一種紅外導(dǎo)引頭制冷供氣測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

任春杰，費(fèi) 凡，賓 玲，盧 猛

（凱邁（洛陽(yáng)）氣源有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003）

0 引言

微型J-T 效應(yīng)制冷器（焦耳-湯姆遜制冷器）[1]的研究始于20世紀(jì)50年代，這種制冷器是利用高壓高純的氮?dú)?、氬氣或空氣，通過(guò)節(jié)流小孔，產(chǎn)生節(jié)流制冷效應(yīng)[2]。該制冷器無(wú)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，尺寸小，啟動(dòng)快，非常適合各型紅外制導(dǎo)武器系統(tǒng)[3]。紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈在迅速發(fā)展的紅外探測(cè)器件的牽引下，其抗干擾性已得到不斷的改進(jìn)和提高[4]。

紅外導(dǎo)引頭的探測(cè)器作用距離除與目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度及輻射光譜特性有關(guān)外，也與其自身的靈敏度及外在環(huán)境的氣象條件有關(guān)，因此，紅外導(dǎo)引頭在生產(chǎn)調(diào)試過(guò)程中，需使用專(zhuān)用測(cè)試系統(tǒng)完成高低溫環(huán)境下探測(cè)器的制冷時(shí)間測(cè)試，以確定制冷量需求。

在此背景下，結(jié)合某型武器系統(tǒng)紅外導(dǎo)引頭制冷用氣和測(cè)試需要，本文介紹了一種紅外導(dǎo)引頭制冷供氣測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)可以滿(mǎn)足導(dǎo)引頭批量生產(chǎn)用氣和測(cè)試需要。

1 制冷供氣測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紅外導(dǎo)引頭制冷供氣測(cè)試系統(tǒng)主要用于為某型紅外導(dǎo)彈提供滿(mǎn)足要求的制冷氣體，并對(duì)導(dǎo)引頭探測(cè)器制冷啟動(dòng)時(shí)間和制冷量進(jìn)行測(cè)試和采集。

系統(tǒng)采用高壓氣驅(qū)增壓泵對(duì)低壓氬氣進(jìn)行增壓，可實(shí)現(xiàn)到壓自動(dòng)停機(jī)；配置有高壓電磁閥，通過(guò)工控機(jī)自動(dòng)進(jìn)行供氣控制；配備有高低溫試驗(yàn)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集模塊，可模擬導(dǎo)引頭探測(cè)器實(shí)際工作溫度，進(jìn)行壓力、溫度、制冷量、成像數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。

制冷供氣測(cè)試系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上主要由供氣系統(tǒng)、高低溫試驗(yàn)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成（如圖1所示）。

圖1 制冷供氣測(cè)試系統(tǒng)外形Fig.1 Apperance of refrigeration gas supply test system

1.1 供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

供氣系統(tǒng)主要由氣驅(qū)增壓泵、純化器、過(guò)濾器、高壓緩沖罐、減壓器、閥門(mén)、高壓管路和智能壓力控制器組成，用于對(duì)氬氣進(jìn)行增壓、干燥、儲(chǔ)存、過(guò)濾和減壓輸出。其氣路原理圖如圖2所示。

圖2 供氣系統(tǒng)氣路原理圖Fig.2 Schematic diagram of gas supply system

供氣系統(tǒng)氣路分為3 路：

驅(qū)動(dòng)氣路：0.8～1 MPa 的壓縮空氣分兩路輸入，一路經(jīng)減壓器（JY1）減壓后為氣驅(qū)增壓泵提供驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)調(diào)節(jié)減壓器壓力可控制增壓速率，另一路驅(qū)動(dòng)氣驅(qū)增壓泵進(jìn)行換向；

預(yù)增壓氣路：5～15 MPa 的高純氬氣經(jīng)純化器（CHQ1）干燥凈化后進(jìn)入氣驅(qū)增壓泵，通過(guò)減壓器（JY2）可調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力大小，進(jìn)而控制增壓效率；

高壓氣路：氣驅(qū)增壓泵增壓至100 MPa 后，通過(guò)智能壓力控制器控制氣驅(qū)增壓泵自動(dòng)停止，增壓后的高壓氬氣存入高壓緩沖罐（HCG1）備用，并通過(guò)過(guò)濾器（G4）再次過(guò)濾，通過(guò)減壓器（JY3）可控制輸出壓力。

