基于光纖陀螺儀檢測的精密溫控裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫寧， 夏艷， 程行清

(中國電子工程設(shè)計(jì)院有限公司， 北京 100840)

0 引言

陀螺儀是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心器件，光纖陀螺儀是基于原子的Sagnac效應(yīng)，以光導(dǎo)纖維線圈為基礎(chǔ)的一種陀螺儀廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、艦艇、戰(zhàn)術(shù)裝備中。目前國外公開報(bào)道的光纖陀螺長時(shí)間零偏穩(wěn)定性已優(yōu)于1×10°/h，研制單位主要包括法國iXblue公司、美國Honeywell公司、美國L3 Space & Navigation公司、意大利GEM Elettronica公司和俄羅斯Optolink公司等。國內(nèi)研究光纖陀螺的單位包括中國航天科技集團(tuán)第13研究所、北京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、中國航天科工集團(tuán)三院33所、中國航空工業(yè)第618研究所、中國船舶工業(yè)總公司第707研究所、中國兵器工業(yè)導(dǎo)航與控制技術(shù)研究所等。目前，國內(nèi)工程化應(yīng)用的光纖陀螺精度可以達(dá)到0.005 °/h左右。零偏穩(wěn)定性達(dá)到 0.000 3°/h (1σ) 的光纖陀螺儀已見報(bào)道。

光纖陀螺儀是一種對環(huán)境變化極為敏感的高精密儀器，溫度和振動(dòng)是影響光纖陀螺儀分辨率和穩(wěn)定性的主要因素。因此，在進(jìn)行高精度光纖陀螺儀檢測時(shí)，需要在給定精度的溫度場內(nèi)，將光纖陀螺儀產(chǎn)品放在隔振平臺上進(jìn)行檢測。曾有學(xué)者對某型號的光纖陀螺儀檢測環(huán)境溫度場進(jìn)行72 h連續(xù)監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果顯示，該檢測環(huán)境溫度場波動(dòng)平均值為 ±0.067 ℃/d，可滿足零偏不穩(wěn)定性為3.6×10°/h的光纖陀螺儀設(shè)備檢測要求。近3年來，隨著高精度光纖陀螺儀產(chǎn)品迭代速度的加快和精度的提升，其對檢測環(huán)境保障的要求也逐漸提高。經(jīng)陀螺儀檢測單位對大量實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)，得出可滿足當(dāng)前高精度陀螺儀檢測的精密溫控裝置技術(shù)要求為：1)精密溫控裝置內(nèi)部空間尺寸要求能容納長達(dá)數(shù)米的檢測隔振平臺；2)恒溫區(qū)內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值后，不得再有明顯氣流；3)檢測空間范圍內(nèi)空間溫度均勻性不大于2 ℃；4)24 h內(nèi)溫度波動(dòng)不大于±0.05 ℃；5)擾動(dòng)功率不超過20 W時(shí)，溫度恢復(fù)時(shí)間不超過30 min。

