艦船磁場(chǎng)測(cè)量磁通門(mén)測(cè)磁儀電源電路設(shè)計(jì)改進(jìn)

李豐渫，李富安，沈 皓，黃 衛(wèi)，毋金科，黃華俊，劉 樂(lè)

（中國(guó)人民解放軍92557部隊(duì)，廣東 廣州 510000）

0 引言

艦船磁場(chǎng)的測(cè)量技術(shù)在二戰(zhàn)后引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，這使得艦船磁場(chǎng)方面的研究成果不斷地涌現(xiàn)。基于磁通門(mén)原理的測(cè)磁儀大量使用在各型艦船的磁場(chǎng)測(cè)量工作中，其具備測(cè)量準(zhǔn)確、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，該型測(cè)磁儀由控制設(shè)備、測(cè)磁傳感器、便攜式供電電源、聯(lián)接電纜4部分組成[1]，主要用來(lái)測(cè)量艦船磁場(chǎng)的垂向分量和地磁場(chǎng)大小[2]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和測(cè)量環(huán)境的變化，測(cè)磁儀電源電路結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，部分元器件需要更新?lián)Q代，通過(guò)進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和優(yōu)化能高效做到快速及時(shí)地維修和更換、減小電源體積和重量，以便提高艦船磁場(chǎng)測(cè)量的效率。

現(xiàn)有傳統(tǒng)的測(cè)磁儀電源電路復(fù)雜，使得存在體積大、電池容量小等缺點(diǎn)。本文首先在分析電源電路充放電以及電池組部分的缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，將充電部分中 SUCCESS型小型全密閉蓄電池改為聚合物鋰電池，變壓器及整流橋改為開(kāi)關(guān)電源模塊，放電部分由原來(lái)僅有的1級(jí)穩(wěn)壓改進(jìn)為采用2級(jí)穩(wěn)壓。

1 測(cè)磁儀電源電路分析

1.1 電源電路的原理

為磁通門(mén)測(cè)磁儀提供電源輸出的是便攜式電源，是一個(gè)獨(dú)立的電源箱。內(nèi)置 4 A·h可充電式電池，電壓為±12 V，滿電情況下正常工作時(shí)間不小于8 h，充電電壓AC220 V，頻率50 Hz，功率26 W，重量 7 kg，體積 520 mm×320 mm×200 mm[3]。其電路圖和實(shí)物如圖1–2所示。

圖1 測(cè)磁儀便攜式電源電路圖Fig.1 Schematic diagram of magnetometer’s portable power circuit

圖2 測(cè)磁儀便攜式電源實(shí)物圖Fig.2 Real picture of magnetometer’s portable power supply

電源電路分為充電部分、電池組及放電部分。電路原理分析如下。

1）充電部分由市電220 V供電，經(jīng)由變壓器降壓、全波整流橋和限流電路后給電池組進(jìn)行充電。控制及顯示電路主要是防止電源過(guò)充、短路保護(hù)并顯示實(shí)時(shí)電壓，如圖3所示。

圖3 充電電路實(shí)物Fig.3 Real picture of charging circuit

2）供電部分由電池組經(jīng)可調(diào)式三端集成穩(wěn)壓器LM317構(gòu)成的穩(wěn)壓電路，輸出為±9 V，給儀器各部分供電。當(dāng)儀器接通時(shí)，發(fā)光二極管 D33發(fā)綠色光，當(dāng)電池組有足夠的電壓時(shí)，比較器U33輸出低電平，儀器正常工作；當(dāng)電池組電壓較低時(shí)，U33輸出高電平，發(fā)光二極管D34發(fā)出紅色光提示。

1.2 電源電路的缺點(diǎn)分析

1）電源電路占用體積過(guò)大，使用時(shí)散熱效果不好，導(dǎo)致元器件長(zhǎng)時(shí)間處于高溫的環(huán)境下，影響元器件的精確度、穩(wěn)定性，輸出功率減小，甚至造成電子零件損壞。

