高速旋轉狀態(tài)下電池性能的紅外遙測系統

摘要：介紹了一種紅外遙測系統，該系統可以對高速旋轉狀態(tài)下的供電電壓和噪聲值進(jìn)行精確測量和記錄。它為高速旋轉機上激活的熱電池、化學(xué)電池的測試提供了一種抗干擾能力強、測量精度高的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：紅外遙測 電池 高速旋轉機 抗干擾

高速旋轉狀態(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量是一項非常重要但又困難的事件。目前，根據信號傳輸形式的不同，檢測方法有電刷接觸有線(xiàn)測量、水銀集流環(huán)有線(xiàn)測量和無(wú)線(xiàn)電遙測等。但這些方法適用的測試范圍有限，對于速度很具有強電磁干擾的新型高速旋轉機的情況不能適用。為了滿(mǎn)足新型高速旋轉機上的電池高精度測試的要求，我們開(kāi)發(fā)了電池供電特性紅外遙測系統，取得了很好的效果。

1 遙測系統結構

由于高速旋轉機在工作時(shí)產(chǎn)生極其強大的電磁干擾，抗干擾設計成為系統設計的關(guān)鍵所在。試驗表明，電磁感應耦合方式和無(wú)線(xiàn)電傳輸方式都受到嚴重干擾而不能正常應用。我們最終選擇紅外遙測的方法，成功解決了強電磁場(chǎng)干擾的問(wèn)題。

遙測系統由測量與調制發(fā)射電路、前置接收放大電路、解調電路三部分組成，如圖1所示。測量與發(fā)射電路和被測電池一起裝在高速旋轉機上隨機高速運動(dòng)，發(fā)射管處于旋轉軸線(xiàn)上，可連續發(fā)射輸出信號。接收電路固定在旋轉機外適宜接收信號的位置。

2 遙測系統的硬件設計

2.1 電池信號測量轉換電路

此電路安裝在旋轉機上和被測電池一起旋轉，電路由被測電池供電；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32V，而交流噪聲信號的電壓值Vpp僅為25mV，幅值相差很懸殊，不宜在一種范圍里進(jìn)行轉換。因此，分別采用交、直流測量電路，這樣可以按轉換關(guān)系對直流電壓進(jìn)行衰減，對交流信號適當放大。

電路中IC1采用精密穩壓芯片AD586為后級電路供電，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 接收與解調濾波電路

將光信號接收、轉換、前置放大電路與解調電路分開(kāi)是提高系統抗干擾能力的一項重要措施；將光電轉換后的電信號放大再進(jìn)行遠距離傳輸，可以使解調電路遠離高速旋轉機。前置放大電路由光信號接收與轉換、電信號放大整形、電信號輸出三部分組成，如圖3所示。這部分電路密封在金屬殼內，可有效防止外界電磁場(chǎng)的干擾。輸出的方波信號經(jīng)屏蔽線(xiàn)傳輸到解調電路。解調電路可分為接收整形電路、鎖相環(huán)解調電路、濾波輸出電路三部分，如圖4所示。

經(jīng)導線(xiàn)傳輸來(lái)的方波信號已經(jīng)變形，整形電路需將變形的方波信號重新轉變?yōu)闃藴实姆讲?，以滿(mǎn)足鎖相環(huán)電路的要求。鎖相環(huán)電路由CD4046構成，其本身即是一個(gè)振蕩電路。當沒(méi)有信號輸入時(shí)，其輸出為0；有信號輸入時(shí)，其內部的比較器對自身的振蕩頻率和輸入信號的頻率進(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，使之與輸入信號嚴格同步，輸出的相位比較電壓即是原被調制信號。

為了滿(mǎn)足測試系統高精度的要求，對解調出的信號進(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構成。

2.3 抗干擾設計

測試系統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、設計屏蔽層等。各部分電路板要用金屬盒完全密封，其輸入輸出導線(xiàn)應用帶屏蔽層的導線(xiàn)。金屬盒、導線(xiàn)的屏蔽層和旋轉機外殼都要接地。

3 結果與技術(shù)指標

本系統的性能指標如下：

紅外遙測載波中心頻率：210kHz

測量范圍：DC——0～32V；AC（峰-峰值）——0.025～1V

頻率響應范圍：0.5～2000Hz

最大接收距離：30cm

最大接收偏角：±11°

測試失真：≤3%

經(jīng)試驗證明，本系統完全達到了設計要求，工作穩定可靠。

4 系統測試

本系統的試驗環(huán)境如下：

高速變頻電動(dòng)旋轉機（72000rpm） 一臺

某型引信用熱電池 一枚

電池紅外遙測系統 一套

HP數字電壓表 一臺

HP數字示波器 一臺

部分測試結果如表1所示。

表1 電池紅外遙測系統直流傳輸測試表

由以上測試結果可以得出：

系統最大傳輸誤差：+94%

系統最小傳輸誤差：-0.63%

系統直流傳輸公式：Y=kX+a

系統交流傳輸公式：Y=kX

其中，Y為輸出，X為輸入，k為交流傳輸系統均值。

由結果可得：k=0.319；a=-0.161

大量的試驗和應用表明本測試系統性能指標完全達到了設計要求，實(shí)現了在強電磁干擾環(huán)境下的高精度信號測試，現已推廣使用。