热敏电阻在航天器上的应用分析_张加迅

中国空间科学技术CHINESE SPACE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2004年12月第6期热敏电阻在航天器上的应用分析张加迅*王虹**孙家林*(*中国空间技术研究院,北京100086)(**山东航天电子技术研究所,烟台264000)摘要文章首先阐述了航天器对于测温传感器的需求,并对目前航天器在地面试验和飞行试验中,所采用的主要测温传感器的特点进行了概述。

然后,以目前航天器在轨运行中应用最为广泛的热敏电阻为研究对象,介绍了它在航天器中的应用方案,以及为保证其测温精度、工艺可实施性和可靠性所应注意的问题。

主题词热敏电阻器温度测量热控制航天器1引言由于航天器在空间运行时要向深冷空间辐射热量,并且受到各种复杂外热流的影响(例如对于环地航天器,存在太阳辐射、地球红外、地球反照等外热流)。

因此,航天器在设计时,必须要进行合理的热控制设计,使航天器中的各种仪器设备在合适的温度水平下工作。

航天器在轨运行的温度情况通过温度传感器进行反映,航天器相关分系统采集温度传感器的信号,然后传输到地面测控网站或星上热控制处理单元,由地面测试人员或相关功能系统对其进行状态判断,最终通过地面指令或星上自主控制实施对星上仪器设备的热控。

因此,温度传感器所反映的温度水平的准确程度,将对仪器设备的热控制起着至关重要的作用[1,2]。

另外,随着航天器的发展,各种精密仪器设备对热控的要求更为严格,由于这些仪器设备功能复杂,在保证其主要功能的前提下,通过其本身的热控设计来达到其内部精密器件的温度要求有很大难度,因此,它们常常会对航天器热环境提出较为严格的要求,而这些要求有的甚至会对整个航天器的总体方案具有决定性的影响。

例如,有的光学成像仪器要求热控的温度控制水平优于011e,局部测量精度达到0105e的水平,因此,需要测温传感器的精度必须优于这些仪器设备的要求。

目前国际上在航天器研制中所用的温度传感器主要有热电偶和热敏电阻两种。

热电偶稳定性好、反应灵敏、价格便宜、工艺实施方便,因此在航天器的研制过程中,主要是在地面试验中得到大量采用。

但由于热电偶需要进行冷端补偿,其测温精度受冷端校准精度的影响较大,当航天器在轨运行时,冷端补偿方式较难实现;而且热电偶因温度变化所产生的电信号反应较为微弱,易受干扰,克服该问题所需的星上电路复杂,存在较大偏差;此外,热电偶的测温偶丝容易受损折断,其可靠性较热敏电阻低,因此热电偶很少在航天器的在轨运行中采用。

与热电偶相比,热敏电阻精度高、可靠性高,但价格昂贵,对温度的反应具有一定的滞后。

由于在航天器的应用中,保证测量精度和高可靠性最为重要;另外,在轨温度的监测主要侧重于稳态温度水平。

因此,从这个角度来说,热敏电阻具有一定的优势,目前国内外航天器上用于飞行试验的温度传感器主要采用热敏电阻[1,2]。

收稿日期:2003-11-12。

收修改稿日期:2003-12-29542 热敏电阻在航天器上应用的工作原理图1 热敏电阻的构成示意图如图1所示,航天器上应用的热敏电阻一般由热敏感温珠、保护胶珠、导线等部分构成。

由于其研制工艺成熟、稳定性好、实施工艺较为简单,因此其可靠性较高,在热控分系统的可靠性设计中,通常,取其可靠度为110。

热敏电阻稳态测量下的精度$T t 受校准($T j )、安装方式($T a )、热敏电阻自热($T z )、信号处理与传输方式($T y )等方面的影响,有以下关系图2 热敏电阻在航天器上的应用原理图$T t =f ($T j ,$T a ,$T z ,$T y )图2为热敏电阻在航天器上的典型应用原理图。

