CN106608377A - 用于真空低温环境的数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于真空低温环境的数据采集系统。该数据采集系统包括真空容器、转台、导电滑环、试件、测温传感器、试件测量电缆、数据采集器、转台动盘、综合控制器、上位机，转台、测温传感器位于真空容器中，综合控制器、上位机位于真空容器外；试件放置在转台动盘上，粘贴于试件表面的测温传感器通过试件测量电缆连接至数据采集器，数据采集器通过导电滑环以RS485总线方式将数据发送至综合控制器，综合控制器通过LAN的方式与上位机进行通信。该数据采集系统用于旋转航天器试件的温度测量，填补了国内航天器真空热试验旋转试件测温的空白。

Description

用于真空低温环境的数据采集系统

技术领域

本发明涉及一种航天器空间环境模拟的地面试验领域，具体涉及一种用于真空低温环境的数据采集系统，特别是在真空热试验中需要旋转的航天器试件的温度测量。

背景技术

真空热试验是航天器研制过程中必须进行的大型地面试验之一，真空热试验中数据采集，特别是温度数据的采集。如果温度数据不准确，根据试验数据做出的结论就可能与飞行的实际情况不相符合，还可能根据这种结论做出错误的决策，最终可能导致航天器上某些组件因温度过高或过低而不能正常工作。目前，航天器在真空热试验中的温度测量主要有以下几种方式：

1)热电偶测温系统。该系统一般由测温热电偶、测温电缆和电连接器、温度参考点、分线箱、测量仪器、计算机数据处理系统构成。热电偶信号从真空容器内经穿墙插头引出到真空容器外，通过分线箱接入测量仪器，再通过以太网将数据传送到测量计算机进行数据的处理、显示、存储等操作。

2)铂电阻测温系统。系统构成与热电偶系统类似。其优点是信号灵敏度高、易于连续测量、金属热电阻稳定性高、在较低温区有着很高的准确度；其缺点是热惯性大、需要电源激励、有自热现象。

3)热敏电阻测温系统。系统构成与热电偶测温系统类似。其优点是输出信号大、灵敏度高、体积小、响应快和抗干扰能力强；其缺点是热敏电阻之间存在一致性差的问题，在使用时必须逐个标定，热敏电阻不适合在真空热试验时大规模使用。

4)红外摄像测温。红外摄像法是非接触式的温度参数获取方式，它用红外摄像机来拍摄物体的红外照片，将目标各部分射出的红外辐射转换成肉眼可见的光学信号，从而得出物体表面温度。红外摄像测温的优点是：测量过程不与被测表面接触，不破坏被测表面的温度场分布；温度分辨率高，测温范围大，能用不同方式直观显示物体表面的温度场；红外摄像测温系统的不足是：准确度低，测量误差较大。

随着航天器真空热试验的发展，为了真实模拟航天器试件或飞行过程中的姿态，或进行热变型的测量，试件需要在试验过程中旋转运动，目前的热电偶、铂电阻、热敏电阻测温系统无法满足此类试验需求。而红外摄像测温虽然可以用于旋转试件的温度测量，但其测量误差较大、准确度低，也不能满足试验要求。因此，为了满足该类真空热试验的需求，需要研制一套可以在真空低温环境下，放置在转台上随转台一起旋转的数据采集系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种用于真空低温环境的数据采集系统，以在真空热试验过程中对旋转运动的试件进行温度测量。

为了解决上述技术问题，本发明提供了种用于真空低温环境的数据采集系统，该数据采集系统包括真空容器、转台、导电滑环、试件、测温传感器、试件测量电缆、数据采集器、转台动盘、综合控制器、上位机，其中，转台、测温传感器位于真空容器中，综合控制器、上位机位于真空容器外；试件放置在转台的转台动盘上，粘贴于试件表面的测温传感器通过试件测量电缆连接至数据采集器，数据采集器通过导电滑环以RS485总线方式将数据发送至综合控制器，综合控制器通过LAN的方式与上位机进行通信。

本发明与现有技术相比的优点在于：

该发明的数据采集系统可用于旋转航天器试件的温度测量，填补了国内航天器真空热试验旋转试件测温的空白。此外，数据采集系统采用分布式布局以及模块化功能设计，采集通道设计考虑互换性和兼容性，资源配置采用冗余设计，使数据采集系统具有较高的兼容性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的用于真空低温环境的数据采集系统的原理图。

其中，1－真空容器、2－热沉、3－转台、4－导电滑环、5－试件、6－测温传感器、7－试件测量电缆、8－试件电连接器、9－采集器电连接器、10－采集器测量电缆、11－数据采集器、12－转台动盘、13－转台支柱、14－综合控制器、15－上位机、16－电源控制器。

图2为本发明的数据采集系统中使用的数据采集器的示意图。

图3为本发明的数据采集系统中使用的综合控制器的示意图。

图4为本发明的数据采集系统中使用的电源控制器的示意图。

图5为本发明的数据采集系统中使用的综合控制器软件主界面图。

图6为本发明的数据采集系统中使用的综合控制器软件参数设置界面图。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

