CN109163819B - 一种具有线性高精度的无人机发动机缸温测量器 - Google Patents

一种具有线性高精度的无人机发动机缸温测量器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有线性高精度的无人机发动机缸温测量器,第一电源输出的电压经电源隔离电路处理后,输出的电压一路经第二电源驱动电路降压处理后,传入信号采集电路;另外一路传入信号调理电路,为信号调理电路供正向电压;第二电源输出的电压经第一电源驱动电路降压处理后,传入信号调理电路,为信号调理电路供负向电压;测温电阻的阻值传入信号调理电路,经信号调理电路进行非线性,零位,增益处理后,传入信号采集电路进行温度的AD采集。本发明利用热敏电阻的阻值与温度的非线性关系,通过信号调理实现了信号的零位,放大系数和非线性的调节,使温度与测量信号成线性关系,同时采用了ARM为核心的信号采集电路,提高了信号采集的实时性。

Description

一种具有线性高精度的无人机发动机缸温测量器
技术领域
本发明属于发动机缸温测量技术领域,涉及一种用于小型无人机发动机缸温的具有线性高精度的无人机发动机缸温测量器,尤其是具有提示发动机缸温在安全范围内的功能。
背景技术
目前,公知的温度测量方式主要有:热敏电阻测温,二极管测温,三极管测温,测温桥式电路测温等。热敏电阻测温利用温度与阻值的关系进行查表测量;二极管测温利用二极管的反向漏电流与温度成一定的关系进行测温,但电流值与温度的关系是非线性曲线;三极管测温是根据温度与电压成一定关系进行测量,但电压值与温度的关系是非线性曲线;测温桥式电路利用测温桥式电路和运放能完成测温信号的零位和放大系数的调节,使测温电阻的阻值和电压信号成一定的比例关系进行测温,但由于测温电阻的阻值与温度为非线性关系,从而使电压值与温度也为非线性关系。已公知的温度测量装置都是通过电阻调节零位和增益,使输出信号与测温电阻值成线性关系进行测温,但由于测温电阻值与温度是非线性关系,从而导致输出信号与温度也为非线性关系,为非线性关系后,输出信号与温度为非线性关系导致不能通过输出信号直接读出温度值,只能通过输出信号读出测温电阻的阻值,然后通过温度与测温电阻阻值的非线性对应表,才能查表得出大概的温度值,精度也不高。
发明内容
本发明解决的技术问题是:为了解决现有技术的不足,实现无人机发动机缸温的实时监测,以及判断是否在安全缸温范围的要求,本职务发明提供了一种无人机缸温测量装置,该装置利用测温电阻的测温特性,利用电路调节测温信号的零位、增益和非线性,然后经过AD采样,将模拟信号转换成数字信号,且信号与温度成线性关系,达到实时监测发动机缸温的需求。实现无人机发动机缸温的实时监测,以及判断是否在安全缸温范围的要求,本职务发明提供了一种无人机缸温测量装置,该装置利用测温电阻的测温特性,利用电路调节测温信号的零位、增益和非线性,然后经过AD采样,将模拟信号转换成数字信号,且信号与温度成线性关系,达到实时监测发动机缸温的需求。
本发明的技术方案是:一种具有线性高精度的无人机发动机缸温测量器,包括测温电阻、电源隔离电路、信号调理电路、信号采集电路、第一电源驱动电路、第二电源驱动电路、第一电源和第二电源,且第一电源和第二电源输出的电压值不同;
所述第一电源输出的电压经电源隔离电路进行抗浪涌处理后,输出的等值电压一路经第二电源驱动电路降压处理后,传入信号采集电路,为信号采集电路供电;另外一路传入信号调理电路,为信号调理电路供正向电压;
所述第二电源输出的电压经第一电源驱动电路降压处理后,传入信号调理电路,为信号调理电路供负向电压;
测温电阻的阻值传入信号调理电路,经信号调理电路进行非线性,零位,增益处理后,传入信号采集电路进行温度的AD采集。