2）電池組采用 SUCCESS型小型全密閉蓄電池，體積較大，容量?jī)H為4 A·h。使用壽命較短、電量衰減率高，不能重復(fù)使用和提供持久穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

3）在實(shí)際使用中，電壓比較器有些情況下不能準(zhǔn)確地指示電源電壓。這是因?yàn)榉烹姴糠种唤?jīng)過(guò)一級(jí)穩(wěn)壓，且由于LM317正常工作時(shí)輸入輸出端至少有3 V的電壓差，所以當(dāng)電源電壓過(guò)低時(shí)，輸出電壓不能穩(wěn)定在9 V。這時(shí)，儀器雖然在工作，但誤差較大，影響測(cè)量結(jié)果。

2 測(cè)磁儀電源電路改進(jìn)設(shè)計(jì)及測(cè)試

2.1 改進(jìn)后電源電路的原理

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，經(jīng)過(guò)多次修改，設(shè)計(jì)出改進(jìn)后的電源原理框圖和具體電路，如圖4–5所示。

圖4 改進(jìn)后電源原理框圖Fig.4 Principle block diagram of improved power supply

圖5 改進(jìn)后電源電路圖Fig.5 Schematic diagram of improved power circuit

1）充電部分由市電220 V供電，經(jīng)由開(kāi)關(guān)電源模塊和LM317充電限流電路給電池組進(jìn)行充電。

① J1為市電接口，通過(guò)電源線將交流 220 V市電接入電路，經(jīng)保險(xiǎn)絲F1給開(kāi)關(guān)電源模塊U1供電，開(kāi)關(guān)電源輸出紋波較小的直流電，進(jìn)入三端集成穩(wěn)壓器LM317構(gòu)成的限流充電電路。

③ 由于 LM317工作時(shí)輸入輸出兩端至少有3 V的電壓差，故開(kāi)關(guān)電源模塊輸出電壓至少調(diào)節(jié)到28.2 V。

④ S1是一個(gè)雙向開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)S1向觸點(diǎn)3點(diǎn)接通時(shí)，電路進(jìn)行充電[5]。R3為 1 Ω限流電阻，Q1導(dǎo)通電壓為0.6 V。故當(dāng)充電電流大于0.6 A時(shí)Q1導(dǎo)通，將充電電流控制在0.6 A以下。

2）供電部分由聚合物電池組分別經(jīng)DKA15B–12型15WDC–DC穩(wěn)壓模塊、LM317與LM337構(gòu)成的±9 V穩(wěn)壓電路儀器給各部分供電。

當(dāng)開(kāi)關(guān) S1與觸點(diǎn) 2接觸時(shí)，鋰電池放電。U3是一款DC–DC模塊，該模塊在輸入為18～36 V的情況下輸出穩(wěn)定在±12 V。U3輸出的±12 V再經(jīng)穩(wěn)壓電路給儀器供給±9 V的電壓，儀器正常工作。

2.2 改進(jìn)后電源電路測(cè)試

在對(duì)電路的原理、功能進(jìn)行了充分論證后，對(duì)實(shí)際的電源電路進(jìn)行性能指標(biāo)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接框圖和設(shè)備連接圖如圖6–7所示。

圖6 電源模塊測(cè)試實(shí)驗(yàn)連接框圖Fig.6 Connection block diagram of power module test

圖7 測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接圖Fig.7 Connection diagram of test experiment device

