主動(dòng)制冷型溫控系統(tǒng)在捷聯(lián)式重力儀上的應(yīng)用

王響雷，楊 雨，薛正兵

(1.北京航天控制儀器研究所，北京100039；2.中國航天電子技術(shù)研究院，北京100094)

0 引言

隨著慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，慣導(dǎo)系統(tǒng)(Inertial Navigation System，INS)測量精度的提升一直被人們關(guān)注[1]，慣性器件誤差控制與補(bǔ)償研究對(duì)系統(tǒng)測量精度的提升起著至關(guān)重要的作用[2]。其中，溫度誤差對(duì)慣性器件的影響尤為重要，因此環(huán)境溫度控制是提升其測量精度的關(guān)鍵技術(shù)[3]。慣性器件溫度誤差模型分為兩類：1)靜態(tài)溫度誤差，僅跟溫度絕對(duì)值相關(guān)；2)動(dòng)態(tài)溫度誤差，與溫度變化率和溫度梯度相關(guān)[4]。僅通過靜態(tài)溫度誤差模型的標(biāo)定與補(bǔ)償，慣性器件的輸出精度無法滿足高精度的測量要求。

為了有效控制動(dòng)態(tài)溫度誤差，需要對(duì)慣性器件進(jìn)行精密環(huán)境溫度控制，使得慣性器件工作在一個(gè)穩(wěn)定的溫度點(diǎn)上[5]。由于系統(tǒng)只能被動(dòng)地通過儀器結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對(duì)流等方式進(jìn)行散熱，考慮到INS工作的外部溫度環(huán)境，慣性器件的工作環(huán)境穩(wěn)態(tài)溫度一般在55℃～60℃之間[6]。在高溫情況下，一方面，慣性器件的輸出漂移與長期穩(wěn)定性相較于常溫和低溫均偏高；另一方面，慣性器件及電路電子器件的使用壽命和可靠性也大大降低[7]。

針對(duì)上述問題，本文以某型捷聯(lián)式重力儀為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了新型溫控系統(tǒng)的方案，主要實(shí)現(xiàn)了溫控系統(tǒng)的主動(dòng)制冷功能，降低儀器本體穩(wěn)態(tài)溫度，為慣性器件提供了一個(gè)穩(wěn)定的工作環(huán)境。

1 儀器溫度場分析

1.1 儀器結(jié)構(gòu)

某型捷聯(lián)式重力儀主機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由五部分組成：箱體、上蓋組合、下蓋組合、本體組合和電路板組合。箱體、上蓋組合和下蓋組合共同構(gòu)成儀器的外殼，是重力儀的第一級(jí)熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)；本體組合最外層是本體罩，其內(nèi)部包含本體單元和加速度計(jì)單元。完整的儀器是一個(gè)針對(duì)加速度測量單元和儀器外環(huán)境的三級(jí)溫控結(jié)構(gòu)，其示意圖如圖1所示。

圖1 三級(jí)溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the three-level temperature control system

1.2 儀器溫度場仿真分析

在加熱型溫控系統(tǒng)作用下，上述三級(jí)熱傳導(dǎo)溫控系統(tǒng)的各級(jí)穩(wěn)態(tài)溫度由外到內(nèi)依次為45℃、51℃、56℃。本文使用內(nèi)嵌于SolidWorks的計(jì)算流體力學(xué)軟件FloEFD對(duì)儀器的三維模型進(jìn)行溫度場分析，圖2為儀器處于外部高溫環(huán)境(40℃)時(shí)的溫度場特征剖面圖。位于熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)最內(nèi)層級(jí)的加速度測量單元溫度高達(dá)56℃，且儀器內(nèi)部溫度場分布不均勻，整體溫度梯度過大，不利于慣性器件的工作穩(wěn)定性。

圖2 儀器溫度場特征剖面圖Fig.2 Characteristic section of instrument temperature field

2 加速度計(jì)的溫度穩(wěn)定性

重力測量用高精度加速度計(jì)是捷聯(lián)式重力儀的主要傳感器之一，它的輸出精度及穩(wěn)定性直接影響著儀器的測量精度與穩(wěn)定性。加速度計(jì)的比力測量誤差δfb主要受加速度計(jì)零偏誤差K0和標(biāo)度因數(shù)誤差K1的影響[8]。表1為某批次三只石英撓性加速度計(jì)在常溫下的性能參數(shù)。