現(xiàn)有用于工業(yè)儀器儀表、電子產(chǎn)品或者軍工產(chǎn)品檢驗(yàn)的溫箱設(shè)備，其系統(tǒng)構(gòu)成通常包括制熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、循環(huán)風(fēng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、相關(guān)傳感器系統(tǒng)等，屬于有風(fēng)控制系統(tǒng)，溫箱內(nèi)有明顯氣流產(chǎn)生。其內(nèi)部溫度波動(dòng)度水平在±0.5 ℃范圍內(nèi)，低于現(xiàn)有高精度陀螺儀的檢測需求。為將較大尺度空間內(nèi)的溫度場波動(dòng)控制在±0.05 ℃范圍內(nèi)，有學(xué)者先后提出水- 空氣交換法和變頻空調(diào)法，但兩種方法都會向溫度控制區(qū)內(nèi)引入明顯氣流，同樣不符合高精度陀螺儀檢測的技術(shù)要求。又有學(xué)者從硬件上提出在3個(gè)光纖環(huán)的外部加一個(gè)大的殼體，隔離慣性器件和惡劣的外部環(huán)境，給系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定的溫度場環(huán)境。有學(xué)者進(jìn)一步采用半導(dǎo)體制冷器(TEC)為執(zhí)行元件設(shè)計(jì)溫控電路，以金屬鋁板、絕緣塑料和導(dǎo)熱金屬墊板等為外殼，研制用于單只陀螺儀測試使用的小型恒溫箱，控制精度為±0.1 ℃。還有學(xué)者在此基礎(chǔ)上，將原有溫控系統(tǒng)中的單片機(jī)MSP430F449芯片替換為美國TI公司TMS320C6713B 為核心的硬件電路，使小型恒溫箱的控制精度提高到±0.03 ℃。但該技術(shù)路線受熱電制冷器(TEC)調(diào)節(jié)能力的限制，溫控空間尺寸存在局限，內(nèi)部無法容納通常長達(dá)數(shù)米的陀螺儀檢測隔振平臺，同樣不適用于高精度陀螺儀的批量檢測。

本文設(shè)計(jì)一種以輻射冷板為核心元件的精密溫控裝置，利用理論公式核算輻射冷板負(fù)荷能力，分析冷板調(diào)節(jié)精度。采用仿真分析評估精密溫控裝置在實(shí)際檢測工況下的溫度場均勻性，分析裝置內(nèi)工藝熱源對測試控制點(diǎn)附近溫度場波動(dòng)影響。借助裝置內(nèi)若干測試點(diǎn)鋪設(shè)及測試以驗(yàn)證精密溫控裝置的可靠性，解決了檢測環(huán)境溫度控制中要求無風(fēng)低波動(dòng)的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了高精度光纖陀螺儀在較大尺度空間的批量檢測。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

光纖陀螺儀檢測時(shí)的溫度場波動(dòng)主要由檢測空間外部溫度場變化，及內(nèi)部陀螺儀檢測儀器所帶的工藝熱源造成。為盡量減少外部溫度場波動(dòng)的影響，精密溫控裝置被設(shè)計(jì)為一個(gè)由保溫材料包裹的封閉空腔。根據(jù)逐級遞推式控溫策略，利用變頻空調(diào)和采暖設(shè)備將封閉腔體周邊溫度控制在22～30 ℃ 范圍內(nèi)。在封閉腔體內(nèi)部四周均勻設(shè)置一定數(shù)量的輻射冷板，輻射冷板內(nèi)部有冷卻循環(huán)水。通過對輻射冷板內(nèi)流動(dòng)的冷卻循環(huán)水的流量和溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，將外部傳入的溫度波動(dòng)干擾與內(nèi)部工藝熱源帶來的溫度干擾抵消掉，最終達(dá)到指定控制精度。方案示意圖如圖1所示。

圖1 精密溫控裝置方案示意圖Fig.1 Overall scheme of high-precision temperature control device

常用溫度控制方法包括常規(guī)PID、模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Fuzzy-PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳PID及廣義預(yù)測等。常規(guī)PID控制方法易于建立線性溫度控制系統(tǒng)被控對象模型?？刂葡到y(tǒng)采用精密控制系統(tǒng)循環(huán)水溫度+精密控制冷板水量兩級精密控制設(shè)計(jì)。冷板調(diào)節(jié)最小步長1/1 024，循環(huán)水溫度波動(dòng)幅度控制在±0.05 ℃以內(nèi)，以利于后級冷板水量的精密控制。系統(tǒng)終極溫度控制采用帶人工智能(AI)功能的PID控制，通過溫度傳感器→二次儀表→連續(xù)調(diào)節(jié)執(zhí)行器→高精度閥門，實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)連續(xù)控制，控制參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況標(biāo)定。

