低温与超导 低温技术 Ｃｒｙｏ．＆Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ 第３８卷第８期 Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ Ｖ０１．３８ Ｎｏ．８ 斯特林制冷机测试系统设计 杨玉玲，胥春茜 （中国电子科技集团公司第１６研究所，合肥２３００４３） 摘要：介绍了一种斯特林制冷机测试系统的设计。该测试系统可检测制冷机系统各参数，包括斯特林制冷机 驱动控制器输入电压、电流，制冷机冷头温度、输出电压、电流、频率等，对制冷机系统的工作状态进行分析和判断， 并将所测试的结果以数字和图表方式实时显示。当制冷机系统出现故障时及时判断并显示故障类别，同时可以通 过触摸显示屏设置制冷机系统各工作参数。 关键词：数字采样；Ａ／Ｄ转换；数字滤波；测流芯片；电平转换 Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｓｔｉｒｌｉｎｇ ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ Ｙａｎｇ Ｙｕｌｉｎｇ，Ｘｕ Ｃｈｕｎｑｉａｎ （Ｔｈｅ １６ｔｈ Ｉｎｓｉｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＥＴＣ，Ｈｅｏｆｉ ２３００４３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｓｔｉｆｌｉｎｇ ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｔｅｓｔ ｍａｎｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｓｔｉｒｌｉｎｇ ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｉｎｐｕｔｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｄｒｉｖｅｎ Ｓｏｕｒｃｅｓ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｃｏｌｄ ｅｎｄ，ｏｕｔｐｕｔｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ， ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｄｒｉｖｅｎ Ｓｏｕｒｃｅ，ｅｔｃ．Ｉｔ ｃａｎ ａｎａｌｙｓｅ ａｎｄ ｊｕｄｇｅ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｓｔｉｒｌｉｎｇ ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ ａｎｄ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｕｈ ｗｉｔｈ ｉｆｇｕｒｅ ａｎｄ ｃｈａｒｔ ｔｏｏ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｓｔｉｒｌｉｎｇ ｃｒｙｏｅｏｏｌｅｒ ｈａｐｐｅｎ ｔｒｏｕｂｌｅ，ｉｔ ｃａｎ ｊｕｄｇｅ ａｎｄ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｔｒｏｕｂｌｅ ｉｎ ｔｉｍｅ．Ｉｔ ｍａｙ ｓｅｔｕｐ ｍａｎｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｓｔｉｌｆｉｎｇ ｃｒｙｏｅｏｏｌｅｒ ｂｙ ｆｅｅｌ ａｎｄ ｓｈｏｗｉｎｇ ｓｃｒｅｅｎ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓａｍｐｌｉｎｇ ｏｆ ｉｆｇｕｒｅ，Ａ／Ｄ ｓｗｉｔｃｈ，Ｆｉｌｔｅｒ ｏｆ ｉｆｇｕｒｅ，Ｃｈｉｐ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｅｌｅｃｔｉｒｃ ｃｕｒｒｅｎｔ，Ｅｌｅｃｔｉｒｃ ｌｅｖｅｌ ｓｗｉｔｃｈ １ 引言 由此及时快速地检测制冷器性能，预先分析 制冷器的失效原因，消除隐患，确保制冷器的可靠 随着光电技术的发展，红外探测器件在军事 工作就显得迫在眉睫。所以我们设计了斯特林制 侦察、热像、预警、遥感和气象方面的应用愈来愈 冷机驱动控制器测试系统以提升检测手段，预知 广泛，斯特林制冷机主要为红外探测器件工作提 制冷机系统工作状态，确保系统正常工作。 供冷源，以保证探测器的灵敏度。