热敏电阻利用胶粘剂以表面粘贴方式固定在被测物体的表面。

当热敏电阻用于仪器设备的温度测量时,热敏测温采集电路将采集信息传到航天器中的星务管理系统,然后由其传输到地面测控系统,供地面人员判读;当热敏电阻用于仪器设备的温度控制时,热控仪或星务分系统对采集的温度信号与控温值进行判别,然后将控制信号反馈到控温回路,通过控温回路的开启实现控温。

3 热敏电阻的校准热敏电阻在航天器上应用之前,需要对其进行校准,确定其温度与阻值之间的对应关系,一般所采用的方法是,选取一系列温度,通过高精度计量,确定热敏电阻在这些温度下的标准阻值(标定值),其任意温度下的阻值通过标定值进行插值或拟合公式得出。

在应用热敏电阻进行温度测量时,首先测得该热敏电阻在被测温度条件下的阻值,然后由它的标定值进行插值,或者由标定而得到的温度)))阻值拟合公式,通过反推得到被测温度值。

定义评价插值或拟合准确程度的指标为截断精度,显然,热敏电阻的校准精度$T j 与标定精度$T b 和截断精度$T j 有关。

标定精度的提高通过改善各种计量条件来实现,例如计量仪器、计量方法等[3]。

而截断精度的提高则需要根据应用背景和标定数据的分布特点,通过合适的数值分析方法(插值或拟合)加以实现。

可以证明,当标定精度一定时,采用插值的方法,校准精度$T j 与标定精度$T b 和截断精度$T j 之间呈现线性关系,标定的间隔$T 越小,截断精度$T j 越高。

当温度与阻值之间变化规律不明确、温度标定间隔较小时,待定温度与其相临的标定温度之间关联性较强,此时采用插值方法,例如采用不超过三次的Lag range 分段低次插值时,较之于拟合逼近的方法具有优势,可使截断精度大大提高[3~5]。

当温度与阻值之间变化规律已知、温度标定间隔较大时,可以采用逼近拟合的方法。

较之于采用插值方法,采用逼近拟合可以大大减少校准的工作量,由其得出的公式,可以方便地进行编程处理,利于航天器星务管理的软件设计。

此外,在航天器热控分系统中,多数应用的热敏电阻用于一般的温度监测,对精度要求不高,因此,采用逼近拟合方法对热敏电阻进行校准,在航天器研制中应用最为广泛,完全可以满足使用要求。

但是,当应用场合对测温精度要求较高时,或者应用场合对若干个局部温度范围内精度要求较高552004年12月 中国空间科学技术时,采用插值的方法较逼近拟合更为可取,它可以大大提高截断精度$T j ,使校准精度$T j 主要取决于标定精度$T b 。

综合各种因素,在初步分析和工程实践中,当测温精度要求优于013e 时,采用插值方法对热敏电阻进行校准,反之采用逼近的方法更为可取。

4 热敏电阻的安装和本身自热如图3所示,热敏电阻的安装方式主要有两种,即嵌入式和表面粘贴式。

在嵌入式安装中,热敏电阻通过预先设置在被测基材上的小槽嵌入其中,并且在基材与热敏电阻敏感珠之间填充导热填料。

这种安装方式可以保持热敏电阻与被测物体接触紧密,减小热敏电阻的漏热,测量精度高。

由于这种方式需要事先在被测物体上加工出小槽,工艺繁琐,对于一些成形设备无法实施,因此,在目前航天器上很少采用,一般只应用于对温度测量有很高要求的场合。

在表面粘贴式安装中,热敏电阻通过胶粘剂与被测物体的表面接触,这种安装方式工艺实施简便,对被测仪器设备的状态影响较小,因此在航天器中得到广泛应用。

但是,与嵌入式安装相比,这种安装方式由于与被测表面之间存在较大热阻,并且与外界环境之间的换热量较大,因此其测量精度受外界影响较大,并且这种安装方式在非稳态测量中,其温度示值有较大的滞后。