由于考慮到電磁干擾以及大尺度空間制熱能耗經(jīng)濟(jì)性問題，精密溫控裝置被設(shè)計(jì)為單向制冷模式，因此封閉腔體內(nèi)的人為設(shè)定溫度要求低于封閉腔體周邊溫度，且溫差≤5 ℃。滿足此條件后，系統(tǒng)才可開始工作。如圖2所示，封閉腔體內(nèi)人為設(shè)定溫度在16～26 ℃范圍內(nèi)可調(diào)解，以適應(yīng)腔體外部溫度場四季變化的實(shí)際情況，并滿足工作人員在內(nèi)部操作的舒適度要求。系統(tǒng)開始運(yùn)行后，輻射冷板內(nèi)的冷卻循環(huán)水溫度會自動(dòng)調(diào)整到比腔體內(nèi)設(shè)定溫度再低一些，即冷卻循環(huán)水溫度在14～24 ℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)穩(wěn)定以后，輻射冷板表面溫度與室內(nèi)溫差≤2 ℃，以保證腔體內(nèi)部形成一個(gè)空間溫度均勻性不大于 2 ℃ 的穩(wěn)定的溫度場。

圖2 精密溫控裝置平面圖Fig.2 General layout of high-precision temperature control device

2 理論分析輻射冷板供能能力及精度控制

2.1 輻射冷板供能能力分析

2.1.1 空間負(fù)荷計(jì)算

2.1.1.1 復(fù)合保溫腔體圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地面熱負(fù)荷

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 500019—2015 工業(yè)建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范，復(fù)合保溫腔體圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷計(jì)算公式為

=(-)

(1)

式中：為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本耗熱量(W)；為圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫差修正系數(shù)，根據(jù)規(guī)范取1.0；為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積(m)；為圍護(hù)結(jié)構(gòu)平均傳熱系數(shù)(W/(m·K))；為腔體內(nèi)計(jì)算溫度(K)；為腔體外計(jì)算溫度(K)。

由圖1中保溫腔體尺寸可得=(4.85+3.96)×2×2.5+4.85×3.96=63.3 m。

將上述參數(shù)代入(1)式，可得=69.6 W。

保溫腔體內(nèi)地面做法也與冷庫類似，計(jì)算地面的熱負(fù)荷的公式與(1)式類似，式中各系數(shù)可根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50072—2010 冷庫設(shè)計(jì)規(guī)范查表得到，取1.0，=4.85 m×3.96 m=19.206 m，取0.58 W/(m·K)，腔體內(nèi)外溫度差(-)需附加修正系數(shù)0.2，為1 K。計(jì)算可得=11.1 W。

2.1.1.2 新風(fēng)負(fù)荷

選用換氣除濕機(jī)，最大負(fù)荷在夏季，夏季新風(fēng)冷負(fù)荷計(jì)算公式為

=(-)

(2)

式中：為夏季新風(fēng)冷負(fù)荷(W)；為新風(fēng)量(m/h)；為室外空氣焓值(kJ/kg)；為室內(nèi)空氣焓值(kJ/kg)。

夏季室外空氣參數(shù)：夏季空調(diào)干球溫度為 33.5 ℃，夏季空調(diào)濕球溫度為26.4 ℃，室外空氣焓值為82.9 kJ/kg。腔體內(nèi)空氣參數(shù)：取室內(nèi)干球溫度為22.0 ℃，取腔體內(nèi)露點(diǎn)溫度為12.0 ℃(按冷板可工作最低水溫14 ℃考慮)，腔體內(nèi)空氣焓值為44.7 kJ/kg。換氣次數(shù)取0.5次/h，換氣量為4.85×3.96×2.5×0.5=24.01 m/h?？諝饷芏热?.2 kg/m，=28.812 m/h。

將上述參數(shù)代入(2)式，得新風(fēng)負(fù)荷=28.812×(84.9-44.7)=1 158 kJ/h=321.7 W。

2.1.1.3 電氣設(shè)備負(fù)荷

電氣設(shè)備負(fù)荷由換氣除濕機(jī)裝機(jī)負(fù)荷、預(yù)留實(shí)驗(yàn)室工藝設(shè)備負(fù)荷和照明負(fù)荷組成。的計(jì)算公式如下：

