高速旋轉狀態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下的供電電壓和噪聲值進行精確測量和記錄。它為高速旋轉機上激活的熱電池、化學電池的測試提供了一種抗干擾能力強、測量精度高的技術手段。

關鍵詞：紅外遙測 電池 高速旋轉機 抗干擾

高速旋轉狀態下工作的電池（如化學電池、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測量、水銀集流環有線測量和無線電遙測等。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。為了滿足新型高速旋轉機上的電池高精度測試的要求，我們開發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產生極其強大的電磁干擾，抗干擾設計成為系統設計的關鍵所在。試驗表明，電磁感應耦合方式和無線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干擾的問題。

遙測系統由測量與調制發射電路、前置接收放大電路、解調電路三部分組成，如圖1所示。測量與發射電路和被測電池一起裝在高速旋轉機上隨機高速運動，發射管處于旋轉軸線上，可連續發射輸出信號。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行轉換。因此，分別采用交、直流測量電路，這樣可以按轉換關系對直流電壓進行衰減，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，使電池電壓的波動不會影響電路的正常工作，確保了發射電路的穩定性；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的干擾。輸出的方波信號經屏蔽線傳輸到解調電路。解調電路可分為接收整形電路、鎖相環解調電路、濾波輸出電路三部分，如圖4所示。

經導線傳輸來的方波信號已經變形，整形電路需將變形的方波信號重新轉變為標準的方波，以滿足鎖相環電路的要求。鎖相環電路由CD4046構成，其本身即是一個振蕩電路。當沒有信號輸入時，其輸出為0；有信號輸入時，其內部的比較器對自身的振蕩頻率和輸入信號的頻率進行比較，輸出比較誤差電壓。誤差電壓又經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。

為了滿足測試系統高精度的要求，對解調出的信號進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，其輸入輸出導線應用帶屏蔽層的導線。金屬盒、導線的屏蔽層和旋轉機外殼都要接地。

3 結果與技術指標

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

本系統的試驗環境如下：

高速變頻電動旋轉機（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，實現了在強電磁干擾環境下的高精度信號測試，現已推廣使用。