本发明的进一步技术方案是:所述第一电源驱动电路为DC-DC模块,将第二电源进行转换降压,并通过电容滤波器进行滤波;第一电源通过电源隔离电路后,输出电压值相等的隔离电压,然后一路给运放供电,一路通过第二电源驱动电路后给ARM供电。
本发明的进一步技术方案是:所述第二电源驱动电路为低压差稳压器模块,将电源隔离电路隔离后的电压进行转换降压,并通过电容滤波器进行滤波。
本发明的进一步技术方案是:所述电源隔离电路包括电感L1、低频滤波电容C1、高频滤波电容C2、低频滤波电容C3、低频滤波电容C4和高频滤波电容C5;滤波电容C1和滤波电容C2并联后对第一电源进行滤波,滤波后接串联电感L1的一端,电感L1的另外一端与滤波电容C3,C4,C5分别并联,并输出隔离后的+5V电压。
本发明的进一步技术方案是:所述信号采集电路为STM32F429VGT处理模块,通过采集信号调理电路所输出的信号,AD转换为相应的数字信号,即缸温温度值。
本发明的进一步技术方案是:所述信号调理电路包括信号转换电路、信号非线性调理电路、信号零位调理电路和信号增益调理电路;所述信号转换电路通过采集测温电阻的阻值信号,信号非线性调理电路的输出信号和信号零位调理电路的输出信号并将其转换为相应的电压信号,电压信号又分别为信号非线性调理电路,信号零位调理电路和信号增益调理电路的输入信号;非线性调理电路进行非线性调理后,将调理后的电压信号输出给信号转换电路,信号零位调理电路进行零位调理后,将调理后的电压信号也输出给信号转换电路,通过信号转化后进入信号增益调理电路进行信号的放大。
本发明的进一步技术方案是:所述信号转换电路包括OPA4277的第一路运算放大器N1、OPA4277运算放大器的正电压的低频滤波电容C6、OPA4277运算放大器的负电压低频滤波电容C7和测温电阻R1;OPA4277为双电源供电,分别是电源隔离电路输出的+5V电压通过并联低频滤波电容C6对OPA4277进行正向电源供电,第一电源驱动电路输出的-5V电压通过并联低频滤波电容C7对OPA4277进行负向电源供电,OPA4277的第一路运算放大器N1的负向输入端和输出端之间连接测温电阻R1,N1的正向输入端接地,N1的负向输入端接信号非线性调理电路的输出端和信号零位调理电路输出端,N1的输出信号为信号转换电路的输出信号。
本发明的进一步技术方案是:所述信号非线性调理电路包括OPA4277的第二路运算放大器N2非线性匹配电阻R2,非线性调节电阻R3、非线性调节电阻R4、隔离电阻R5和隔离电阻R6;非线性匹配电阻R2和非线性调节电阻R3串联后与非线性调节电阻R4并联,其一端连接为信号转换电路的输出端,另一端接到OPA4277的第二路运算放大器N2的负向输入端,N2的正向输入端接地,同时N2的负向输入端和输出端之间连接隔离电阻R5,N2的输出端通过串联隔离电阻R6,输出非线性调理电路的输出信号。
本发明的进一步技术方案是:所述信号零位调理电路包括隔离电阻R7、隔离电阻R8、零位调节电阻R9、阻值为3.9K的零位匹配电阻R10和零位调节电阻R11;信号转换电路的输出端串联隔离电阻R7后,并联隔离电阻R8,之后与零位匹配电阻R10和零位调节电阻R11串联并与零位调节电阻R9并联后,输出零位调理电路的输出信号。
本发明的进一步技术方案是:所述信号增益调理电路包括OPA4277的第三路运算放大器N3、增益匹配电阻R12、增益调节电阻R13、增益调节电阻R14、滤波电阻R15、低频滤波电容C8和低频滤波电容C9;增益匹配电阻R12和增益调节电阻R13串联后分别与增益调节电阻R14和低频滤波电容C9并联后接到OPA4277的第三路运算放大器N3负向输入端和输出端,N3的正向输入端接地,信号转换电路的输出接到N3的正向输入端,N3的输出端信号通过由滤波电阻R15和滤波电容组C8成的一阶RC滤波器滤波后的测温信号作为信号采集电路的输入。