本供氣系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)如下：

①氣體介質(zhì)：高純氬（5～15 MPa）；

②增壓壓力：≤100 MPa；

③露點(diǎn)控制：≤－65℃（常壓）；

④減壓輸出壓力：0～55 MPa。

1.2 高低溫試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高低溫試驗(yàn)系統(tǒng)由環(huán)境試驗(yàn)箱、模擬氣瓶[5]、高壓電磁閥、高壓針閥、紅外導(dǎo)引頭、紅外玻璃等組成，如圖3所示。

圖3 高低溫試驗(yàn)系統(tǒng)外形組成圖Fig.3 Outline composition diagram of high and low temperature test system

其中，試驗(yàn)箱用于控制高壓氬氣、探測(cè)器等的溫度，模擬探測(cè)器實(shí)際工作環(huán)境溫度；高壓儲(chǔ)氣瓶采用嵌入式安裝框架集成在環(huán)境試驗(yàn)箱，可通過(guò)供氣系統(tǒng)和安裝框架上的針閥充入指定壓力的高壓氬氣，進(jìn)行制冷耗氣量的測(cè)試，針閥用于高壓儲(chǔ)氣瓶的開(kāi)閉控制；高壓電磁閥通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)高壓儲(chǔ)氣瓶中高壓氬氣向?qū)б^輸送，通過(guò)毛細(xì)管節(jié)流實(shí)現(xiàn)制冷效果；紅外玻璃用于紅外光透入對(duì)接模擬目標(biāo)源。

高低溫試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)的技術(shù)指標(biāo)如下：

①測(cè)試溫度：－50℃～＋200℃；

②儲(chǔ)氣壓力：0～55 MPa。

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由測(cè)試柜體、工控機(jī)、顯示屏、CAN 盒、LVDS 板卡、視頻采集卡、直流電源等組成，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力、溫度、制冷啟動(dòng)時(shí)間、成像圖片、視頻等數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Test system structure diagram

測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的功能包括：

①實(shí)時(shí)接收并顯示LVDS 卡圖像、視頻、CAN卡數(shù)據(jù)狀態(tài)等；

②溫度和壓力數(shù)據(jù)曲線實(shí)時(shí)顯示；

③實(shí)時(shí)保存溫度和壓力數(shù)據(jù)；

④實(shí)時(shí)保存LVDS 卡接收數(shù)據(jù)、視頻卡接收視頻、CAN 卡接收數(shù)據(jù)；

⑤解析CAN 卡和LVDS 卡接收數(shù)據(jù)。

操作人員與設(shè)備間通過(guò)人機(jī)交互界面完成測(cè)試控制，該功能由主控模塊負(fù)責(zé)，主控模塊的基本操作流程如圖5所示。

圖5 主控模塊操作流程Fig.5 Operation flow of main control module

根據(jù)實(shí)際測(cè)試需要，開(kāi)發(fā)如圖6～圖8 的軟件界面，其中：

圖6 主測(cè)試界面Fig.6 Main test interface

圖7 LVDS 解析界面Fig.7 LVDS parsing interface

圖8 AD 校準(zhǔn)界面Fig.8 AD calibration interface

①主測(cè)試界面：用于實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程控制和參數(shù)監(jiān)控，能夠?qū)崟r(shí)顯示壓力、溫度、圖像等數(shù)據(jù)信息；

②LVDS 解析界面：用于對(duì)CAN 卡和LVDS 卡接收數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和轉(zhuǎn)換，以便于后期數(shù)據(jù)處理；

③AD 校準(zhǔn)界面：用于測(cè)試前對(duì)壓力、溫度等采集信號(hào)進(jìn)行自校準(zhǔn)，保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與改進(jìn)

結(jié)合系統(tǒng)在工程實(shí)踐中遇到的問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.1 模塊化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，供氣系統(tǒng)、高低溫試驗(yàn)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用分體設(shè)計(jì)，每個(gè)分系統(tǒng)按其功能設(shè)計(jì)為獨(dú)立模塊，互不干涉，其氣路和電氣接口采用通用接口，使得系統(tǒng)各獨(dú)立模塊可單獨(dú)使用，提高了系統(tǒng)的適用范圍。

2.2 高低溫試驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

導(dǎo)彈在飛行過(guò)程中，其周?chē)臍夂驐l件差異性很大，有可能經(jīng)歷極端的高溫或低溫環(huán)境。為了模擬高低溫條件對(duì)導(dǎo)彈捕獲目標(biāo)性能的影響，在高低溫試驗(yàn)系統(tǒng)中需要用到高低溫箱，同時(shí)，不同環(huán)境下導(dǎo)引頭工作所需的制冷量不同，節(jié)流制冷器耗氣量的大小決定了彈上氣瓶的體積、重量、工作時(shí)間等[5]，這就要求為導(dǎo)引頭提供不同容積的模擬氣瓶以驗(yàn)證其在不同溫度下對(duì)氬氣的需求。

