樣平均時(shí)間為1min。這樣,翻滾一周共有12個(gè)數據,用富氏分析法對所得數據進(jìn)行處理。
 
　　同時(shí)采集測溫線(xiàn)圈和測溫電阻器阻值,將翻滾過(guò)程中所采集數據的標準方差作為溫度穩定性的標準,同時(shí)記錄翻滾殘差,翻滾7次,把每組標準方差值,翻滾殘差錄人試驗數據表格。翻滾數據結果統計如表2。
 
　　以上數據表明:在鉑熱敏電阻器和熱敏線(xiàn)圈兩種不同.元件的溫控狀態(tài)下,翻滾試驗具有相當的翻滾殘差。
4.3時(shí)間穩定性測試
　　表3是實(shí)驗陀螺儀分別采用熱敏線(xiàn)圈和鉑熱敏電阻器進(jìn)行測試的陀螺儀時(shí)間穩定性。
 
　　從以上試驗數據可以看出:采用鉑熱敏電阻器后,陀螺儀的時(shí)漂小于0.001°/h,沒(méi)有對其精度產(chǎn)生影響。
5結論
　　本文通過(guò)對液浮陀螺儀溫控系統的分析研究,得出了系統對熱敏元件的基本要求,鑒于長(cháng)期使用的線(xiàn)繞元件可靠性較差的問(wèn)題,本文對滿(mǎn)足溫控系統條件的熱敏線(xiàn)圈和鉑熱敏電阻器進(jìn)行了一系列對比試驗,試驗結果表明:在保證系統溫控精度的前提下,鉑熱敏電阻器替代線(xiàn)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。