具體方法：1）將原測(cè)磁儀模擬板拆下后連接到配套的測(cè)磁儀專(zhuān)用調(diào)試臺(tái)上；2）將磁探頭連接至專(zhuān)用調(diào)試臺(tái)上，使模擬板能夠輸出一個(gè)和磁場(chǎng)大小有關(guān)的信號(hào)；3）切斷調(diào)試臺(tái)與模擬板之間的電壓供應(yīng)；4）將改進(jìn)后的電源模塊接入模擬板電源供應(yīng)口；5）打開(kāi)調(diào)試臺(tái)開(kāi)關(guān)和改進(jìn)后電源模塊供電開(kāi)關(guān)，測(cè)量電源兩端輸出電壓以及模擬板輸出電壓。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的電源電路能穩(wěn)定地給測(cè)磁儀供電。在充電電流為0.6 A左右的情況下，鋰電池充電時(shí)間大約為10 h，且輸出電壓穩(wěn)定，不影響儀器精度。

2.3 改進(jìn)后電源電路的優(yōu)點(diǎn)分析

1）將變壓器及整流橋改為開(kāi)關(guān)電源模塊，如圖8所示，其尺寸為127 mm×76 mm×28 mm，重量?jī)H為200 g。選用單體電壓為3.7 ～ 4.2 V的6 A·h鋰電池，6節(jié)串聯(lián)，電池組電壓達(dá)到22.2 ～ 25.2 V，體積約為原蓄電池的1/2。不僅減小了體積，解決了攜帶不便的問(wèn)題，而且在對(duì)電池組進(jìn)行充電時(shí)充電電壓更穩(wěn)定。

圖8 開(kāi)關(guān)電源實(shí)物Fig.8 Real picture of switching power supply

2）采用LM317構(gòu)成涓流充電限流電路，具有形式簡(jiǎn)單、輸出電壓可調(diào)、調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優(yōu)點(diǎn)[6]，且能提供超過(guò)1.5 A的電流。采用其構(gòu)成的涓流充電限流電路，發(fā)熱少，不會(huì)過(guò)充，對(duì)電池壽命影響小。

3）SUCCESS型小型全密閉蓄電池改為聚合物鋰電池，自放電率小、壽命長(zhǎng)、能量密度大、安全性能高，長(zhǎng)時(shí)間不使用的情況下能量損失很小[7]。

4）電池放電電路采用兩級(jí)穩(wěn)壓。第1級(jí)采用DKA15B–12型 15WDC–DC 穩(wěn)壓模塊[8]，其體積為50.8 mm×25.4 mm×11.27 mm，該模塊在輸入18～36 V的條件下輸出固定為±12 V，如圖9所示。第2級(jí)采用LM317與LM337構(gòu)成的±9 V電路，采用這種模式后，當(dāng)電池組電壓高于18 V時(shí)由于1級(jí)穩(wěn)壓的存在，電源始終能以±12 V的穩(wěn)定電壓輸出，不影響2級(jí)穩(wěn)壓的輸出。當(dāng)電池組電壓低于18 V時(shí)便自動(dòng)斷電，不存在欠壓工作情況，進(jìn)而提高了測(cè)磁儀的穩(wěn)定性。單次充電后，儀器可以使用時(shí)間更長(zhǎng)。

圖9 DC–DC穩(wěn)壓模塊實(shí)物Fig.9 Real picture of DC–DC voltage regulator module

5）改進(jìn)后的供電電源元器件數(shù)量減少一半以上，電路更加精簡(jiǎn)，充電時(shí)散熱性能更好，可將其裝入測(cè)磁儀控制臺(tái)，而不影響測(cè)磁儀其它部分電路正常工作，解決了操作繁瑣的問(wèn)題。改進(jìn)前后電池組、電源模塊對(duì)比如圖10–11所示。

圖10 改進(jìn)前的電池組和電源模塊Fig.10 Battery pack and power module before improvement

圖11 改進(jìn)后的電池組和電源模塊Fig.11 Battery pack and power module after improvement

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有磁通門(mén)測(cè)磁儀供電電路的分析，針對(duì)存在的問(wèn)題，對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，解決了電路復(fù)雜、體積大、電池容量小等問(wèn)題，提高了儀器集成度和整體性能，尤其在水下和空中作業(yè)時(shí)方便攜帶，在艦艇磁場(chǎng)的測(cè)量中更加快捷、方便。