发明效果
本发明的技术效果在于:本发明利用热敏电阻的阻值与温度的非线性关系,通过信号调理实现了信号的零位,放大系数和非线性的调节,使温度与测量信号成线性关系,同时采用了ARM为核心的信号采集电路,提高了信号采集的实时性,本发明设计合理,结构简单合理,测量便捷准确,通用性强。
附图说明
图1是本发明的示意图。
图2是本发明的测温电阻的示意图。
图3是电源隔离电路示意图。
图4为信号转换电路的示意图。
图5为信号非线性调理电路的示意图。
图6为信号零位调理电路的示意图。
图7为信号增益调理电路的示意图。
附图标记说明:图1中,1-热敏电阻,2-电源隔离电路,3--5V电源驱动电路,4-+3.3V电源驱动电路,5-信号调理电路,6-信号采集电路,7-电源5V,8-电源12V,。其中,-5V电源驱动电路为MAX764ESA驱动电路,3.3V电源驱动电路为LT1585-3.3驱动电路。
图3中,L1-不小于47uH的电感,C1-低频滤波电容,C2-高频滤波电容,C3-低频滤波电容,C4-低频滤波电容,C5-高频滤波电容,V1in-电源隔离电路输入电压5V,GNDin-输入地,V1out-电源隔离电路输出电压5V,GNDout-地。
图4中,N1—OPA4277的第一路运算放大器,C6-OPA4277运算放大器的正电压的低频滤波电容,C7-OPA4277运算放大器的负电压低频滤波电容,R1-测温热敏电阻PT100,V2in-信号转换电路输入电压,V2out-信号转换电路输出电压,V3in-信号非线性调理电路输入电压,V3out-信号非线性调理电路输出电压,V4in-信号零位调理电路输入电压,V4out-信号零位调理电路输出电压,V5in-信号增益调理电路输入电压,V5out-信号增益调理电路输出电压。
图5中,N2—OPA4277的第二路运算放大器,R2—阻值为3.3K的非线性匹配电阻,R3—非线性调节电阻,R4-非线性调节电阻,R5-不小于12K的隔离电阻,R6-不小于12K的隔离电阻,V3in-信号非线性调理电路输入电压,V3out-信号非线性调理电路输出电压。
图6中,R7-不小于5.1K的隔离电阻,R8-不小于3.6K的隔离电阻,R9-零位调节电阻,R10—阻值为3.9K的零位匹配电阻,R11—零位调节电阻,V4in-信号零位调理电路输入电压,V4out-信号零位调理电路输出电压。
图7中,N3—OPA4277的第三路运算放大器,R12—阻值为6.2K的增益匹配电阻,R13—增益调节电阻,R14-增益调节电阻,R15-不大于56的滤波电阻,C8-不大于0.1uF的低频滤波电容,C9-不大于0.22uF的低频滤波电容,V5in-信号增益调理电路输入电压,V5out-信号增益调理电路输出电压。
具体实施方式
参见图1—图7,本装置包括测温电阻和信号处理电路。其中信号处理电路包括:电源驱动电路、电源隔离电路、信号调理电路、信号采集电路。其中电源驱动电路有两种,一种为-5V电源驱动电路,为运算放大器提供-5V的一路供电,另外一种为+3.3V电源驱动电路,为ARM处理单元进行供电。电源隔离电路为供电电源+5V进行安全隔离以提供给运算放大器+5V的另一路供电。信号调理电路由信号转换电路、信号非线性调理电路、信号零位调理电路、信号增益调理电路组成。其中信号转换电路通过采集测温电阻的阻值信号,信号非线性调理电路的输出信号和信号零位调理电路的输出信号并将其转换为相应的电压信号。其电压信号一路输出给信号非线性调理电路,进行非线性调理;一路输出给信号零位调理电路,经过信号非线性调理;信号非线性调理和信号零位调理后又作为信号转换电路的输入;最后转换信号输入到信号增益调理电路进行信号的放大。信号采集电路通过AD采集信号增益调理电路的输出信号,通过ARM的处理后输出缸温的实时温度,同时具有警示功能,提示该缸温是否达到了安全使用的要求。