驱动控制器是 制冷机系统的神经中枢，它不仅为制冷机提供驱 ２ 系统组成部分及其工作原理 动能力，同时在制冷机冷头温度达到红外探测器 件工作所需温度时（如７７Ｋ），调节制冷机输入功 本测试系统共由电源供电单元、前端数据采 率使冷头温度能稳定在温控点上。 集单元、处理单元、输人输出口设计四大部分 Ｆｉｇ．１ Ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ 收稿日期：２０１０—０５—１３ 作者简介：杨玉玲（１９７７一），女，工程师，主要从事斯特林制冷机驱动控制源设计。 ・２２・ 低温技术 Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ 第８期 组成。各部分模块结构见图１。 ２．１ 电源供电单元 头温度。为了保证测量的准确性，必须要保证 １ｍＡ恒流的精度和稳定性，这里选用ＮＳ公司的 精密稳压管ＬＭ１３６，并利用集成运放的虚短和虚 本系统供电是由ＡＣ—ＤＣ模块电源提供＋ １２Ｖ和＋２７Ｖ两组直流电，其中＋１２Ｖ为处 理电路供电，＋２７Ｖ为驱动控制器供电。同时为 断的原理实现恒流。图中集成运放ＩＣＯＡ、精密稳 压源Ｚ０，Ｒ０，Ｒ１，Ｒ２，ＣＯ，Ｃ５组成恒流源电路。 ， ＂ 了减小测试仪受外部干扰，在ＡＣ—ＤＣ模块电源 的前端加装ＥＭＣ滤波器，使系统工作更稳定。 ｚｏ＝ｌｍＡ （１） ２．２前端数据采集单元 数据采集单元主要完成对制冷机各工作参数 ＩＣＯＢ在此起到放大调整作用，使温度信号转 的采样，包括制冷机输入电流、输入电压、冷头温 为０～５Ｖ标准采样信号＿ｌ Ｊ。 度以及驱动控制器的输入电压、电流值。 ２．２．２驱动控制器输入电流测量 ２．２．１制冷机冷头温度测量 驱动控制器输入电流的测量使用高端测流芯 制冷机冷头温度测量与信号调理电路见图 片ＭＡＸ４７２，电路如图３所示，Ｒｓｅｎｓｅ为测流电 ２，此电路主要是为测温二极管提供１ｍＡ恒流，将 阻，由公式１可知，输人电流的变化将转变为输出 检测到的温度值转换成０—５Ｖ的采样信号送人 电压的变化…： ＣＰＵ（处理器）。测温使用的硅二极管温度计 Ｖｏｏｔ－ 通过１ｍＡ恒流时，二极管两端电压即为制冷机冷 ，ｉｎ （２） ＝＝＿．：＝ ＝ 图２温度采集及信号调理 Ｆｉｇ．２ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ 图３ 电流检测电路 Ｆｉｇ．３ Ｉｎｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｅｓｔ ２．２．３驱动控制器输入电压测量 动控制器输入电压的电路图１…。 流电 流电压分压得到会 ～０ ５ 范围的电通 啬Ｖ 压值，图４三 是驱． …Ⅲ 十Ｒ１而９一Ⅲ ＶＣ（３） 第８期 低温技术 Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ ・２３・ 算术平均值对周期性干扰有较好的抑制作 用，但对脉冲性干扰作用不大，在这里我们还采用 了防脉冲干扰平均值法。由于温控变化是个连续 ２ 的过程，不可能出现突变的现象，因此将采样的数 据与上次数据的平均值比较后移人数据表中，并 对连续采样的ｎ个数据进行排序，去掉其中最大 图４电压采样电路 和最小的两个数据，将剩余值求平均。程序流程 Ｆｉｇ．４ Ｉｎｐｕｔｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ 图如图５所示。 ２．３处理单元 处理单元主要对前端采样的数据进行滤 波、存储等并且对制冷机发生故障进行判断。 ｝采样４组数据、Ａ／Ｄ转换ｌ ２．３．１ ＣＰＵ处理电路 检测系统的处理电路主要采用集成度 高、功能强大的集成板，根据所测的数据量及时实 现各个功能的储存、显示等，选择ＡＴＭＡＬ公司的 ＜ 上 蓓之 ＞—垒Ｌ— 放弃本次采样值 ＡＲＭ９系列的ＡＲＭＳＹＳ２４４０一Ｂ作为控制芯片， ｉ 该芯片为混合信号系统级单片机。它的内存可达 左穆数据表，本次采样值移入 左移数据袭，上次采样均值移入 ６４ＫＦ１ａｓｈＲＡＭ，运行速度可达２００ＭＩＰＳ，含有１２ Ｉ 位和８位ＡＤＣ的子系统各１个，２路的１２位 陋据表捧序，去掉最大值和最小值Ｉ ＤＡＣ可方便前端信号调理的调零。同时它还集 山 成了看门狗、电压比较器、ＳＭＢｕｓ／Ｉ２Ｃ等功能。由 Ｉ数据表求平均Ｉ 于它内部有多达２Ｋ的寄存器字节，非常适合Ｃ语 图５数字滤波程序流程图 言的编程。软件上主要使用Ｃ＋＋编程，充分利用 Ｆｉｇ．５ Ｄｉｇｉｔａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ 已有的函数库，同时在编程上使用模块化结构。 ２．４输入输出设计 ２．３．２数字滤波 输入输出单元主要完成数据的通讯，显示以 数字滤波主要完成对采样的电压、电流信号 及参数设置。 