=++

(3)

式中：為換氣除濕機(jī)裝機(jī)負(fù)荷，=250 W；為預(yù)留實(shí)驗(yàn)室工藝設(shè)備負(fù)荷，=20 W；為照明負(fù)荷，=120 W。由此得到=390 W。

2.1.1.4 總負(fù)荷

在精密溫控工作狀態(tài)下，腔體內(nèi)除濕機(jī)是關(guān)閉的，則可得到腔體內(nèi)總負(fù)荷=+++=69.6+11.1+20+120=220.7 W。

2.1.2 輻射冷板供冷能力計(jì)算

輻射冷板的供冷能力可借助其與室內(nèi)空氣的換熱量進(jìn)行計(jì)算，包括對流傳熱(包含導(dǎo)熱)以及輻射換熱兩部分。

輻射冷板內(nèi)有流動(dòng)的冷卻循環(huán)水，當(dāng)傳熱溫差及冷水流量在一定范圍變化時(shí)，其對流傳熱通量密度計(jì)算公式為

=·(-)

(4)

式中：為封閉腔體內(nèi)平均空氣溫度；為輻射冷板平均水溫；為比例系數(shù)；為指數(shù)系數(shù)。根據(jù)輻射冷板生產(chǎn)廠家提供的技術(shù)參數(shù)，取178，取132。

輻射冷板的輻射換熱量密度計(jì)算公式為

(5)

式中：系數(shù)=，為Stefan-Boltzmann常數(shù)，=567×10，為低溫面的輻射率。據(jù)輻射冷板生產(chǎn)廠家提供的技術(shù)參數(shù)，=5435×10。

輻射冷板總負(fù)荷計(jì)算公式為

=(+)·

(6)

式中：為輻射冷板總面積(m)。根據(jù)圖1中輻射冷板尺寸和數(shù)量，=1872 m。

如圖2所示，封閉腔體內(nèi)平均空氣溫度可在16～26 ℃范圍內(nèi)人為調(diào)節(jié)，此處取22 ℃進(jìn)行計(jì)算。輻射冷板平均水溫取15～20 ℃進(jìn)行計(jì)算。由(4)式～(6)式，可得到輻射冷板在各溫差下的負(fù)荷計(jì)算值如表1所示，可見輻射冷板的負(fù)荷在 290～1 140 W 之間變化。

表1 輻射冷板負(fù)荷計(jì)算表

通過與總負(fù)荷(220.7 W)比較可知，輻射冷板最小供冷能力290 W完全可以滿足建筑負(fù)荷需求，即冷板供冷能力可以滿足工作狀態(tài)下腔體內(nèi)總熱負(fù)荷需求。

2.2 輻射冷板溫度精度控制分析

為驗(yàn)證精密溫控區(qū)域溫度場波動(dòng)不大于±0.05 ℃這一核心指標(biāo)，參考文獻(xiàn)[27]中的方法和參數(shù)，進(jìn)行冷負(fù)荷動(dòng)態(tài)驗(yàn)算。

驗(yàn)算基本條件及結(jié)果如下：腔體溫度基準(zhǔn)參數(shù)：干球溫度22.0 ℃，露點(diǎn)溫度12.0 ℃，對應(yīng)空氣焓值44.7 kJ/kg。腔體溫度發(fā)生偏移后的參數(shù)：干球溫度22.05 ℃，露點(diǎn)溫度12.0 ℃，對應(yīng)空氣焓值 44.75 kJ/kg，腔體內(nèi)部空氣質(zhì)量為4.85×3.96×2.5×1.2=57.6 kg，腔體溫度發(fā)生偏移后總焓值波動(dòng)量為57.6×(44.75-44.7)=2.88 kJ。