所述的测温电阻为:热敏电阻PT100,其电阻值与对应的温度为非线性变化,外形定做为适应发动机缸温测量的形状。
所述的信号处理电路由:电源驱动电路、电源隔离电路、信号调理电路、信号采集电路。
所述电源驱动电路包括三种电压转换输出:第一,-5V电源驱动电路,为公知的DC-DC模块,将外部供电+12V转换为后续电路所需的-5V,同时利用公知的电源滤波器,以保证装置电源的电磁兼容性要求和提高电源输出品质;第二,+3.3V电源驱动电路,为公知的低压差稳压器模块,将电源隔离电路隔离后的+5V转换为后续电路所需的+3.3V,同时利用公知的电容滤波以提高电源输出品质。
所述电源隔离电路,为对供电电源+5V进行电容,电感隔离,抗浪涌处理,提供稳定的+5V电压。
所述的信号调理电路由信号转换电路、信号非线性调理电路、信号零位调理电路、信号增益调理电路组成。
所述的信号转换电路,以运算放大器为中心,把测温电阻的阻值信号转换为相应的电压信号,其中电压与电阻为线性关系,与温度为非线性关系。
所述的信号非线性调理电路,以运算放大器为中心,通过可调电阻调节信号转换电路的输出电压信号,使非线性调理电路调理后的电压信号与温度成线性关系。
所述的信号零位调理电路,通过可调电阻调节电路输出信号的零位,解决不同热敏电阻元件所存在的零位误差。
所述的信号增益调理电路,以运算放大器为中心,通过可调电阻调节信号零位调理电路输出信号的增益系数,弥补热敏电阻差异。
所述的信号采集电路,选用公知的ARM处理单元,测温信号通过通用的GPIO管脚进入处理器的AD采样。主要完成以下功能:第一,通过软件采集,用公知的判决方法识别出不同缸温的感应信号,第二,处理器利用TIM定时功能以10毫秒为单位采集信号调理电路的电压信号。第三,通过电压信号与温度的线性关系,推算出当前的缸温,同时,对发动机的缸温工作温度具有警示功能,提示该缸温是否达到了安全使用的要求。
所述测温电阻为外形定做的热敏电阻PT100,安装于发动机的两个缸上,当发动机工作时实时输出发动机缸的温度,
所述的信号处理电路由:电源驱动电路、电源隔离电路、信号调理电路、信号采集电路。
所述电源驱动电路为噪声小于50mV的DC-DC模块MAX764ESA将外部+12V转换为-5V为运放供电,低压差稳压器模块LT1585-3.3电源单元将隔离后的稳定供电+5V转换为+3.3V为ARM供电。
所述电源隔离电路选用为不小于47uH的电感,不大于0.1uF低频滤波电容,不大于1nF高频滤波电容,不大于47uF低频滤波电容,不大于0.1uF低频滤波电容和不大于1nF高频滤波电容组成,对5V输入电压进行电容,电感隔离,抗浪涌处理,提供稳定的+5V电压。
所述的信号调理电路由信号转换电路、信号非线性调理电路、信号零位调理电路、信号增益调理电路组成。
所述的信号转换电路,对测温电阻信号进行转换,把测温电阻的阻值信号转换为相应的电压信号,其中电压与电阻为线性关系,与温度为非线性关系,运算放大器选择低噪声,电磁兼容性的OPA4277,对运算放大器进行双电源供电,+5V和-5V供电,负向和输出端接测温热敏电阻,正向接地。
所述的信号非线性调理电路,通过可调电阻调节信号转换电路的电压信号,使非线性调理电路调理后的电压信号与温度成线性关系。阻值为3.3K的非线性匹配电阻与一个非线性调节电阻串联并与另一个非线性调节电阻并联,接在运算放大器的负向输入,正向接地,其中运算放大器选择OPA4277,输出作为信号转换电路的反馈通路接在信号转换电路运放的负端。