进行滤波，混有干扰的测量值用来作为控制信号 ２．４．１通讯 作比较，会引起系统误动作，使得控制不稳，同时 主要指检测系统与驱动控制器间的通讯，包 也不能正确反映制冷机的性能指标。对此我们采 括将通过触摸屏设置的参数传人驱动控制器同时 用数字滤波法滤除干扰信号。 把驱动控制器采样的参数以及其它信息输入检测 数字滤波有许多方法，这里我们主要采用数 系统。采用串行异步通信方式实现本系统的信号 字平均值算法和移动平均值算法相结合实现。算 通信。本系统的控制芯片的引脚信号符合ＲＳ一 数平均值法是在相同条件下进行多次重复测量， ２３２标准，而驱动控制器的控制芯片信号是１ＴｒＬ 然后求各次测量在同一时刻的算术平均值，将干 电平，实现它们之间的通讯需要电平转换，这里我 扰影响程度平摊到每个测量值中，使其平均值受 们采用专用的电平转换芯片ＳＰ３２２３Ｅ＿３］。 干扰影响的程度降到原来的１／ｎ。因此，采样数 ２．４．２显示 据个数 决定了这种方法的抗干扰程度， 越大， 测试仪选用６４０×４８０点阵的ＳＮＴ液晶显示 抗干扰效果越好；但当 太大时，系统的灵敏度降 屏，它带有触摸功能，它可以用触摸屏代替传统的 低，调节过程变慢，如果ｎ取值较大，可以提高信 按键输入，其优点是可靠性高、简化结构、美观方 噪比，但由于采样过程和信号处理过程耗时较长， 便。整个操作将设计为菜单方式，即使不熟悉仪 对采样温度的变化来不及作出反应，故在此选用 器的人，根据菜单的提示也能轻松操作。作为数 ｎ＝４ Ｅ 据输出显示，其特点是显示信息量大，可显示各个 ・２４・ 低温技术 Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ 第８期 测量参数图表、Ｐ—ｔ曲线、Ｔ—ｔ曲线，中文等，让 人一目了然。同时背光采用ＣＣＦＬ方式，亮度可 达１５０ｃｄ／ｃｍ 。 表１是手工测得的结果。 单机检测 ２００９＿ｏ７—１４ ０８；４１ ２０＂１２ ３ 与传统测试方法比较及试验结果 以前对斯特林制冷机控制器的检测都是用手 工方法即手工将线接到各测试仪器仪表，人工在 币 强矗臼 Ｈ日Ｊ田凳 Ｌ ０６２ ３’ Ｊ… ／。 １２． Ｏ１６０Ｏ 记录本上记录各个参数，一大堆仪器仪表简单分 散放置，工作效率极低，误差很大，浪费人力和财 力，所以有必要设计自动测试系统代替手工测试。 本检测系统通过采集电路可在线采集制冷机的驱 动电压、电流、频率，冷头温度以及驱动控制器的 输入电压和电流等参数并送ＣＰＵ经处理后由液晶 显示屏以数字、曲线和表格的形式显示，以便测试 人员及时且直观地判断制冷栅眭能，同时测试人员 还可通过触摸显示屏方便、快捷地在线设置制冷机 驱动功率、驱动频率，温控点等参数。另外本系统 还可判断并显示出测温二极管短路和断路等故障。 图６是斯特林制冷机和本检测系统的接线图。 广—］ 媪度传感器 缩 机 器线 ２７Ｖ茎电 通源线、通 感讯线、传感器线 驱动控制器 萎 图６系统接线 Ｆｉｇ．６ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ 单机 ０ ２００９－０７—１４ ０８：４１ ２０￣Ｃ Ｉ制 呤机功率与时间曲线 ４２ ３． ，，＿’ ＿’ ＬＯａａ ２’ｌＯ 图７制冷机功率与时间曲线 Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｔｉｍｅ 下面是某型号制冷机驱动控制器的检测结 果，图７与图８是使用本测试系统所测得的结果， 图８制冷机冷头温度与时间曲线 Ｆｉｇ．８ Ｔｈｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｃｏｌｄ ｅｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ＶＳ ｔｉｍｅ 表１制冷机性能参数 Ｔａｂ．１ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｃｒｙｏｃｏｏｌｅｒ 测试结果与手工所测得数据相当，完全能够 反映制冷机及其驱动控制器的性能。且以曲线和 表格方式显示，形象直观，便于分析制冷机性能。 另外通过触摸屏设置参数方式代替手工按键设 置，方便快捷，显著提高了工作效率。 ４结论 。 Ｈ ｕ 本系统实现了测试、计算，分析及实时曲线数 字显示等同时进行的任务，相比较于以往需借助 各种仪器仪表且要人工记录的测试手段，显然是 节约了试验成本，提高了劳动效率。尽管如此，也 存在一些缺陷和不足，系统功能还不够全面，不可 同时进行多台驱动控制器测试，以后工作中还需 要不断完善。 参考文献 ［１］童诗白．模拟电子技术基础［Ｍ］．北京：高等教育出 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