冷板系統(tǒng)控制閉環(huán)由溫度傳感器→控制儀表→控制水閥→輻射冷板構(gòu)成，根據(jù)其工作機(jī)理與生產(chǎn)廠家提供的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，一次完整的控制周期取為600 s，其對應(yīng)波動(dòng)功率為腔體溫度發(fā)生偏移后總焓值波動(dòng)量與一次完整的控制周期之比，=2.88×1 000/600=4.8 W，冷板調(diào)節(jié)最小步長=1/1 024，冷板最小調(diào)節(jié)功率=×=220.7/1 024=0.22 W。

由計(jì)算結(jié)果可知，冷板最小調(diào)節(jié)功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波動(dòng)功率。因此，輻射冷板的調(diào)節(jié)精度可以保證腔體內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)控制精度要求。

通過理論計(jì)算分析可知，輻射冷板負(fù)荷能力可以滿足工作狀態(tài)下腔體內(nèi)總熱負(fù)荷需求，其調(diào)節(jié)精度可以保證精密溫控區(qū)域溫度場波動(dòng)不大于±0.05 ℃的指標(biāo)要求。

3 模擬研究空間溫度場均勻性

為評估精密溫控裝置內(nèi)空間溫度場均勻性， 運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)Airpak對圖1所示精密溫控裝置方案進(jìn)行穩(wěn)態(tài)的熱分析仿真，計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示，輻射板溫度取為22 ℃。封閉腔體四周、頂部及底部均設(shè)為絕熱邊界。陀螺儀檢測工裝位于距離地面0.5 m高的隔振平臺上。檢測工裝設(shè)計(jì)用于多個(gè)陀螺儀同時(shí)檢測，尺寸為1 m×1 m×1 m。模擬熱源根據(jù)實(shí)際情況，熱負(fù)荷=20 W，位于檢測工裝形心位置，均勻發(fā)熱。

圖3 仿真計(jì)算的建模示意圖Fig.3 Modeling diagram of simulation calculation

如圖4所示，對高度分別為2.0 m、1.5 m和1.0 m處的溫度均勻性仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析后可以得出，3個(gè)高度截面上的溫差均不超過2 ℃，表明在封閉腔體側(cè)壁均勻布置輻射冷板的措施可以達(dá)到陀螺儀批量檢測時(shí)其對周圍溫度場的均勻性要求。

圖4 溫度場均勻性仿真結(jié)果Fig.4 Simulated results of temperature field uniformity

4 模擬研究空間內(nèi)局部熱源影響

光纖陀螺儀具有電源體制簡單、功耗小的特點(diǎn)，常溫下一般小于3 W。本文所用光纖陀螺儀電源模塊的功耗由生產(chǎn)廠家提供，給定值為2 W，尺寸為96 mm×96 mm×30 mm。電源模塊作為內(nèi)部局部工藝熱源在陀螺儀檢測過程中持續(xù)發(fā)熱。因此，需評估該工藝熱源對恒溫腔體內(nèi)部溫度場，特別是對距離工藝熱源10 cm處的監(jiān)測點(diǎn)的溫度影響。采用流體力學(xué)分析軟件Fluent對恒溫控制區(qū)域的溫度場進(jìn)行瞬時(shí)效應(yīng)計(jì)算，研究局部熱源影響下，恒溫控制區(qū)域溫度在空間的分布特征及監(jiān)測點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。研究問題模型如圖5所示。

圖5 研究問題模型示意圖Fig.5 Schematic diagram of research problem model

4.1 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

恒溫控制區(qū)域尺寸為4.85 m×3.96 m×2.5 m，對該區(qū)域采用六面體網(wǎng)格劃分，根據(jù)計(jì)算需求，在局部熱源周圍采用較小網(wǎng)格尺寸，共有370多萬個(gè)單元，如圖6所示。恒溫控制區(qū)域最外側(cè)輻射冷板壁面設(shè)為22 ℃，則模型最外側(cè)邊界條件設(shè)為恒溫22 ℃的絕熱無滑移靜止壁面。局部熱源總生熱量根據(jù)實(shí)際情況取2 W，尺寸為96 mm×96 mm×30 mm， 則在整個(gè)熱源上施加的生熱率為7 233.796 W/m?？諝庾匀粚α鲹Q熱系數(shù)取為5 W/(m·K)。

