一种便携式相对重力仪的恒温系统的制作方法

1.本发明属于恒温结构技术领域，涉及重力仪的恒温技术，特别涉及一种便携式相对重力仪的恒温系统。


背景技术：

2.便携式相对重力仪是一种高精度重力测量的精密仪器，由金属零长弹簧或石英零长弹簧、高精度传感器以及力发生器等核心部件组成，一般要求重力测量精度优于。但由于零长弹簧重力敏感器存在不可消除的温度属性，其温度效应严重影响重力测量精度。自研的零长弹簧重力敏感器要求其工作核心区域温度稳定性优于0.001℃才能满足重力测量精度优于。故需要针对重力仪可移动、便携式的特性，设计一种轻量化高精度的恒温系统，满足在-25℃~ 40℃外界环境变温下，实现恒温系统低功耗、高稳定性的工作要求。
3.为解决这一问题，需要设计一种轻量化高稳定性的相对重力仪恒温系统，满足便携式重力仪低功耗、重量轻和高稳定性的要求。


技术实现要素：

4.本发明的目的是在于克服现有技术的不足之处，提供一种低功耗、可实现较好的恒温效果的便携式相对重力仪系统。
5.本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：一种便携式相对重力仪的恒温系统，其特征在于：包括第一路恒温结构、第二路恒温结构、第三路恒温结构、轻型减振器和重力仪外框架；所述第一路恒温结构包括重力敏感器外壳、第一路加热膜带、第一路热敏电阻、第一路气凝胶隔热层；重力敏感器外壳为密封空心圆柱筒结构，由圆柱筒体和上下密封盖构成；第一路加热膜带均匀紧粘贴于重力敏感器外壳外围，第一路气凝胶隔热层紧包裹于第一路加热膜带的外围，第一路热敏电阻有两个，一个第一路热敏电阻悬固于重力敏感器外壳内腔的中心部位，另一个第一路热敏电阻紧贴于重力敏感器外壳的内壁上；所述第三路恒温结构包括第三路加热膜带、第三路热敏电阻、第三路气凝胶隔热层；第三路加热膜带均匀紧贴于上密封盖上方的电路板安装壳的外围，第三路气凝胶隔热层紧包裹于第三路加热膜带的外围；第三路热敏电阻紧贴于电路板安装壳的内壁上；所述第二路恒温结构包括铝屏蔽圆柱薄筒、第二路加热膜带、第二路热敏电阻、第二路气凝胶隔热层；第二路恒温结构整体包裹于第一路恒温结构和第三路恒温结构的外围，所述铝屏蔽圆柱薄筒紧贴于第一路气凝胶保温层和第三路气凝胶保温层的外围，第二路加热膜带紧贴于铝屏蔽圆柱薄筒的外围，第二路气凝胶隔热层紧包裹于第二路加热膜带外围，第二路热敏电阻紧贴于第二路气凝胶保温层内壁上；所述第一路加热膜带、第二路加热膜带和第三路加热膜带分别连接于第一路恒温控制电路、第二路恒温控制电路和第三路恒温控制电路中；
所述第一路恒温结构、第二路恒温结构、第三路恒温结构设置于重力仪外框架内部，所述重力敏感器外壳的上下端及外侧四周均与重力仪外框架通过轻型减振器连接。
6.进一步的：所述第一路恒温控制电路采用惠斯通桥路实现温度-电压值的测量，经过精密运算放大器构成的缓冲电路后，输入至24位高精度a/d转换器进行采样，再将采样数据输送至arm处理器处理及控制算法运算，arm处理器根据控制律输出的pwm波经光耦隔离和半桥驱动器控制第一路加热膜带加热。
7.进一步的：所述第二路恒温控制电路和第三路恒温控制电路采用相同的控制电路，采用惠斯通桥路实现温度-电压值的测量，将桥路采集到的温度-电压值经精密仪表放大器输入tm4c123处理器自带的12a/d转换进行数据采样处理，再将采样数据输送至arm处理器处理及控制算法运算，arm处理器根据控制律输出的pwm波经光耦隔离和半桥驱动器控制对应加热膜带加热进一步的：每组轻型减振装置由钢性支柱与轻型减振器连接构成，钢性支柱采用低导热率材料制成，钢性支柱内端与重力敏感器外壳固定连接，钢性支柱外端与轻型减振器的一端连接，轻型减振器的另一端与重力仪外框架连接。