图3 热敏电阻的安装方式及不同安装方式下的传热关系在利用热敏电阻进行温度测量的过程中,热敏电阻与供电电源形成回路,热敏电阻的阻值是通过测量额定供电电压下的热敏电阻回路分压所间接得到的。

因此,在测温线路中,流过热敏电阻器的电流,将会引起发热损耗功率Q z ,由自热引起的温升$T 会使阻值发生变化,从而使测温精度降低。

首先对嵌入式安装方式下的测量精度进行研究,若不考虑热敏电阻的自热,热敏电阻的对外漏热为Q L =T 1-T 3R c +R j1=T 3-T 0R h +R j2(1)式(1)将被测基材、热敏电阻、外界环境之间的换热关系按图3(a)中所示串联模型考虑,R c 为基材与热敏电阻之间的接触热阻;R j 为保护胶珠的热阻,为区别该部分参与基材和外界环境的换热程度,分别以R j1、R j2表示;R h 表示热敏电阻与外界环境之间的热阻;T 1为被测基材实际温度;T 2为保护胶珠表面的温度;T 3热敏感温珠温度;T 0为环境温度。

要保证测量精度,就需要|T 1-T 3|尽可能小。

由式(1)可知,当Q L 趋于小量时,则|T 1-T 3|将成为小量,即测温精度提高。

对于嵌入式安装,由于Q L 与外界的漏热通路仅通过热敏电阻的导线,因此,减少导线安装处的漏热56 中国空间科学技术 2004年12月可以提高测量精度。

由于嵌入式安装方式与外界环境之间的热交换很小,因此,其测量精度较高,温度测量灵敏度高。

对于表面粘贴式安装,可以同样列出式(1),但是由于热敏电阻器与外界环境之间换热面积较大,在同样条件下,其漏热量Q L 较之于嵌入式安装要大,因此测量精度较低。

如何降低热敏电阻器与外界环境之间的漏热,将是提高精度和灵敏度的关键。

为此,建议在热敏电阻的工艺实施中,在热敏电阻器外侧应该包覆一层隔热材料,使之与外界之间隔热,减少外界环境对温度测量的影响。

考虑热敏电阻的自热,设自热传向被测基材和份额为N ,针对嵌入式和表面粘贴两种安装方式,可列出相同数学描述方程如下Q L +(1-N )Q z =T 3-T 0R h +R j2Q L +N Q z =T 1-T 3R c +R j 1(2)自热对于热敏电阻测量的影响较为复杂,对其进行完整而有效的定量分析必须与热敏电阻的具体使用条件结合,在此从略。

但通过本文分析,可以得到有用的定性结论,以指导热敏电阻的工程应用。

由式(2)可见,在传热热阻一定的情况下,当N Q z 较大时,会使|T 1-T 3|变大,对测温精度的影响较大;而当N Q z 较小时,自热会通过与外界环境的换热影响T 3,T 3又通过热传导对被测温度T 1产生影响,使被测物体的测量温度值偏离其初态温度值,使测温精度降低。

因此,在热敏电阻的工艺实施中,无论是嵌入式还是表面粘贴式,只有减少自热Q z 的量值,才会使其影响降至最小,特别是在热敏电阻在高精度测温时,必须要降低自热Q z 的影响。

5 热敏电阻测量信号的处理与传输信号处理与传输方式所引起的精度$T y 与热敏电阻的测温电路及与星务管理系统有关。

热敏电阻典型测温电路原理如图4,V cc 为电源,标准热敏电阻R =R m ax R m i n (R max 、R min 分别表示测控温的上下限);R 1、R 2为等值精密电阻,其作用是校正测量系统测量精度。

在测量中,通过测量R 1、R 2处的分压,可以校正V c c 的标准电压值。

然后,根据V c c 、R 和R T 处分压,可以得到R T 的精密图4 热敏电阻测温电路原理图测量值;数据处理单元将采集到的电压、电流等模拟量进行处理和AD 转换,最终获得以数字量表示的热敏电阻测量值;测温电路将测量值传输到星务系统,再通过星务系统传输到测控系统,完成测量或控温。