CN201000330Y - 带半导体恒温控制装置的惯性测量单元 - Google Patents
带半导体恒温控制装置的惯性测量单元 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种带半导体恒温控制装置的惯性测量单元，包括惯性测量单元，惯性测量单元内设置有用于给所述惯性测量单元中各元器件进行降温或升温的半导体恒温控制装置，半导体恒温控制装置包括敏感工作温度的温度传感器，温度传感器的输出接到对该输出进行分析处理并输出控制信号的CPU计算模块，CPU计算模块的输出经D/A转换器接至功率驱动模块，功率驱动模块输出的+/－12伏驱动电压及控制驱动电压大小和方向的信号接至用于制冷或用于加热的制冷加热模块。本实用新型通过惯性测量单元内部通过CPU计算模块来控制制冷加热模块对内部工作环境制冷或加热，保持温度漂移最小的恒定温度，提高惯性测量单元测量的稳定性和精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种惯性测量单元，特别是一种具有半导体恒温控制装置的惯性测量单元，可广泛用于稳定平台，姿态航向控制系统，飞行器稳定控制，汽车稳定控制，天线稳定控制等领域。
背景技术
目前在各领域所使用的惯性测量单元，工作环境的温度变化直接引起惯性测量单元的温度漂移，直接影响到惯性测量单元的测量精度。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供一种具有半导体恒温控制装置的惯性测量单元，通过在惯性测量单元中加设半导体恒温控制装置，半导体恒温控制装置内部的CPU计算模块通过温度传感器敏感测量单元的工作温度，并和内部设定的工作温度比较，由温度差别控制功率器件使制冷、加热器工作，达到设定有的工作温度。
为此，本实用新型提供了一种带半导体恒温控制装置的惯性测量单元，包括惯性测量单元，其中，所述惯性测量单元内设置有用于给所述惯性测量单元中各元器件进行降温或升温的半导体恒温控制装置，所述半导体恒温控制装置包括敏感工作温度的温度传感器，所述温度传感器的输出接到对该输出进行分析处理并输出控制信号的CPU计算模块，所述CPU计算模块的输出经D/A转换器接至功率驱动模块，所述功率驱动模块输出的+/-12伏驱动电压及控制所述驱动电压大小和方向的信号接至用于制冷或用于加热的制冷加热模块。
本实用新型通过惯性测量单元内部的温度传感器敏感惯性单元内部工作温度，通过CPU计算模块来控制制冷加热模块对内部工作环境制冷或加热，达到设定的工作温度，使惯性单元内部工作在恒温的控制温度下，使惯性测量单元的输出不随环境温度的变化产生温度漂移，提高测量的稳定性和高精度。本实用新型使测量在-40°～85°的环境温度范围内时，惯性测量单元内部温度可控制在最佳工作温度点处于-25°～25℃温度范围内任一点，且控温精度误差为+/-1℃，在此工作温度下，惯性测量单元输出温度漂移最小。
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本实用新型第一优选实施例的逻辑框图；
图2为本实用新型一种温度传感器的电路连接图；
图3为本实用新型一种CPU计算模块的电路连接图；
图4为本实用新型一种D/A转换器的电路图；
图5为本实用新型一种功率驱动模块的电路图。
具体实施方式
图1为本实用新型第一优选实施例的逻辑框图。如图1所示，本实用新型为一种带半导体恒温控制装置的惯性测量单元，包括惯性测量单元1，所述惯性测量单元1内设置有用于给所述惯性测量单元1中各元器件进行降温或升温的半导体恒温控制装置2，所述半导体恒温控制装置2包括敏感工作温度的温度传感器3，所述温度传感器3的电压输出接到对该电压进行分析处理并输出控制信号的CPU计算模块4，所述CPU计算模块4的输出经D/A转换器5接至功率驱动模块6，所述功率驱动模块6输出的+/-12伏驱动电压及控制所述驱动电压大小和方向的信号接至用于制冷或用于加热的制冷加热模块7。
所述实施例中，制冷加热模块7的电压输入为+1 2伏时为所述制冷加热模块7为加热工作状态；所述制冷加热模块7的电压输入为-12伏时所述制冷加热模块为制冷工作状态。
图2为本实用新型一种温度传感器的电路连接图。如图2所示，本实施例中，温度传感器采用美国DALLS公司研制的单总线数字温度传感器DS18B20，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际需要编程实现9-12位的数字式读数方式，最长转换时间不超过800ms，总线读写和可编程的总线供电方式使DS18B20的使用简单，可靠。图2中R8为电阻，Q3为场效应管。