所述的信号零位调理电路,通过可调电阻调节信号非线性调理电路调理后的信号的零位,阻值为3.9K的零位匹配电阻与一个零位调节电阻串联并与另一个零位调节电阻并联,解决不同测温敏感电阻的零位误差,再通过不小于5.1k的隔离电阻接于信号增益调理电路运算放大器的负向输入端。
所述的信号增益调理电路,通过可调电阻调节信号零位调理电路调理后的信号的增益系数,对信号进行2倍放大。通过阻值为6.2K的增益匹配电阻与一个增益调节电阻串联并与另一个增益调节电阻并联,接在运算放大器的负向,正向接地,其中运算放大器选择OPA4277。运算放大器的输出端由56Ω的滤波电阻和0.1uF的滤波电容组成的一阶RC滤波器,滤波后的测温信号作为信号采集电路的输入。
所述的信号采集电路,选用STM32F429VGT处理单元,信号通过通用的GPIO管脚进入处理器的AD采样。主要完成以下功能:第一,通过软件采集,用软件中公知的判决方法识别出不同缸温的感应信号。其中,采用的软件为成熟的AD采样程序软件,不同的温度,有不同的测温电阻阻值,然后经过信号调理电路,信号采集电路,从而输出对应的缸温温度值。第二,处理器利用TIM定时功能以10毫秒为单位采集信号调理电路的电压信号。第三,通过电压信号与温度的线性关系,推算出当前的缸温,同时,对发动机的缸温工作温度具有警示功能,提示该缸温是否达到了安全使用的要求。

Claims (4)

1.一种具有线性高精度的无人机发动机缸温测量器,其特征在于,包括测温电阻(1)、电源隔离电路(2)、信号调理电路(5)、信号采集电路(6)、第一电源驱动电路(3)、第二电源驱动电路(4)、第一电源(7)和第二电源(8),且第一电源(7)和第二电源(8)输出的电压值不同;
所述第一电源(7)输出的电压经电源隔离电路(2)进行抗浪涌处理后,输出的等值电压一路经第二电源驱动电路(4)降压处理后,传入信号采集电路,为信号采集电路(6)供电;另外一路传入信号调理电路,为信号调理电路(5)供正向电压;
所述第二电源(8)输出的电压经第一电源驱动电路(3)降压处理后,传入信号调理电路,为信号调理电路(5)供负向电压;
测温电阻(1)的阻值传入信号调理电路(5),经信号调理电路(5)进行非线性,零位,增益处理后,传入信号采集电路(6)进行温度的AD采集;
所述信号调理电路包括信号转换电路、信号非线性调理电路、信号零位调理电路和信号增益调理电路;所述信号转换电路通过采集测温电阻的阻值信号,信号非线性调理电路的输出信号和信号零位调理电路的输出信号并将其转换为相应的电压信号,电压信号又分别为信号非线性调理电路,信号零位调理电路和信号增益调理电路的输入信号;非线性调理电路进行非线性调理后,将调理后的电压信号输出给信号转换电路,信号零位调理电路进行零位调理后,将调理后的电压信号也输出给信号转换电路,通过信号转化后进入信号增益调理电路进行信号的放大;
所述信号非线性调理电路,通过可调电阻调节信号转换电路的电压信号,使非线性调理电路调理后的电压信号与温度成线性关系;包括OPA4277的第二路运算放大器N2、 非线性匹配电阻R2,非线性调节电阻R3、非线性调节电阻R4、隔离电阻R5和隔离电阻R6;非线性匹配电阻R2和非线性调节电阻R3串联后与非线性调节电阻R4并联,其一端连接为信号转换电路的输出端,另一端接到OPA4277的第二路运算放大器N2的负向输入端,N2的正向输入端接地,同时N2的负向输入端和输出端之间连接隔离电阻R5,N2的输出端通过串联隔离电阻R6,输出非线性调理电路的输出信号;
