航空电瓶温度传感器校验仪的研制

航佳技术

航空电瓶温度传感器校验仪的研制             2015-01-18       胡志伟          航佳技术

[size=112.5%]摘 要：

提出了将半导体制冷制热技术用于航空电瓶温度传感器校验的新设想。采用单片机技术并通过运用模糊-PID控制方法实现校验过程中的恒温控制。实验结果表明该校验仪能够全自动地检测出电瓶温度传感器在各恒温点的动作情况，并且具有较高的温度检测精度和稳定性。关键字：半导体制冷制热；航空电瓶；温度传感器；模糊-PID控制；恒温控制[size=1em]由于航空电瓶的充放电特性与温度有关，因此，多数航空电瓶安装温度控制元件，以防止电瓶超温充放电而损坏电瓶或低温放电时造成电瓶输出容量不足；超温时停止给电瓶充电，低温时为电瓶加热，以提高充电效率和放电容量。温度传感器主要有两种，一种是热敏开关（超温和低温），另一种是热敏电阻。温度传感器需要定期校验。[size=1em]

以SAFT40176-7电瓶上的传感器为例，它是由超温开关和低温开关组成。目前，国内各航空公司检测该温度传感器的方法是利用欧姆表检测其通断。根据CMM手册规定，检测过程中有四个温度点需恒定5分钟，分别是60℃（超温开关闭合值）、51.6℃（超温开关打开值），-1.1℃（低温开关闭合值）、10℃（低温开关打开值）。而调节这四个恒温点的方法是人工兑入冷、热水并不断目测温度计来达到，其中-1.1℃这个温度点需要加入干冰来调整。

从上述测试过程可以看出，传统方法不但十分繁琐，而且准确度难以达到，人为因素不可避免。为此，需要研制一台航空电瓶温度传感器校验仪，以满足温度传感器精确校验需要。

实际使用表明，该温度传感器校验仪可以全自动地校验出CMM手册中要求的各温度点传感器的动作情况，并且具有很高的准确度和稳定性。

1  校验仪整体设计方案

该校验仪的设计主要分两个部分，一部分是半导体制冷制热阱的设计，它是将半导体制冷制热片安装在阱的周围。制冷时，冷端吸热使得阱内部温度降低，热端通过散热片和直流风扇将吸收的热量散出；制热时，冷端发热以达到加热的目的。另一部分是温度控制系统的设计，它是以STC89C58单片机为控制核心，辅以温度采样电路、温度传感器检测电路和电流输出电路对半导体制冷制热器件进行控制。温度控制系统采用闭环控制形式，其结构框图如图1所示。具体工作过程为：将温度设定值与温度反馈值送入控制电路，然后经过软件控制算法得到输出控制量，输出控制量通过PWM方式驱动DC-SSR对电流进行控制，电流的大小和方向决定制冷或制热量，从而控制被控对象的温度。

图1 系统结构框图

Fig.1 Diagram of system structure

2  硬件设计

2.1 半导体制冷制热器模型

半导体制冷又称热电制冷，它是利用“赛贝克效应”的逆效应“珀耳帖效应”达到制冷
目的。其基本原理如图2所示，它是由金属板和一对电偶臂（由一块P型半导体和一块N型半导体构成）组成的热电偶。通上直流电后，电场使N中的电子和P中的空穴反向流动，它们产生的能量来自晶格的热能。使得冷端的热量被移到热端，导致冷端温度降低热端温度升高。同理，若颠倒直流电源正负极，则冷、热端颠倒。从而实现制热功能。

图2 半导体制冷制热原理示意图

Fig.2 Diagram of semiconductor refrigeration and heating theory

若流入（流出）半导体制冷制热器件的热量为Q ，其向周围散发（吸收）的热量为Qo 。则根据热力学定律可得如下关系：[size=112.5%]

（1）[size=112.5%]式中：C是热容量。半导体制冷制热器件温度T的大小取决于电流流过时所产生的电功率，并且与电流i有非线性关系，若只考虑工作点附近的变化，可将其线性化处理。最终推到出温度T和电流i的传递函数的形式为：[size=112.5%]

(2)
[size=112.5%]本系统中半导体制冷制热器允许通过的最大电流 ,最大电压 ，最大制冷制热量 。受环境以及热损耗的影响，实际应用中，可调节的温度范围在-10~70℃之间。           