图3为本实用新型一种CPU计算模块的电路连接图。如图3所示，CPU计算模块4可选用T1公司生产的16位低功耗单片机MSP430F149芯片。MSP430F149芯片U6的端脚1接至所述惯性测量单元的3.3伏电压输出端，端脚1又通过一电容C11后接地，端脚11接地，端脚54、55、56、57分别依次接至用于下载调试程序的仿真下载器芯片JTAG1的1、3、5、7脚， 端脚58通过一电阻R18以及并联的电阻R4和二极管D2接至所述电源稳压电路的3.3伏电压输出端，电阻R18与电阻R4的连接端又通过一电容C21后接地，端脚62、63接地，端脚64接至所述电源稳压电路的3.3伏电压输出端，仿真下载器芯片JTAG1的9脚接地，仿真下载器芯片JTAG1的2脚接所述电源稳压电路的3.3伏电压输出端，且又通过一电容C30接地；MSP430F149芯片U6的端脚8与端脚9之间连接一电容CRY2，且电容CRY2与端脚8的连接端又通过电容C9后接地，电容CRY2与端脚9的连接端又通过电容C8后接地；所述MSP430F149芯片U6的端脚22与端脚23之间连接一电容CRY1，且电容CRY1与端脚23的连接端又通过电容C6后接地，电容CRY1与端脚22的连接端又通过电容C7后接地。本实用新型CPU计算模块控制温度采用比例、微分、积分(简称PID)方式。数字式PID算法是恒温控制程序的核心。本实用新型采用增量式PID算法。通过对惯性测量单元全温区标定时输出数植，分析确定惯性测量单元温漂最小的工作温度按此温度确定CPU计算模块内部恒温控制程序PID的各个参数，使响应快超调小。本实用新型，控温精度可以在±1℃，在5分钟内即可达到设定的温度点。
图4为本实用新型一种D/A转换器的电路图。D/A转换器采用DAC7512型12位D/A转换芯片。如图4所示，C1、C2为电容。D/A输出接VR1一端，VR1另一端接地，R1接A1的3脚，A1的2脚接A1的6脚，A1的6脚接R2以端，R2另一端接R4和A2的3脚，R4另一端接地，A2的2脚接R 3和R7，R3的另一端接地，A2的6脚接R5和R6，R5的另一端接Q1和+12V，R6的另一端接Q2和-12V，Q1和Q2的另一端接RL，R7的另一端接RL和Rs，Rs的另一端接地。
图5为本实用新型一种功率驱动模块的电路图。如图5所示，功率驱动模块包括运算放大器A1，运算放大器A1的2脚与6脚相连，运算放大器A1的3脚通过电阻R1接至可变电阻VR1的中心抽头上，可变电阻VR1一端接所述D/A转换器的输出端，另一端接地，运算放大器A1的6脚通过电阻R2接运算放大器A2的3脚，3脚同时又经电阻R4后接地，运算放大器A2的2脚经R 3后接地，运算放大器A2的6脚与两个场效应管Q1、Q2的1脚相连，场效应管Q1的1脚又通过电阻R5与场效应管Q1的2脚一起接+12伏电压，场效应管Q2的1脚又通过电阻R6与场效应管Q2的3脚一起接-12伏电压，场效应管Q1的3脚与场效应管Q2的2脚一起通过所述制冷加热模块RL后，又接一取样电阻RS后接地，制冷加热模块RL与取样电阻RS间又通过反馈电阻R7与运算放大器A2的2脚相连。本实用新型的功率驱动模块6是用以给制冷加热模块7提供电源，并可控制驱动电压的大小和方向。制冷加热模块7的制冷或加热功率可以通过改变驱动电压或电流的大小来控制。在驱动电流一定的情况下可以有两种控制方式：一种是控制工作时间，即时间比例控制；一种在恒流情况下控制电压。按时间比例控制方式有电流冲击，对制冷加热模块7的使用寿命影响较大，会减少使用寿命。本实用新型采用连续调整型恒流控制方式，电压可以连续调节，且可以用一路D/A转换，完成制冷加热模块7的加热致冷，调节范围宽。
如图5所示，功率驱动模块6中采用了互补对称的功率MOSFET场效应功率管。分别为IRF540和IRF9540。IRF540管Q1为N沟道型，漏源间最大耐压100V，导通电阻0.18Ω。漏极最大电流12A。IRF9540管Q2为P沟道型，漏源电极最大耐压120V，导通电阻0.3Ω。漏极最大电流10A。与常用的功率放大晶体管相比，用功率MOSFET结构的线性放大器线性好，频带宽，温度稳定性好，电路简单可靠性高，功耗低等特点，A1构成电压跟随器型式，提高电路的输入阻抗。