8.进一步的：在第一路气凝胶隔热层的内外壁上、在第二路气凝胶隔热层的内外壁上及在第三路气凝胶隔热层的内外壁上均涂有反辐射隔热涂料。
9.本发明具有的优点和积极效果：1、本发明通过第一路恒温结构，起到了减少热量散失和抑制外界温度变化对重力敏感器外壳内部恒温环境影响，通过第二路恒温结构，起到了抵御外界环境大变温干扰的作用，通过第三路恒温结构，起到了对电路板的恒温保护作用，三路恒温结构的内外包裹式组合模式，达到良好的恒温控制效果，进而保证了重力测量精度。
10.2、本发明将重力敏感器外壳设计成直径和高度相等的圆柱筒状，利于均匀加热和保温，重力敏感器采用抽真空处理，热流动较小，利于建立较为稳定的恒温温度场。
11.3、本发明采用轻质、导热系数极低的气凝胶材料作为保温材料，并适当涂上反辐射隔热涂料，达到非常理想的隔热效果，有效降低了温控功耗和减轻恒温系统重量。
12.4、本发明采用轻型减振装置重力敏感器与重力仪外框架隔离，保证重力敏感器在移动或运输的过程中处于稳态，使重力敏感器恒温状态不受重力仪晃动影响。
附图说明
13.图1是本发明恒温系统的结构简图；图2是本发明第一路恒温控制电路图；图3是本发明第二路、第三路恒温控制电路图；图4是本发明常温下恒温稳定性效果；图5是本发明高低温变化下恒温稳定性效果；图6是本发明温箱对应的高低温实时温度值曲线图。
具体实施方式
14.以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。
15.一种便携式相对重力仪的恒温系统，请参见图1-6，主要由第一路恒温结构、第二路恒温结构、第三路恒温结构、多组轻型减振装置10和重力仪外框架1等构成。
16.第一路恒温结构：第一路恒温结构包括重力敏感器外壳8、第一路加热膜带11、第一路热敏电阻（采用高灵敏性44008热敏电阻）、第一路气凝胶隔热层6。重力敏感器外壳为密封空心圆柱筒结构，由圆柱筒体和上下密封盖构成。优选，圆柱筒体的内直径与内高度相等（即），圆柱筒体的外直径与外高度相等（即）。
17.零长弹簧重力敏感器9处于空心圆柱形重力敏感器外壳内的中心位置，第一路加热膜带均匀紧贴于圆柱筒体外壁和上下密封盖外，圆柱筒体利于第一路加热膜带均匀布局和均匀加热，对圆柱筒体重力敏感器壳体内抽真空处理，可极大减少其内部热流动，保证温度场处于理想的稳定状态。在圆柱形重力敏感器壳体外围位于加热膜带的外侧采用第一路气凝胶隔热层进行严密包裹，在第一路气凝胶隔热层的内外壁上涂上rlhy-a05反辐射隔热涂料（本发明设计均采用此型号反辐射隔热涂料，反射率可到90％以上，且厚度很薄），减少热量散失和抑制外界温度变化对内部恒温环境影响。一个热敏电阻15（属于第一路热敏电阻）悬固于重力敏感器空心位置，另一个热敏电阻14（属于第一路热敏电阻）紧贴于圆柱筒内壁上，分别用于检测核心区域温度和圆柱壁温度变化，将此两处温度信息输送至arm处理器，经pid-smith运算进行恒温控制。
18.上述重力敏感器外壳的上下密封盖外直径和圆柱高度均为10cm，第一路加热膜带设计为紧紧裹贴在圆柱筒表面上，故其尺寸设计成与空心圆柱筒表面积大小相等，即s1=s
1表
=471cm2，其加热阻值为380ω。第一路保温气凝胶层同样设计为圆柱筒状（本文所采用的气凝胶保温材料均为定制型，在-50℃~100℃条件下，其导热系数保持在0.013~0.018w/(m