表1 加速度計(jì)的性能參數(shù)Table 1 Performance technical parameters of accelerometers

溫度發(fā)生變化時(shí)，加速度計(jì)的零偏誤差K0和標(biāo)度因數(shù)誤差K1都會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響加速度計(jì)的溫度穩(wěn)定性。加速度計(jì)的溫度穩(wěn)定性包含了K0和K1的靜態(tài)溫度誤差與動(dòng)態(tài)溫度誤差。通過誤差建模與標(biāo)定，K0和K1的靜態(tài)溫度誤差可以通過軟件進(jìn)行補(bǔ)償；而K0和K1的動(dòng)態(tài)溫度誤差與加速度計(jì)工作溫度的變化率、梯度等變量有關(guān)，該部分難以建立誤差模型，一般采取精密溫控的方法進(jìn)行控制[9]。

圖3為上述三只加速度計(jì)全工作范圍(－40℃～＋70℃)下的K0和K1的測量散點(diǎn)圖和擬合曲線。對(duì)圖3中的擬合曲線進(jìn)行求導(dǎo)，可以得到各自的溫度系數(shù)變化曲線，如圖4所示。在該溫度區(qū)間下，三個(gè)加速度計(jì)的K0和K1的平均溫度系數(shù)分別為3.72μg／℃ 和 58.74 × 10－6／℃、12.42μg／℃ 和62.66×10－6／℃、0.95μg／℃ 和 85.81×10－6／℃。 根據(jù)兩項(xiàng)誤差的溫度變化曲線，并綜合其溫度系數(shù)變化，設(shè)置石英撓性加速度計(jì)工作溫度在35℃～45℃范圍內(nèi)可以綜合優(yōu)化加速度計(jì)的靜態(tài)溫度誤差及其溫度系數(shù)，有利于軟件補(bǔ)償。

圖3 K0和K1的測量擬合曲線Fig.3 Measurement fitting curves of K0and K1

圖4 K0和K1的溫度系數(shù)變化曲線Fig.4 Temperature coefficient curves of K0and K1

此外，本文對(duì)輸入為1g的加速度計(jì)進(jìn)行了長期穩(wěn)定性測量，同一加速度計(jì)在不同溫度下的穩(wěn)定性測量結(jié)果如表2所示。根據(jù)10天、25天的測量結(jié)果，相較于高溫狀態(tài)，處于常溫狀態(tài)下的加速度計(jì)穩(wěn)定性更好，且常溫下加速度計(jì)13個(gè)月的穩(wěn)定性在數(shù)值上優(yōu)于高溫下25天的穩(wěn)定性，這說明高溫對(duì)加速度計(jì)輸出的長期穩(wěn)定性影響極大。

表2 長期穩(wěn)定性測量結(jié)果Table 2 Measurement results of long-term stability

所以，針對(duì)加速度計(jì)的溫度穩(wěn)定性難以建模和長期穩(wěn)定性受溫度影響問題，本文設(shè)計(jì)了帶有主動(dòng)制冷功能的新型溫控系統(tǒng)，能夠降低儀器內(nèi)部溫度，穩(wěn)定加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)溫度誤差，提升加速度計(jì)的溫度穩(wěn)定性與長期穩(wěn)定性。

3 主動(dòng)制冷型溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主動(dòng)制冷型溫控系統(tǒng)使用基于Peltier效應(yīng)的TEC元件制冷。通電時(shí)，TEC元件冷端吸收本體內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，熱端將該部分熱量傳導(dǎo)至儀器外殼部分，并通過外殼結(jié)構(gòu)的熱輻射和風(fēng)機(jī)的強(qiáng)制對(duì)流將熱量傳遞至環(huán)境中。TEC的主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 TEC的主要技術(shù)參數(shù)Table 3 Main technical parameters of TEC

基于嵌入式芯片STM32的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖5所示，整個(gè)系統(tǒng)閉環(huán)設(shè)計(jì)的原理是：通過采集各個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)的溫度偏差及其變化率，控制芯片根據(jù)模糊PID控制策略輸出相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)(Pulse Width Modulation，PWM)來調(diào)節(jié)控制對(duì)象的工作狀態(tài)，以達(dá)到控制結(jié)構(gòu)溫度的目的。鉑電阻測溫傳感器與控制對(duì)象通過重力儀結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合，電路板及控制對(duì)象分布示意圖如圖6所示。

