旋翼系统地面测试用调制解调器的分体式温控系统及方法

本发明属于电控测试设备温控，特别是一种旋翼系统地面测试用调制解调器的分体式温控系统及方法。

背景技术：

1、旋翼是为直升机提供动力和操纵的核心部件，桨叶结构载荷动态监测是旋翼桨叶的动力学特性分析和桨叶设计验证的主要依据，直接影响到直升机强度、性能和飞行特性。旋翼桨叶动载荷测试具有分布复杂、量程大、测点密、对附加质量敏感、动态响应高，且处于旋转、振动等复杂环境。如何在飞行状态下监测桨叶的动态载荷，实时分析和评价其运行状态，是直升机测量技术的重点。而桨叶弯矩是辨识桨叶结构载荷的重要参数，实时测量旋翼桨叶在运行过程中的动态弯矩，实现桨叶结构载荷的动态监测变得十分重要。

2、传统的旋翼载荷试验采用电测传感器获取测量数据，信噪比低，严重影响旋翼载荷识别的精度；需要粘贴大量的应变片从而接入大量的传输导线，在复合材料桨叶表面多点测量时会破坏桨叶表面光滑及结构，产生较大的附加质量，影响桨叶的气动飞行特性。光纤光栅传感器具有体积小、重量轻，对电绝缘、抗电磁干扰、精度高、可靠性高等优点，以及光纤光栅的高灵敏性、易于实现分布测量的高效性等特点，突破了传统基于电传感器测量方式的局限性，并且光纤光栅传感器可以对应变、速度、振动等多种物理量进行直接测量，降低系统的复杂性，简化了系统结构，便于监测系统本身的维护特性。

3、但由于现有光电器件的工艺限制和原理特性，光学器件或光电子设备的工作温度范围都比较窄，所采用的光纤光栅解调系统中的解调仪工作温度范围通常为-20℃～60℃，而旋翼服役条件为-40℃～70℃，解调仪无法在低温或高温下工作，因此需要一种装置用以提高解调仪的工作温度范围，光纤光栅解调仪中的部分电子元件对温度比较敏感，其工作环境应保持合适的温度区间中，且温度不应产生剧烈的波动。现有恒温装置通过接受来自内部的温度传感器温度信号，控制加热制冷系统工作来控制内部温度，当外部环境温度剧烈变化时，控制系统不能做出及时的反应，在温度调节调节过程中，内部温度可能会暂时超出解调仪的工作温度区间，传统温度调节算法会在短时间产生大量的冷量或热量，造成恒温箱内部温度环境的剧烈波动，温度的剧烈变化会导致设备失灵甚至损坏。

4、针对目前采用的半导体制冷时发热导致效率降低的问题，同时结合解调仪实际的服役环境，公开一种旋翼系统地面测试用调制解调器的分体式温控系统及方法，主要进行使用。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服上述现有技术中存在的问题，针对调制解调器在直升机舱内的应用环境，提供一种旋翼系统地面测试用调制解调器的分体式温控系统及方法，是一种结构简单、方便提高光纤光栅解调系统的主要设备光纤光栅解调仪工作温度范围的分体式恒温设备，能够根据内部和外部环境进行主动温度调节，特别的在内部温度变化前进行温度调节，在外部环境剧烈变化的情况下，保证内部温度在合理的工作区间，并保证温度调节时温度波动始终在解调仪要求范围内。

2、本发明的技术方案是：旋翼系统地面测试用调制解调器的分体式温控系统，包括恒温箱和半导体制冷控制箱，其中恒温箱内设置有半导体制冷器件和过冷水管，所述半导体制冷器件的冷端面向恒温箱的内腔，半导体制冷器件的热端与过冷水管接触；恒温箱外布置有与光纤光栅解调仪连接的光纤光栅温度传感器；恒温箱内腔用于存放所述光纤光栅解调仪并设有电阻式温度传感器；所述半导体制冷控制箱内设置有控制系统、冷却水箱和冷水机；恒温箱内的半导体制冷器件与温度传感器与控制箱内的控制系统连接；控制系统根据电阻式温度传感器和光纤光栅温度传感器所测量的温度数据，调节半导体制冷和过冷油液的循环温度来稳定恒温箱内的温度。

3、上述控制系统包括控制电路和控制面板，控制电路包括pic控制器，控制面板上设有温度报警指示灯；所述恒温箱内的半导体制冷器件与电阻式温度传感器均通过信号线与控制箱内的控制系统连接。