·
k)，可达到较好的保温隔热效果），紧紧包裹着第一路恒温结构及其加热膜带，其上下面内半径为5cm，外半径为6cm，厚度1cm，圆柱外高度为12cm。
19.上述重力敏感器外壳与重力仪外框架通过多组轻型减振装置连接，每组轻型减振装置由钢性支柱与轻型减振器构成。在重力仪外框架的上下面各设计安装四个轻型减振器，重力仪外框架的四侧各设计安装一个轻型减振器，重力敏感器外壳通过低导热率轻型钢性支柱与各个轻型减震器连接，保证重力敏感器在移动或运输过程中处于隔振状态，避免大晃动造成重力敏感器内部温度场变化。
20.第二路恒温结构：主要包括铝屏蔽圆柱薄筒7、第二路加热膜带12、第二路热敏电阻13（采用高灵敏性44008热敏电阻）、第二路气凝胶隔热层5。设计第二路恒温结构包裹着第一路和第三路恒温结构，铝屏蔽圆柱薄筒紧贴于第一路气凝胶保温层和第三路气凝胶保温层的外围，第二路加热膜带紧贴于铝屏蔽圆柱薄筒外围，在第二路加热膜带外围采用第二路气凝胶隔热层严密包裹着，且保温材料厚度比第一路保温材料厚，且在第二路气凝胶隔热层的内外壁上涂上反辐射隔热涂料，用于减少热量损失和抵御外界环境大变温干扰。第二路热敏电阻紧贴于第二路气凝胶保温圆柱内壁上，用于快速检测外界环境温度变化对恒温系统的干扰，并由第二路恒温控制电路进行抗干扰动作。
21.上述铝屏蔽圆柱薄筒为薄空心圆柱筒状（既用于信号屏蔽干扰，也用于粘贴第二
路加热膜带），上下面的外直径均为12.4cm，圆柱高度为18cm，第二路加热膜带设计为紧紧裹贴在该圆柱筒表面上，故其尺寸设计成与空心圆柱筒表面积大小相等，即s3=s
3表
=300.08cm2，其加热阻值为36ω。第二路保温气凝胶设计为圆柱筒状，紧紧包裹着第二路恒温结构及其加热膜带，其上下面内半径为6.2cm，外半径为8.2cm，厚度2cm，圆柱外高度为22cm。
22.第三路恒温结构：第三路恒温结构包括第三路加热膜带3、第三路热敏电阻16（采用高灵敏性44008热敏电阻）、第三路气凝胶隔热层4。第三路恒温结构用于对电路板进行恒温保护（重力仪系统关键电路板，具有精密电子元器件，需要在恒温环境下工作）。电路板安装在固定于所述上密封盖上端的电路板安装壳2内，电路板安装壳为下端设置有内翻边的圆柱筒结构，内翻边部分与上密封盖固定连接，第三路加热膜带均匀紧贴于电路板安装壳的外围，第三路加热膜带的外围通过第三路气凝胶隔热层进行严密包裹，在第三路气凝胶隔热层的内外壁上涂上反辐射隔热涂料，用于抑制第三路恒温结构内部热量的散失和外界热量的侵入，与第一路和第二路恒温结构保持较为独立密封的状态。第三路热敏电阻紧贴于上密封盖的安装腔的内壁上，用于检测温度变化，并由第三路恒温控制电路进行控制。
23.上述电路板安装壳的上下面的外直径均为10cm，圆柱高度为5cm，第三路加热膜带设计为紧紧裹贴在该安装壳表面上，故其尺寸设计成与安装壳表面积大小相等，即s2=s
2表
=157cm2，其加热阻值为320ω。第三路的保温气凝胶设计为无底面圆柱筒状，底面与第一路保温气凝胶共用，紧紧包裹着第三路路恒温结构及其加热膜带，其顶面内半径为5cm，外半径为6cm，厚度1cm，圆柱外高度为6cm。