圖6 恒溫控制區(qū)域網(wǎng)格劃分Fig.6 Grid generation of thermostatic control area

4.2 計(jì)算結(jié)果

在5 410 s時(shí)，恒溫控制區(qū)域溫度分布云圖如 圖7 所示，最高溫度為298.483 K，即25.333 ℃，熱源周圍左右兩側(cè)升高0.05 ℃等溫線距離熱源表面約61.5 mm。

圖7 在5 410 s時(shí)恒溫控制區(qū)域溫度分布云圖Fig.7 Temperature distribution in constant temperature control area at 5 410 s

熱源左側(cè)表面中心點(diǎn)溫度- 時(shí)間曲線如圖8所示。熱源開啟大約1 500 s后基本穩(wěn)定，穩(wěn)定后的溫度約為24.243 ℃，最高溫度為24.248 1 ℃，大約發(fā)生在2 000 s。

圖8 熱源左側(cè)表面中心點(diǎn)溫度- 時(shí)間曲線Fig.8 Temperature-time curve of left surface center point of heat source

對于距離熱源左側(cè)表面100 mm處的控制點(diǎn)位置，溫度- 時(shí)間曲線如圖9所示。熱源開啟大約5 000 s后，基本穩(wěn)定，穩(wěn)定后的溫度約為22.000 9 ℃，最高溫度為22.011 3 ℃，大約發(fā)生在500 s。

圖9 距離熱源左側(cè)表面100 mm處溫度- 時(shí)間曲線Fig.9 Temperature-time curve at a distance of 100 mm from the left surface of the heat source

由計(jì)算結(jié)果可知，光纖陀螺儀檢測所帶2 W工藝熱源，對距離熱源表面左側(cè)100 mm處的測試控制點(diǎn)的溫升影響小于0.05 ℃。因此，采用輻射冷板為核心元件的精密溫控裝置可以滿足陀螺儀檢測時(shí)對其周邊溫度場的波動(dòng)性要求。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置可靠性

為驗(yàn)證精密溫控裝置各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)標(biāo)情況，委托研制設(shè)備的某研究所采用自有高精度溫度傳感器開展溫度場均勻性與溫度控制精度驗(yàn)證測試，以及內(nèi)部熱源溫度擾動(dòng)下溫度?；謴?fù)穩(wěn)定時(shí)間測試。

在精密溫控裝置控制區(qū)域內(nèi)均勻布置若干個(gè)測溫點(diǎn)。T1、T4、T6、T8監(jiān)測點(diǎn)位于陀螺儀檢測區(qū)域，T5、T9、T10監(jiān)測點(diǎn)位于陀螺儀檢測區(qū)域外圍，測溫點(diǎn)平面布置圖如圖10所示。

圖10 精密溫控裝置內(nèi)測溫點(diǎn)位置Fig.10 Location of temperature measuring points in high-precision temperature control device

5.1 溫度場均勻性與溫度控制精度驗(yàn)證測試

測試時(shí)間為2020年8月3日8:20至8月4日11:00，共26.7 h，測試結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，T1、T4和T8 3個(gè)距離檢測工裝較近的監(jiān)測點(diǎn)溫度比其他較遠(yuǎn)距離監(jiān)測點(diǎn)高，這與仿真計(jì)算結(jié)果圖4所示的精密溫控裝置內(nèi)中心位置溫度高、四周溫度低的溫度場分布規(guī)律一致。精密溫控裝置內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)最大差值不大于0.5 ℃，溫度場均勻性實(shí)測結(jié)果優(yōu)于仿真計(jì)算值，滿足溫度均勻度不大于2 ℃的指標(biāo)要求。另外，各監(jiān)測點(diǎn)均滿足不大于±0.05 ℃/d的精度要求。實(shí)測結(jié)果與輻射冷板溫度精度控制的理論分析結(jié)果一致。