4、上述恒温箱盖的内壁上以及恒温箱底部内壁上均焊接有4个固定夹具，所述固定夹具用于固定光纤光栅解调仪。

5、旋翼系统地面测试用调制解调器的分体式温控系统的控温方法，包括如下步骤：

6、1)按约定周期检测每个区域的温度数据，所述区域是包括每个光纤光栅温度传感器串对应的恒温箱外壁区域温度和电阻式温度传感器对应的内部区域温度；其中，电阻式温度传感器对应恒温箱内部温度数值a，其中，a是每个时间节点采集的温度；恒温箱内部温度传感器按照约定周期将采集的温度值传输至控制系统；光纤光栅温度传感器采集的温度信息，通过光纤光栅解调仪进行分析处理后得到恒温箱外部表面温度数值bn，该温度数值为多个传感器采集数值的集合bn，其中n＝1，2，…，20，n是光纤光栅温度传感器中的光栅数量；

7、2)每个时刻收到电阻式温度传感器信号，控制系统中的pic控制器对恒温箱内部温度数值a进行判断，当a>60℃或a<-20℃，发出警报，报警指示灯亮；

8、3)获得每个光栅温度传感器中对应恒温箱外表面部位对设备内环境的传热系数cn；获得该传热系数，需要在恒温箱内外温度相同时，通过对恒温箱外表面的侧壁进行加热或制冷，测量恒温箱内外同一部位的表面温度，取内外温度相减后的绝对值,该绝对值即为传热系数，该传热系数cn用于量化保温箱外部温度环境对内部的影响；

9、4)确定恒温箱内需保持的目标温度值s，该目标温度根据光纤光栅解调仪的工作温度确定，即-20℃<s<60℃,该目标温度值s通过控制箱输入控制系统中；

10、5)确定恒温箱内的温度与目标温度的第一差值函数e(t)＝s-a，该函数为恒温箱内的温度值a与目标温度值s的差值随时间变化的函数；确定恒温箱外部的温度与目标温度的第二差值函数其中，对于第二差值函数的计算方法，先获得每个光栅温度传感器的温度值bn与对应传热系数cn相乘后的平均值，该平均值与目标温度的差值关于时间的函数即为第二差值函数，n为外部温度传感器光栅的数量；

11、6)由第一差值函数确定第一输出函数；该过程由pid算法确定，即通过比例积分计算、积分计算和微分计算的累加得到第一输出函数；其中，kpe(t)是比例积分计算，即t时刻恒温箱内部温度差函数e(t)乘以比例增益kp，kp＝0.65kc,kc是只采用比例环节控制条件下，控制系统的稳态误差尽量达到最小时的pide(t)＝kce(t)中的kc值；通过调节kp控制恒温箱到达目标温度的速度，kp越大，趋近目标温度的速度越快；是积分计算环节，即考虑到过去的误差，将第一差值函数从开始至当前时刻进行积分并与积分增益ki相乘，能够减小调节的误差，t是pid控制采样计算周期，ti是控制系统的积分时间；是微分计算环节，即考虑到即将到来的误差，对计算第一差值函数的一阶导，并和正值的常数kd相乘，t为控制系统的微分时间；三个参数都是调适参数且大于0，根据保温箱外壁环境温度范围进行调节；

12、7)由第二差值函数确定第二输出函数；该过程由pid算法确定，即通过比例计算、积分计算和微分计算的累加得到第二输出函数其中，比例计算、积分计算和微分计算都是基于第二差值函数f(t)得到，含义与方法与第一输出函数相同，三个计算环节与参数作用都与第一输出函数相同，但kp、ki、kd具体值不同；

13、8)确定输出函数μ(t)；输出函数μ(t)由第一函数和第二函数相加得到；其中输出函数μ(t)为μ(t)＝αpide(t)+βpidf(t)，其中α与β分别是第一输出函数和第二输出函数的适调参数，其中0<α<1，0<β<1，α为内部环境温度差与最大温度差对应的比例参数，e为pic控制系统采样时当前恒温箱内部环境温度与设定的目标温度的温度差，当内部环境温度变化范围在-40℃以下或70℃以上时α取1，当内部环境温度与目标温度相同时，α取0；β为外部环境温度差与最大温度差对应的比例参数，f为pic控制系统采样时当前外部环境温度与设定的目标温度的温度差，当外部环境温度变化范围在-20℃以下和60℃以上时β取1，当外部环境温度与目标温度相同时，β取0；

14、9)确定半导体制冷和制热能力；半导体在制冷的同时会产生积热，为减小积热对半导体制冷功率的影响，通过冷水机带动循环液带走积热；

15、10)根据输出函数与半导体制冷和制热能力，调整半导体制冷或制热功率；当输出μ(t)>0时，为半导体制热模式，控制系统根据μ(t)调节半导体电压大小及方向以控制半导体发热功率；当输出μ(t)<0时，为半导体制冷模式，控制系统根据μ(t)调节半导体电压方向以及大小以控制制冷功率，同时冷水机启动，提供冷却水以保证半导体制冷的正常进行。