所述信号零位调理电路通过可调电阻调节信号非线性调理电路调理后的信号的零位,零位匹配电阻与一个零位调节电阻串联并与另一个零位调节电阻并联,解决不同测温敏感电阻的零位误差,再通过不小于5.1k的隔离电阻接于信号增益调理电路运算放大器的负向输入端;包括隔离电阻R7、隔离电阻R8、零位调节电阻R9、阻值为3.9K的零位匹配电阻R10和零位调节电阻R11;信号转换电路的输出端串联隔离电阻R7后,并联隔离电阻R8,之后与零位匹配电阻R10和零位调节电阻R11串联并与零位调节电阻R9并联后,输出零位调理电路的输出信号;电源隔离电路(2)电源隔离电路选用为不小于47uH的电感,不大于0.1uF低频滤波电容,不大于1nF高频滤波电容,不大于47uF低频滤波电容,不大于0.1uF低频滤波电容和不大于1nF高频滤波电容组成,对输入电压进行电容,电感隔离,抗浪涌处理,提供稳定的电压;
包括电感L1、低频滤波电容C1、高频滤波电容C2、低频滤波电容C3、低频滤波电容C4和高频滤波电容C5;滤波电容C1和滤波电容C2并联后对第一电源(7)进行滤波,滤波后接串联电感L1的一端,电感L1的另外一端与滤波电容C3,C4,C5分别并联,并输出隔离后的+5V电压;信号转换电路对测温电阻信号进行转换,把测温电阻的阻值信号转换为相应的电压信号,其中电压与电阻为线性关系,与温度为非线性;包括OPA4277的第一路运算放大器N1、OPA4277运算放大器的正电压的低频滤波电容C6、OPA4277运算放大器的负电压低频滤波电容C7和测温电阻(1)R1;OPA4277为双电源供电,分别是电源隔离电路(2)输出的+5V电压通过并联低频滤波电容C6对OPA4277进行正向电源供电,第一电源驱动电路(3)输出的-5V电压通过并联低频滤波电容C7对OPA4277进行负向电源供电,OPA4277的第一路运算放大器N1的负向输入端和输出端之间连接测温电阻(1)R1,N1的正向输入端接地,N1的负向输入端接信号非线性调理电路的输出端和信号零位调理电路输出端,N1的输出信号为信号转换电路的输出信号;信号增益调理电路通过可调电阻调节信号零位调理电路调理后的信号的增益系数,对信号进行2倍放大;包括OPA4277的第三路运算放大器N3、增益匹配电阻R12、增益调节电阻R13、增益调节电阻R14、滤波电阻R15、低频滤波电容C8和低频滤波电容C9;增益匹配电阻R12和增益调节电阻R13串联后分别与增益调节电阻R14和低频滤波电容C9并联后接到OPA4277的第三路运算放大器N3负向输入端和输出端,N3的正向输入端接地,信号转换电路的输出接到N3的正向输入端,N3的输出端信号通过由滤波电阻R15和滤波电容组C8成的一阶RC滤波器滤波后的测温信号作为信号采集电路的输入。
2.如权利要求1所述的一种具有线性高精度的无人机发动机缸温测量器,其特征在于,所述第一电源驱动电路(3)为DC-DC模块,将第二电源(8)进行转换降压,并通过电容滤波器进行滤波;第一电源(7)通过电源隔离电路(2)后,输出电压值相等的隔离电压,然后一路给运放供电,一路通过第二电源驱动电路(4)后给ARM供电。
3.如权利要求1所述的一种具有线性高精度的无人机发动机缸温测量器,其特征在于,所述第二电源驱动电路(4)为低压差稳压器模块,将电源隔离电路(2)隔离后的电压进行转换降压,并通过电容滤波器进行滤波。
4.如权利要求1所述的一种具有线性高精度的无人机发动机缸温测量器,其特征在于,所述信号采集电路为STM32F429VGT处理模块,通过采集信号调理电路所输出的信号,AD转换为相应的数字信号,即缸温温度值。
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