24.上述三路恒温结构的控制电路如下：第一路恒温结构的恒温控制电路图见2，一级测温及恒温控制精度要求较高，采用惠斯通桥路实现温度-电压值的精准测量，经过精密运算放大器构成的缓冲电路后，输入至24位高精度a/d转换器进行采样，再将采样数据输送至arm处理器处理及控制算法（本发明设计的第一路恒温控制采用分段式数字pid-smith组合算法，第二路和第三路采用分段式数字pid控制算法）运算，arm处理器根据控制律输出的pwm波经光耦隔离和半桥驱动器控制加热膜带加热。44008型热敏电阻是一种有源元件，其工作电流在之间才可直接忽略自身热耗对测量精度的影响。根据重力仪实际测控温需求，设计时，流经44008热敏电阻的电流保持在之间，满足理想工作要求。本设计采用高精度3.3v电压同时给予惠斯通桥路和24位a/d转换器的参考电压提供电压基准，形成比率式测温电路，实现高精度测量转换。设高精度桥路电阻r1、r2、r3和热敏电阻r
t
的误差值分别为、、、，经计算变换可得到关于转换数字量d的数学关系如下所示：
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（1）由式（1）知，a/d转换数字量只与惠斯通桥路中的各个电阻有关，与基准电压无关，可降低对基准电压的高精度需求，并可实现高精度测温，为高稳定性恒温控制系统奠定高精度测温基础。
25.第二路、第三路温结构的恒温控制电路图见3，第二路和第三路测量电路同样采用
惠斯通桥路测量温度变化，由于第二路和第三路的测控温精度达到百分之一即可，故将桥路采集到的温度-电压值经精密仪表放大器输入tm4c123处理器自带的12a/d转换进行数据采样处理，仪表运算放大器的放大倍数不小于100倍，驱动部分同第一路控制电路一样。本设计采用高精度3.3v电压同时给予惠斯通桥路、仪表运算放大器和arm处理器自带a/d转换器的参考电压提供电压基准，形成比率式测温电路，实现高精度测量转换。当仪表运算放大器的参考电压端电压1.65v（即电压基准3.3v的一半），arm处理器自带的a/d转换器参考电压为3.3v电压基准直接提供。根据第一路测温数字量转换原理，可得到的转换数字量d的数学关系如下：
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（2）由式（2）同样可知，a/d转换数字量只与惠斯通桥路中的各个电阻有关，与基准电压无关，可降低对基准电压的高精度需求，并可实现高精度测温，为高稳定性恒温控制系统奠定高精度测温基础。
26.根据以上高精度测温电路，arm处理器采集到精准的温度-电压数字量数据进行滤波和pid-smith（或pid）算法处理，由arm处理器根据算法得到的pwm控制脉宽量经光耦隔离和半桥驱动器，实时改变流经加热膜带的电流，达到控制效果。
27.本便携式相对重力仪的恒温系统的试验测试结果：经理论计算和实际测试验证，整个重力仪恒温控制系统满功率加热状态下功率大约为19.316w；在外界常温状态下，功率大约为4.36w；外界-25℃低温状态下，功率大约为10.817w。
28.在常温条件下，如图4所示，经将近50h的温控测试考核，其噪声整体保持在0.0005℃左右，长期稳定性也保持在0.0005℃的良好状态。
29.在-25℃~ 40℃的外界变温条件下，本发明的恒温系统的核心区域工作温度始终保持在0.001℃的变化范围内，达到了较好的恒温稳定性效果。如图5和6所示。
30.从以上测试结果来看，本文发明的恒温系统达到了低功耗、高稳定的恒温效果。
31.综上，本发明提出的一种便携式相对重力仪的恒温系统，其恒温效果较好，仅需要较小的功耗即可实现在-25℃~ 40℃温度变化下保持较好的恒温效果，同时重量轻、抗干扰能力强，满足相对重力仪在野外作业环境下对恒温系统的要求。
32.尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。