圖11 各測溫點(diǎn)測試結(jié)果Fig.11 Test result of temperature measuring points

5.2 擾動(dòng)下溫度場恢復(fù)時(shí)間測試

精密溫控裝置實(shí)際設(shè)備熱源20 W。為驗(yàn)證在該熱源干擾下精密溫控裝置內(nèi)溫度場是否能在30 min內(nèi)恢復(fù)，在精密溫控裝置內(nèi)部布置功率為 25 W 的電烙鐵。在裝置內(nèi)部溫度穩(wěn)定條件下，電烙鐵通電并記錄通電時(shí)間，觀察室內(nèi)各測溫點(diǎn)的溫度穩(wěn)定時(shí)間，待溫度穩(wěn)定后關(guān)閉電烙鐵并記錄溫度穩(wěn)定時(shí)間。

如圖12所示，電烙鐵加熱開始時(shí)間2020年8月18日14:52，溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間2020年8月18日15:05，溫度穩(wěn)定所需時(shí)間為13 min。T1～T10測溫點(diǎn)的實(shí)測結(jié)果與設(shè)計(jì)中根據(jù)其工作機(jī)理與生產(chǎn)廠家提供的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)取定的該裝置一次完整控制周期(600 s)基本吻合，證明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，設(shè)計(jì)參數(shù)取值合理。精密溫控裝置滿足20 W擾動(dòng)條件下穩(wěn)定時(shí)間不大于30 min的指標(biāo)要求。

圖12 擾動(dòng)恢復(fù)時(shí)間測試結(jié)果Fig.12 Test result of temperature recovery

5.3 裝置可靠性驗(yàn)證結(jié)果

實(shí)測結(jié)果與理論分析及仿真計(jì)算結(jié)果吻合，驗(yàn)證了精密溫控裝置在溫控波動(dòng)度、溫度均勻度、擾動(dòng)恢復(fù)時(shí)間上均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了檢測空間范圍內(nèi)空間溫度均勻性不大于2 ℃，24 h內(nèi)溫度波動(dòng)不大于±0.05 ℃，擾動(dòng)功率不超過20 W時(shí)，溫度恢復(fù)時(shí)間不超過30 min等的技術(shù)指標(biāo)。

6 結(jié)論

本文針對光纖陀螺儀在在無明顯氣流大尺度空間批量檢測方面的瓶頸問題，提出一種無風(fēng)低波動(dòng)、可適用于大尺度空間精密溫控的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一種以輻射冷板為核心元件的精密溫控裝置。首先，利用理論公式核算輻射冷板負(fù)荷能力，分析得到輻射冷板調(diào)節(jié)精度可以保證精密溫控區(qū)域溫度場波動(dòng)不大于±0.05 ℃的指標(biāo)要求。其次，采用仿真分析評估精密溫控裝置在實(shí)際檢測工況下溫度場均勻性，分析裝置內(nèi)工藝熱源對測試控制點(diǎn)附近溫度場波動(dòng)影響，驗(yàn)證該裝置設(shè)計(jì)可靠性。最后，借助裝置內(nèi)若干測試點(diǎn)鋪設(shè)及測試以驗(yàn)證檢測空間范圍內(nèi)空間溫度均勻性不大于2 ℃，24 h內(nèi)溫度波動(dòng)不大于±0.05 ℃，溫度擾動(dòng)作用下溫度場恢復(fù)時(shí)間不超過30 min技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)情況。該優(yōu)化設(shè)計(jì)解決了檢測環(huán)境溫度控制中要求無風(fēng)低波動(dòng)的技術(shù)難題，突破了傳統(tǒng)技術(shù)路線中對檢測空間的限制，使檢測空間內(nèi)部可容納長達(dá)數(shù)米的檢測隔振平臺，為光纖陀螺儀批量檢測及行業(yè)技術(shù)進(jìn)步提供有利技術(shù)支撐。