图1所示为本发明的用于真空低温环境的数据采集系统的原理图。该数据采集系统包括数据采集器11、综合控制器14和电源控制器。数据采集系统还包括真空容器1、热沉2、转台3、导电滑环4、试件5、测温传感器6、试件测量电缆7、试件电连接器8、采集器电连接器9、采集器测量电缆10、转台动盘12、转台支柱13、上位机15、电源控制器16。数据采集器11、试件5放置在转台3的转台动盘12上，转台动盘12设置于转台支柱13上，粘贴于试件5表面的测温传感器6通过试件测量电缆7连接至数据采集器11，数据采集器11通过导电滑环4以RS485总线方式将数据发送至综合控制器14，综合控制器14通过LAN的方式与上位机15进行通信。

其中，试件5表面的测温传感器6通过试件测量电缆7以单线制的方式汇集在试件电连接器8(例如，Y2-50ZJ电连接器)上，该试件电连接器8与数据采集器11引出的采集器电连接器9(例如，Y2-50TK电连接器)相连。采集器电连接器9与数据采集器11通过采集器测量电缆10相连。试件测量电缆7和采集器测量电缆10的绝缘层采用聚四氟乙烯材料，电缆型号规格为AF-250/50×0.5mm2。

数据采集器11的数采板卡与采集器电连接器9对应关系如表1所示。

表1采集器的数采板卡与采集器电连接器对应关系

导电滑环4提供60路通道，其中40路用于低电平信号(V≤50V，I≤0.5A)传输，20路用于供电(150V/5A)传输。

RS485总线功能：用于数据采集器11与综合控制器14之间的通信，通过综合控制器14给数据采集器11发送采集命令并接收数据采集器11传回的数据。

LAN接口功能：综合控制器14提供一个标准的100M自适应以太网接口,可以接入局域网与上位机15进行通信。

将试件电连接器与采集器电连接器连接后，开启数据采集器11和综合控制14，在综合控制器14上运行综合控制器软件后即开始数据采集。

图2所示为本发明的数据采集系统中使用的数据采集器的示意图。数据采集器11由热电偶采集板、热电阻采集板、热电偶信号转接板、温度调节板和温控器(图中未示出)组成。热电偶采集板用于采集热电偶信号输出的电压信号，同时提供冷端补偿参考温度，将采集的电压信号转换为数字信号，并通过RS485通信接口输出给综合控制器14。热电偶信号转接板通过RS485通信接口接收综合控制器14的指令，将指定热电偶采集通道的信号转接到备用热电偶采集板，满足热电偶采集通道冗余设计，同时提高设备的可靠性和长时间运行的要求。热电阻采集板主要用于采集热电阻的阻值，将采集的电压信号转换为数字信号，并通过RS485通信接口输出给综合控制器14。温度调节板用于数据采集器内部的局部温度调节，起到更准确的温度控制目的，减小温度漂移范围，提高信号采集器的精度。温控器用于提供加热和制冷源，保证数据采集器可以正常工作。

数据采集器嵌入式软件尽量采用已有的成熟软件为基础，根据本系统的测试特点，软件主要通过处理器(Cortex-M3)软件和可编程逻辑阵列(FPGA)软件进行设计。Cortex-M3处理器开发平台使用RealView MDK开发套件源自德国Keil公司，是ARM公司目前最新推出的针对各种嵌入式处理器的软件开发工具，支持ARM7、ARM9和最新的Cortex-M3核处理器，自动配置启动代码，集成Flash烧写模块、设备模拟、性能分析等功能。FPGA设计使用ALTERA公司推出的可编程逻辑器件集成开发软件Quartus II。Quartus II集成开发软件支持可编程逻辑器件开发的整个过程，提供一种与器件结构无关的设计环境。软件界面友好，可以方便地进行设计输入、设计处理和器件编程。

图3所示为本发明的数据采集系统中使用的综合控制器的示意图。综合控制器14由实时控制系统、声光报警模块及人机交互界面组成。实时控制系统用于数据读取、数据分析、系统控制和通信控制，其主要由软件和硬件两部分组成。软件部分包括LabVIEW、RT引擎，以及LabVIEW项目和VI。硬件部分包括主机、RT终端和通信接口卡。声光报警模块用于系统检测到真空容器内的温度异常超限时输出声音及光报警信号以提醒用户。声光报警模块采用在前面板安装一个闪光蜂鸣器，当实时控制系统监测到异常情况时，通过上位机输出控制信号，闭合闪光蜂鸣器的电源，使其进行报警。恢复正常后计算输出控制信号断开蜂鸣器电源。蜂鸣器发出声音可达到80db。人机交互界面用于显示综合控制器软件运行界面，通过人机交互界面可以实时显示采集到的各个通道温度及告警显示，能设置各个通道的温度报警界限值，并查看存储的历史数据(图5-6示出人机交互界面)。综合控制器软件由软件主界面、设置界面、标定界面、数据回放界面组成，主要用于数据的采集、显示、标定及将数据转发给上位机。软件主界面用于显示各个通道的温度值、及是否报警。软件启动采集后，各个通道的数据根据采集数据不断更新。当未超过设置界限值时，其界面指示灯为绿色。当某一路温度超限时，超限告警模拟指示灯将变成红色并闪烁提醒。设置界面用于设置各个通道的温度告警界限值及温度补偿值的设置。标定界面用于标定各个通道。用户通过软件输入各个标定值(x)，上位机自动采集出采集值(y)，输入完成后，点击标定后上位机自动拟合出曲线的表达式，点击保存按钮后存储至数据库。数据回放功界面用于查看历史实验的数据值。用户通过选择测试时间，打开存储的历史数据。