圖5 主動(dòng)制冷型溫控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.5 Hardware design block diagram of active-cooling temperature control system

圖6 硬件電路板及溫控對(duì)象分布圖Fig.6 Distribution diagram of hardware circuit board and temperature control object

作為測溫傳感器時(shí)，鉑電阻阻值隨溫度的變化近似線性，根據(jù)電橋放大及A／D轉(zhuǎn)換電路的參數(shù)，測溫模塊的分辨率優(yōu)于0.001℃。由于測溫電路模塊中的測量誤差、溫度漂移、電平波動(dòng)等使用鉑電阻出廠參數(shù)進(jìn)行溫度計(jì)算會(huì)造成溫度測量誤差，為了消除該項(xiàng)誤差，本文進(jìn)行了測溫模塊的標(biāo)定校準(zhǔn)，對(duì)鉑電阻的溫度系數(shù)進(jìn)行了重新修訂，并通過測溫驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得到：測量溫度值與絕對(duì)溫度值之間的誤差在0.06%以內(nèi)。

4 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

與1.2節(jié)加熱型溫控系統(tǒng)仿真相似，對(duì)儀器三維模型添加熱電制冷器模擬組件，得到配置主動(dòng)制冷型溫控系統(tǒng)的儀器溫度場，其特征剖面溫度分布如圖7所示。

圖7 儀器(配置主動(dòng)制冷型溫控系統(tǒng))溫度場特征剖面圖Fig.7 Characteristic section of instrument temperature field with active-cooling temperature control system

為了驗(yàn)證該溫控系統(tǒng)的有效性與合理性，本文整合了主動(dòng)制冷型溫控系統(tǒng)與重力儀的結(jié)構(gòu)，并對(duì)系統(tǒng)仿真控制效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。利用溫箱設(shè)置環(huán)境溫度為40℃，保溫2h后進(jìn)行控溫實(shí)驗(yàn)。由圖8(a)的本體罩溫度監(jiān)測曲線可知，本體罩結(jié)構(gòu)溫度在系統(tǒng)運(yùn)行約1200s后達(dá)到30℃的穩(wěn)態(tài)。由圖8(b)的曲線局部放大圖可知，溫控系統(tǒng)的單級(jí)穩(wěn)態(tài)控制精度在±0.05℃內(nèi)。

圖8 本體罩溫度監(jiān)測曲線Fig.8 Temperature monitoring curve of body cover

統(tǒng)計(jì)儀器的各級(jí)穩(wěn)態(tài)溫度數(shù)據(jù)，并將其與加熱型溫控系統(tǒng)下的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果如表4所示。由表4可知，配置主動(dòng)制冷型溫控系統(tǒng)的儀器本體罩溫度下降最為明顯，溫差達(dá)到了－21.00℃，且加速度計(jì)工作環(huán)境溫度能夠降低并穩(wěn)定到43.59℃，處于其適宜溫度范圍內(nèi)。

表4 不同溫控系統(tǒng)下的溫度數(shù)據(jù)比較Table 4 Comparison of temperature data under different temperature control systems

5 結(jié)論

本文從儀器溫度場分析入手，通過測量數(shù)據(jù)分析了高溫對(duì)加速度計(jì)輸出誤差及其溫度系數(shù)的影響，對(duì)比了常溫和高溫下加速度計(jì)的長期穩(wěn)定性水平，并據(jù)此提出了主動(dòng)制冷型溫控系統(tǒng)的控制指標(biāo)。主動(dòng)制冷型溫控系統(tǒng)以加熱片和TEC元件為控制對(duì)象，在外界高溫環(huán)境下能夠?qū)x器的本體罩穩(wěn)態(tài)溫度從51℃降低到30℃±0.05℃，同時(shí)有效降低了慣性器件的工作環(huán)境溫度及溫度變化率，合理控制了溫度場分布。本系統(tǒng)提升了捷聯(lián)式重力儀的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，有助于捷聯(lián)式重力儀在復(fù)雜環(huán)境下開展高精度重力數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)測量工作，同時(shí)也為優(yōu)化其他類型慣性導(dǎo)航儀器的溫控系統(tǒng)提供了參考方案。