热敏电阻在航天器上的应用分析_张加迅

中国空间科学技术CHINESE SPACE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2004年12月第6期

热敏电阻在航天器上的应用分析

张加迅*王虹**孙家林*

(*中国空间技术研究院,北京100086)

(**山东航天电子技术研究所,烟台264000)

摘要文章首先阐述了航天器对于测温传感器的需求,并对目前航天器在地面试验和飞行试验中,所采用的主要测温传感器的特点进行了概述。然后,以目前航天器在轨运行中应

用最为广泛的热敏电阻为研究对象,介绍了它在航天器中的应用方案,以及为保证其测温精

度、工艺可实施性和可靠性所应注意的问题。

主题词热敏电阻器温度测量热控制航天器

1引言

由于航天器在空间运行时要向深冷空间辐射热量,并且受到各种复杂外热流的影响(例如对于环地航天器,存在太阳辐射、地球红外、地球反照等外热流)。因此,航天器在设计时,必须要进行合理的热控制设计,使航天器中的各种仪器设备在合适的温度水平下工作。航天器在轨运行的温度情况通过温度传感器进行反映,航天器相关分系统采集温度传感器的信号,然后传输到地面测控网站或星上热控制处理单元,由地面测试人员或相关功能系统对其进行状态判断,最终通过地面指令或星上自主控制实施对星上仪器设备的热控。因此,温度传感器所反映的温度水平的准确程度,将对仪器设备的热控制起着至关重要的作用[1,2]。

另外,随着航天器的发展,各种精密仪器设备对热控的要求更为严格,由于这些仪器设备功能复杂,在保证其主要功能的前提下,通过其本身的热控设计来达到其内部精密器件的温度要求有很大难度,因此,它们常常会对航天器热环境提出较为严格的要求,而这些要求有的甚至会对整个航天器的总体方案具有决定性的影响。例如,有的光学成像仪器要求热控的温度控制水平优于011e,局部测量精度达到0105e的水平,因此,需要测温传感器的精度必须优于这些仪器设备的要求。

目前国际上在航天器研制中所用的温度传感器主要有热电偶和热敏电阻两种。热电偶稳定性好、反应灵敏、价格便宜、工艺实施方便,因此在航天器的研制过程中,主要是在地面试验中得到大量采用。但由于热电偶需要进行冷端补偿,其测温精度受冷端校准精度的影响较大,当航天器在轨运行时,冷端补偿方式较难实现;而且热电偶因温度变化所产生的电信号反应较为微弱,易受干扰,克服该问题所需的星上电路复杂,存在较大偏差;此外,热电偶的测温偶丝容易受损折断,其可靠性较热敏电阻低,因此热电偶很少在航天器的在轨运行中采用。与热电偶相比,热敏电阻精度高、可靠性高,但价格昂贵,对温度的反应具有一定的滞后。由于在航天器的应用中,保证测量精度和高可靠性最为重要;另外,在轨温度的监测主要侧重于稳态温度水平。因此,从这个角度来说,热敏电阻具有一定的优势,目前国内外航天器上用于飞行试验的温度传感器主要采用热敏电阻[1,2]。

收稿日期:2003-11-12。收修改稿日期:2003-12-29

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2 热敏电阻在航天器上应用的工作原理

图1 热敏电阻的构成示意图

如图1所示,航天器上应用的热敏电阻一般由热敏感温珠、保护

胶珠、导线等部分构成。由于其研制工艺成熟、稳定性好、实施工艺

较为简单,因此其可靠性较高,在热控分系统的可靠性设计中,通常,

取其可靠度为110。热敏电阻稳态测量下的精度$T t 受校准($T j )、

安装方式($T a )、热敏电阻自热($T z )、信号处理与传输方式($T y )等

方面的影响,有以下关系

图2 热敏电阻在航天器上的应用原理图$T t =f ($T j ,$T a ,$T z ,$T y )

图2为热敏电阻在航天器上的典型应用原

理图。热敏电阻利用胶粘剂以表面粘贴方式固

定在被测物体的表面。当热敏电阻用于仪器设

备的温度测量时,热敏测温采集电路将采集信息

传到航天器中的星务管理系统,然后由其传输到

地面测控系统,供地面人员判读;当热敏电阻用

于仪器设备的温度控制时,热控仪或星务分系统

对采集的温度信号与控温值进行判别,然后将控

制信号反馈到控温回路,通过控温回路的开启实

现控温。3 热敏电阻的校准

热敏电阻在航天器上应用之前,需要对其进行校准,确定其温度与阻值之间的对应关系,一般所采用的方法是,选取一系列温度,通过高精度计量,确定热敏电阻在这些温度下的标准阻值(标定值),其任意温度下的阻值通过标定值进行插值或拟合公式得出。在应用热敏电阻进行温度测量时,首先测得该热敏电阻在被测温度条件下的阻值,然后由它的标定值进行插值,或者由标定而得到的温度)))阻值拟合公式,通过反推得到被测温度值。定义评价插值或拟合准确程度的指标为截断精度,显然,热敏电阻的校准精度$T j 与标定精度$T b 和截断精度$T j 有关。

标定精度的提高通过改善各种计量条件来实现,例如计量仪器、计量方法等[3]。而截断精度的提高则需要根据应用背景和标定数据的分布特点,通过合适的数值分析方法(插值或拟合)加以实现。可以证明,当标定精度一定时,采用插值的方法,校准精度$T j 与标定精度$T b 和截断精度$T j 之间呈现线性关系,标定的间隔$T 越小,截断精度$T j 越高。当温度与阻值之间变化规律不明确、温度标定间隔较小时,待定温度与其相临的标定温度之间关联性较强,此时采用插值方法,例如采用不超过三次的Lag range 分段低次插值时,较之于拟合逼近的方法具有优势,可使截断精度大大提高[3~5]。

当温度与阻值之间变化规律已知、温度标定间隔较大时,可以采用逼近拟合的方法。较之于采用插值方法,采用逼近拟合可以大大减少校准的工作量,由其得出的公式,可以方便地进行编程处理,利于航天器星务管理的软件设计。此外,在航天器热控分系统中,多数应用的热敏电阻用于一般的温度监测,对精度要求不高,因此,采用逼近拟合方法对热敏电阻进行校准,在航天器研制中应用最为广泛,完全可以满足使用要求。但是,当应用场合对测温精度要求较高时,或者应用场合对若干个局部温度范围内精度要求较高55

2004年12月 中国空间科学技术