图4所示为本发明的数据采集系统中使用的电源控制器的示意图。电源控制器由电源主机及电源模块组成，其为数据采集系统中的数据采集器提供供电电源，并实时监控显示各个电源输出的电压和电流值。电源控制器能够根据各个通道的温度报警界限值(例如图6中设置的上下限值)，控制数据采集系统温控电源及高低温报警，断电保护等功能。当某路超出安全范围时，电源控制器将断开该路的输出电源并发送至上位机报警。同时末路电源输出通道上内置了自复位保险丝，出现负载突然过载时能够自动断开进行保护。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于真空低温环境的数据采集系统，其特征在于，该数据采集系统包括真空容器、转台、导电滑环、试件、测温传感器、试件测量电缆、数据采集器、转台动盘、综合控制器、上位机，其中，转台、测温传感器位于真空容器中，综合控制器、上位机位于真空容器外；试件放置在转台的转台动盘上，粘贴于试件表面的测温传感器通过试件测量电缆连接至数据采集器，数据采集器通过导电滑环以RS485总线方式将数据发送至综合控制器，综合控制器通过LAN的方式与上位机进行通信。

2.根据权利要求1所述的真空低温环境的数据采集系统，其特征在于，所述数据采集系统还包括电源控制器，数据采集器、综合控制器、电源控制器之间采用RS485接口进行通信。

3.根据权利要求2所述的真空低温环境的数据采集系统，其特征在于，所述测温传感器包括热电偶和热电阻传感器，数据采集器用于采集热电偶和热电阻传感器的输出信号，具有信号检测、调理和模数转换、工作温度监测和工作温度控制功能的单元，通过RS485通信接口采集数据和控制信息，并发送给综合控制器。

4.根据权利要求3所述的真空低温环境的数据采集系统，其特征在于，所述数据采集器包括热电偶采集板、热电阻采集板、热电偶信号转接板、温度调节板和温控器；其中，

热电偶采集板用于采集热电偶信号输出的电压信号，同时提供冷端补偿参考温度，将采集的电压信号转换为数字信号，并通过RS485通信接口输出给综合控制器；

热电偶信号转接板通过RS485通信接口接收综合控制器的指令，将指定热电偶采集通道的信号转接到备用热电偶采集板；

热电阻采集板用于采集热电阻的阻值，将采集的电压信号转换为数字信号，并通过RS485通信接口输出给综合控制器；

温度调节板用于数据采集器内部的局部温度调节，起到更准确的温度控制目的，减小温度漂移范围，提高信号采集器的精度；

温控器用于提供加热和制冷源，保证数据采集器可以正常工作。

5.根据权利要求2所述的真空低温环境的数据采集系统，其特征在于，所述综合控制器由实时控制系统、声光报警模块及人机交互界面组成；其中，

所述实时控制系统用于数据读取、数据分析、系统控制和通信控制；

所述声光报警模块用于系统检测到真空容器内的温度异常超限时输出声音及光报警信号以提醒用户，声光报警模块采用在前面板安装一个闪光蜂鸣器，当所述实时控制系统监测到异常情况时，通过上位机输出控制信号，闭合闪光蜂鸣器的电源，使其进行报警；恢复正常后上位机输出控制信号断开蜂鸣器电源；

人机交互界面用于显示综合控制器软件运行界面，通过人机交互界面可以实时显示采集到的各个通道温度及告警显示，能设置各个通道的温度报警界限值，并查看存储的历史数据。

6.根据权利要求5所述的真空低温环境的数据采集系统，其特征在于，所述电源控制器由电源主机及电源模块组成，其为数据采集系统中的数据采集器提供供电电源，并实时监控显示各个电源输出的电压和电流值；电源控制器能够根据所述各个通道的温度报警界限值，控制数据采集系统温控电源及高低温报警，断电保护；当某路超出安全范围时，所述综合控制器断开该路的输出电源并发送至上位机报警。

7.根据权利要求6所述的真空低温环境的数据采集系统，其特征在于，末路电源输出通道上内置了自复位保险丝，出现负载突然过载时能够自动断开进行保护。

8.根据权利要求1所述的真空低温环境的数据采集系统，其特征在于，所述数据采集系统还包括试件电连接器、采集器电连接器和采集器测量电缆，所述测温传感器通过试件测量电缆以单线制的方式汇集在试件电连接器上，所述试件电连接器与采集器电连接器相连，该采集器电连接器通过采集器测量电缆与数据采集器相连。