上述各实施例中，制冷加热模块7采用TEC12708，最大工作电压8V，电流14.5A，致冷功率为69.2W，可以满足本实用新型的恒温控制要求。具有体积小，无需制冷剂的固体冷却方式。通过改变驱动电流方向，可以很方便地使其在制冷、加热间转换。其特点即是一种器件可以用来加热也可以用来制冷。本实用新型，控温精度可以在±1℃，在5分钟内即可达到设定的温度点。
上述各实施例中功率驱动电路采用连续调整性恒流源驱动，对制冷加热模块7驱动电流方向可变，电压大小可以连续调节。
上述各实施例中采用TEC12708作加热制冷源，可以很方便地改变加热，制冷方式，加热，制冷快，只需改变驱动电路电压的大小和方向，可以方便地调节制冷加热功率和改变加热，制冷方式。无振动，无制冷剂，无污染。
上述各实施例中为了保证适应环境，本实用新型采用了内部器件和外部壳体间填充保温材料，并且在外壳带有散热器，此结构可以使内部保温，减少散热，利于内部的恒温控制。并且为了适用恶劣工作环境，本实用新型同时采取了高密封结构设计来保证惯性测量单元长期稳定的工作。具有良好的防潮湿、防尘和抗震动冲击能力。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种带半导体恒温控制装置的惯性测量单元，包括惯性测量单元，其特征在于，所述惯性测量单元内设置有用于给所述惯性测量单元中各元器件进行降温或升温的半导体恒温控制装置，所述半导体恒温控制装置包括敏感工作温度的温度传感器，所述温度传感器的输出接到对该输出进行分析处理并输出控制信号的CPU计算模块，所述CPU计算模块的输出经D/A转换器接至功率驱动模块，所述功率驱动模块输出的+/-12伏驱动电压及控制所述驱动电压大小和方向的信号接至用于制冷或用于加热的制冷加热模块。
2.根据权利要求1所述的带半导体恒温控制装置的惯性测量单元，其特征在于，所述温度传感器为单总线数字温度传感器DS18B20。
3.根据权利要求1所述的带半导体恒温控制装置的惯性测量单元，其特征在于，所述CPU计算模块为16位低功耗单片机MSP430F149芯片。
4.根据权利要求3所述的带半导体恒温控制装置的惯性测量单元，其特征在于，MSP430F149芯片U6的端脚1接至所述惯性测量单元的3.3伏电压输出端，端脚1又通过一电容C11后接地，端脚11接地，端脚54、55、56、57分别依次接至用于下载调试程序的仿真下载器芯片JTAG1的1、3、5、7脚， 端脚58通过一电阻R18以及并联的电阻R4和二极管D2接至所述电源稳压电路的3.3伏电压输出端，电阻R18与电阻R4的连接端又通过一电容C21后接地，端脚62、63接地，端脚64接至所述电源稳压电路的3.3伏电压输出端，仿真下载器芯片JTAG1的9脚接地，仿真下载器芯片JTAG1的2脚接所述电源稳压电路的3.3伏电压输出端，且又通过一电容C30接地；MSP430F149芯片U6的端脚8与端脚9之间连接一电容CRY2，且电容CRY2与端脚8的连接端又通过电容C9后接地，电容CRY2与端脚9的连接端又通过电容C8后接地；所述MSP430F149芯片U6的端脚22与端脚23之间连接一电容CRY1，且电容CRY1与端脚23的连接端又通过电容C6后接地，电容CRY1与端脚22的连接端又通过电容C7后接地。
5.根据权利要求1所述的带半导体恒温控制装置的惯性测量单元，其特征在于，所述D/A转换器为DAC7512型12位D/A转换芯片。
6.根据权利要求1所述的带半导体恒温控制装置的惯性测量单元，其特征在于，所述制冷加热模块为TEC12708芯片。
7.根据权利要求1所述的带半导体恒温控制装置的惯性测量单元，其特征在于，所述功率驱动模块包括运算放大器A1，运算放大器A1的2脚与6脚相连，运算放大器A1的3脚通过电阻R1接至可变电阻VR1的中心抽头上，可变电阻VR1一端接所述D/A转换器的输出端，另一端接地，运算放大器A1的6脚通过电阻R2接运算放大器A2的3脚，3脚同时又经电阻R4后接地，运算放大器A2的2脚经R3后接地，运算放大器A2的6脚与两个场效应管Q1、Q2的1脚相连，场效应管Q1的1脚又通过电阻R5与场效应管Q1的2脚一起接+12伏电压，场效应管Q2的1脚又通过电阻R6与场效应管Q2的3脚一起接-12伏电压，场效应管Q1的3脚与场效应管Q2的2脚一起通过所述制冷加热模块RL后，又接一取样电阻RS后接地，制冷加热模块RL与取样电阻RS间又通过反馈电阻R7与运算放大器A2的2脚相连。
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