首先，模擬氣瓶必須置于高低溫箱內(nèi)部以保證氬氣能夠達(dá)到設(shè)定的環(huán)境溫度，同時(shí)模擬氣瓶的充氣控制閥門(mén)和供氣控制閥門(mén)需設(shè)置在高低溫箱外部以方便操作。

其次，模擬氣瓶與閥門(mén)的連接管路盡量固定，以避免在反復(fù)測(cè)試過(guò)程中可能造成的漏氣問(wèn)題。

基于以上分析，在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，模擬氣瓶與閥門(mén)的設(shè)計(jì)和連接形式仍采用模塊化的設(shè)計(jì)思想（如圖9所示），其設(shè)計(jì)思路如下：

圖9 高低溫試驗(yàn)系統(tǒng)外部結(jié)構(gòu)Fig.9 External structure of high and low temperature test system

①模擬氣瓶設(shè)置3 種容積，氣瓶直徑相同，長(zhǎng)度不同，可根據(jù)不同的制冷量組合選擇所需容積；

②模擬氣瓶、電磁閥、壓力傳感器固定于氣瓶架上，氣瓶架和充氣、供氣針閥固定于面板上，所有器件采用不銹鋼管連接，其充氣口采用穿板接頭固定于高低溫箱側(cè)板，有效保證了結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，避免了頻繁拆裝；

③面板與高低溫箱側(cè)板嵌入式連接，其接觸面填充寬溫橡膠材料，以保證溫箱的保溫和密封性能；

④溫箱側(cè)壁設(shè)置過(guò)線孔并加橡膠塞。

通過(guò)以上設(shè)計(jì)，主要解決了以下問(wèn)題：

①高壓供氣管路一體化鋪設(shè)，外部接口少，連接操作減少，避免了頻繁拆裝和漏氣，提高了可靠性；

②閥門(mén)操作時(shí)無(wú)需打開(kāi)高低溫箱門(mén)，避免了高低溫箱內(nèi)部溫度變化，減少對(duì)試驗(yàn)的影響；

③模擬氣瓶為同直徑設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，提高了互換性。

2.3 高低溫箱防結(jié)霜設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

高低溫箱在進(jìn)行環(huán)境溫度模擬時(shí)，內(nèi)部放置有導(dǎo)引頭和紅外濾光玻璃，目標(biāo)源紅外光經(jīng)高低溫箱門(mén)上的雙層保溫玻璃（光入口，見(jiàn)圖10）進(jìn)入箱內(nèi)，經(jīng)紅外濾光玻璃被導(dǎo)引頭識(shí)別，但在實(shí)際工作過(guò)程中，因高低溫箱內(nèi)外部溫度的差異，溫箱門(mén)外層玻璃因與大氣接觸，不可避免會(huì)產(chǎn)生水汽進(jìn)而結(jié)霜，由此造成接收光源強(qiáng)度減弱，影響導(dǎo)引頭對(duì)光波的采集。

圖10 高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.10 Internal structure of high and low temperature test system

在本設(shè)計(jì)中，為防止溫箱玻璃窗口在低溫下結(jié)霜，影響光波照入強(qiáng)度，我們將高低溫試驗(yàn)箱壓縮機(jī)熱風(fēng)出口通過(guò)軟管引至雙層玻璃夾層內(nèi)，通過(guò)預(yù)先試驗(yàn)識(shí)別結(jié)霜溫度，借助溫度傳感器和PLC 控制模塊，當(dāng)溫度臨近結(jié)霜溫度時(shí)，熱風(fēng)自動(dòng)吹出，使雙層玻璃時(shí)刻保持加熱狀態(tài)，經(jīng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證達(dá)到了良好的除霜效果。

3 結(jié)論

通過(guò)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)施，提供了一套完整的紅外導(dǎo)引頭制冷供氣測(cè)試解決方案，通過(guò)近3年的測(cè)試應(yīng)用，表明本系統(tǒng)可以滿(mǎn)足批量紅外型武器系統(tǒng)測(cè)試需求；系統(tǒng)輸出壓力高，同時(shí)內(nèi)部集成了3 組不同容積的模擬氣瓶，可以滿(mǎn)足多種導(dǎo)引頭的測(cè)試需求；通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化和改進(jìn)，系統(tǒng)在可靠性、人機(jī)工程等方面有很大改善；系統(tǒng)軟件和板卡預(yù)留有升級(jí)接口，便于后期對(duì)系統(tǒng)的更新和完善。