16、本发明的有益效果：本发明公开了一种旋翼系统地面测试用调制解调器的分体式温控系统及方法。

17、本发明的分体式温控系统包括如下有益效果：

18、1、该装置综合两种温度控制技术来确保恒温功能的实现，其一采用玻璃纤维作为隔热材料，隔绝恒温箱内外环境的热交换，减小箱内的温度波动；其二采用半导体制冷/制热的方式来维持箱内温度的恒定，半导体制冷器件能稳定在高温或低温环境服役环境下箱内的温度平衡，在两种措施的综合作用下，有效提高了恒温箱的适用温度范围。

19、2、该装置的半导体制冷器件安装位置为恒温箱内腔外的填充物中，半导体紧贴恒温箱内腔壁，不侵占恒温箱内腔空间，不会造成局部温度过高或过低的现象。

20、3、该装置恒温箱内部采用不锈钢作为腔壁，有利于半导体制冷器件吸收恒温箱腔内环境的热量，也可以传导半导体制冷器件的热量至腔内。

21、4、该装置恒温箱箱体上留有线缆孔，可以为箱体内的设备的线缆连接留出空间，有利于内部设备的使用与应用的扩展，能连接更多的信号线，提高使用效率。该装置采用光纤光栅传感器和解调仪，可以同时监测保温箱外多个温度信号并输出，同时可以叠加其他传感器进行测量。

22、5、该装置采用采用冷却油液循环降温的方式，降低了半导体制冷时发热端的温度，提高了半导体制冷的效率，保障恒温箱在高温环境下的持续正常工作。

23、该装置采用分体式箱体，通过过冷油液为半导体制冷器件降温，减小了半导体制冷时发热带来的影响，提高了半导体的制冷效率，也提高了恒温箱的工作温度范围。该装置采用分体式箱体，半导体制冷控制箱位于常温环境中，无需进行耐高低温设计，结构简单。该装置增加了夹持装置，固定解调仪，防止在工作过程中解调仪的移动，隔绝解调仪与保温箱内壁的接触，保证解调仪表面的温度均衡，防止局部温度过高或过低。

24、6、该装置采取底部和箱盖上下的固定夹具来固定解调仪的方式，一方面防止了解调仪在工作过程中发生位移；另一方面，固定夹具与解调仪接触部分设有隔热垫，使得解调仪不与保温箱内壁接触，防止解调仪表面整体温度的均衡，不会产生局部温度过高或过低的情况。

25、7、该装置使用光纤光栅传感器及光纤光栅解调仪作为温度信号的主要来源，光纤光栅传感器布置在保温箱的外部服役环境中，准确监测保温箱内外的温度变化。

26、8、本发明的旋翼系统地面测试用调制解调器的分体式温控系统的温度控制方法包括如下技术优点：

27、本发明温度控制方法根据恒温箱内外两种温度传感器，分别进行计算平衡内外环境波动所需的制热/制冷功率，叠加两种输出，可以综合内部自身和外部环境的影响输出，减小了温度调节的反应时间和内部环境温度波动。该装置兼顾到外部冷热环境和内部热源对恒温箱内部温度环境的影响，将内外两种传感器的检测结果作为独立输入，分别得到两个输出函数，在综合两个输出函数得到总体的制冷制热输出，一方面可以平衡因恒温箱内部设备发热导致的内部温度上升，另一方可以平衡外部温度环境对恒温箱内部温度环境的影响。当外部环境剧烈波动，设备内部温度开始变化时，控制系统增大制热/制冷功率，提前平衡外部环境的影响，可以有效减小内部温度波动。

28、其中恒温箱内温度波动受到三方面的影响，首先是解调仪工作时产生的自热，该热量会在箱内聚集导致温度上升；其次是外部高温或低温通过恒温箱壁将热量或冷量传导至内部，导致温度波动；最后是箱壁中的半导体的制冷或制热影响内部温度。本发明克服了传统温度控制方法采用单一输入，单一输出的控制方法所存在的一定的调节延迟和温度剧烈波动的缺陷。本发明温度控制方法分别计算内外环境变化对内部温度影响，首先对于解调仪自发热对内部温的影响，采用比例、积分和微分的方法计算平衡设备自热所需制冷功率；然后对于外部环境的影响，根据每个传感器所在位置的传热系数，采用比例、积分和微分计算，得到平衡外部环境影响所需的制冷或制热功率，外部环境的影响在恒温箱壁中就被抵消，不会传导至内部，也就不会造成内部温度环境的波动；将内外两个的制冷或制热量相加并由一套系统执行，减小了能量的损耗。因此，该控制方法通过一套制冷制热系统平衡了恒温箱内部热源、多个外部热源或冷源的影响；在恒温箱表面温度发生变化时，而内部温度未变化时，温度控制系统即介入调节，具有调节反应快，且温度波动小的特点。