2.2 温度采集单元

本系统温度采集单元所用的温度传感器为铂电阻Pt100，它精度高，稳定性好，应用范围广，是中低温(-200~600℃)最常用的一种温度传感器。如下图3所示，本系统中的铂电阻（Rt）采用三线制接法接入电桥，可有效消除引线电阻和接触电阻（r1,r2,r3）对温度测量的影响。信号放大部分采用的是ANALOG DEVICES AD620。它由三个放大器构成，比一般差分放大器精确度更高，抑制温飘效果更好，放大器的放大倍数由R4确定。这样的放大电路可抑制测量误差，从而准确测出铂电阻上的电压。放大后的电路经过信号滤波后输入到 A/D采样电路。

图3 温度采集单元

Fig.3 Temperature acquisition unit

2.3 电流输出和显示单元

本系统采用PWM控制方式控制直流固态继电器（DC-SSR）以控制电流的输出。由于DC-SSR的输入控制电流小，用TTL、COMS等集成电路可以直接驱动，而且与普通电磁继电器相比无机械噪声、无抖动和回跳。因此特别适用于在本单片机控制系统中作为输出通道的控制原件。

本系统中单片机IO输出的PWM信号经同相器SN7407N后直接驱动DC-SSR，以控制输出电流的大小，其原理如图4所示。显示单元采用的是FYD12864液晶显示。选用这种显示方式，一方面是节省单片机IO口，更主要是它集成了驱动和自带字库，不仅简化了程序设计，更达到了人机交互的效果。

图4 电流输出控制

Fig.4 Output current control

3  软件设计

3.1 传感器校验流程

本温度控制系统校验航空电瓶温度传感器的流程完全遵循CMM手册要求，整个升温、降温以及恒温控制完全由软件实现，其中恒温5分钟定时，采用的是单片机内部定时器。其具体过程如下流程图所示：

图5 传感器校验流程图

Fig.5 Flowchart of sensor inspection

3.2 模糊-PID控制算法

从上述传感器流程图中可以看出，本系统温控分两个部分：一个是持续的升温、降温部分，不需要对其进行控制；另一个是恒温5分钟的部分，这时需要用控制算法对其进行控制。通过大量实验发现本系统的温度控制存在大惯性、大滞后环节，受外界环境等诸多因素的影响，这些因素的变化虽然不大，但它们是不确定的。所以我们很难给出一个确定的数学模型，用常规的PID控制技术加以控制。考虑到控制对象的模糊不确定性，本系统采用了模糊-PID控制。

模糊-PID控制由可控式PID和模糊控制系统两部分组成，其结构如图6所示：

图6 模糊-PID控制器结构图

Fig6. Diagram of fuzzy-PID controller

采用计算机实现的PID控制算法，其离散PID控制规律为：

（3）

（1）输入输出量的模糊语言描述   
在升温、降温过程中，当实测温度值与设定恒温值之差的绝对值小于等于6℃时即 ℃开始进行模糊-PID控制。设定输入变化 E和 EC语言值的模糊子集为{负大，负中，负小，零，正小，正大}，并记为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},将误差 E和EC误差变化率 量化到(-3,3)区域内。同样，设计输出量 、 、 的模糊子集为{ZO,PS,PM,PB},并将其量化到(0,3)内。为了计算处理和实现的方便，输入偏差 E，输入偏差变化率EC 和输出隶属函数均采用线性函数。输入输出变量的隶属函数曲线如图7，图8，图9。

图7 输入变化量“E”  Fig.7 Input variable“E”  

图8 输入变化量“EC”Fig. 8 Input variable“EC”

图9 输出变量“ ”(m=P,I,D)

Fig.9 Output variable “ ” (m=P,I,D)

（2）模糊控制规则表
根据PID参数整定规则和大量实验的经验，可列出 、 、 控制规则如表1所示

表1模糊控制规则

Tab.1 Fuzzy control rule

系统采用C语言在单片机上编程实现PID参数模糊自整定算法，控制设计核心部分流程图如图10所示，最后确定的控制输出量就是PWM的脉宽。

图10 控制程序流程图Fig.10 Flowchart of control process

[size=112.5%]4结语

通过上述方法已经研制成功了一台航空电瓶温度传感器校验仪。实际测试结果表明，该校验仪操作简单，测量精度高，可以校验所有航空电瓶上热敏开关和热敏电阻类传感器（例如SAFT4579、SAFT40176-7电瓶上用的温度传感器）。

模糊-PID控制算法的应用实现了校验过程中的恒温控制，四个恒温点的控制精度分别是±0.2℃、±0.4℃、±0.5℃、±0.5℃。因此，与传统校验方法相比（传统方法精度很难稳定在1℃以内），整个校验过程精度可以有效地稳定在0.5℃的范围之内。

半导体制冷制热技术的应用保证了传感器校验过程中所需的高、低温环境，解决了人工测试繁琐的问题。

南航湖北分公司（武汉）胡志伟（首发于中国民航大学学报）

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