帶半導體恆溫控制裝置的慣性測量單元的製作方法
2023-08-06 23:18:51
專利名稱：帶半導體恆溫控制裝置的慣性測量單元的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種慣性測量單元，特別是一種具有半導體恆溫控制裝 置的慣性測量單元，可廣泛用於穩定平臺，姿態航向控制系統，飛行器穩定 控制，汽車穩定控制，天線穩定控制等領域。
背景技術：
目前在各領域所使用的慣性測量單元，工作環境的溫度變化直接引起慣 性測量單元的溫度漂移，直接影響到慣性測量單元的測量精度。
實用新型內容
本實用新型所要解決的技術問題在於針對現有技術的不足，提供一種具 有半導體恆溫控制裝置的慣性測量單元，通過在慣性測量單元中加設半導體
恆溫控制裝置，半導體恆溫控制裝置內部的CPU計算模塊通過溫度傳感器敏
感測量單元的工作溫度，並和內部設定的工作溫度比較，由溫度差別控制功 率器件使製冷、加熱器工作，達到設定有的工作溫度。
為此，本實用新型提供了一種帶半導體恆溫控制裝置的慣性測量單元， 包括慣性測量單元，其中，所述慣性測量單元內設置有用於給所述慣性測量 單元中各元器件進行降溫或升溫的半導體恆溫控制裝置，所述半導體恆溫控 制裝置包括敏感工作溫度的溫度傳感器，所述溫度傳感器的輸出接到對該輸
出進行分析處理並輸出控制信號的CPU計算模塊，所述CPU計算模塊的輸出 經D/A轉換器接至功率驅動模塊，所述功率驅動模塊輸出的+/-12伏驅動電 壓及控制所述驅動電壓大小和方向的信號接至用於製冷或用於加熱的製冷加 熱模塊。
本實用新型通過慣性測量單元內部的溫度傳感器敏感慣性單元內部工作溫度，通過CPU計算模塊來控制製冷加熱模塊對內部工作環境製冷或加熱， 達到設定的工作溫度，使慣性單元內部工作在恆溫的控制溫度下，使慣性測 量單元的輸出不隨環境溫度的變化產生溫度漂移，提高測量的穩定性和高精
度。本實用新型使測量在-40° ~85°的環境溫度範圍內時，慣性測量單元內 部溫度可控制在最佳工作溫度點處於-25° ~25° C溫度範圍內任一點，且控 溫精度誤差為+/-1° C,在此工作溫度下，慣性測量單元輸出溫度漂移最小。 下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。
圖l為本實用新型第一優選實施例的邏輯框圖； 圖2為本實用新型一種溫度傳感器的電路連接圖； 圖3為本實用新型一種CPU計算模塊的電路連接圖； 圖4為本實用新型一種D/A轉換器的電路圖； 圖5為本實用新型一種功率驅動模塊的電路圖。
具體實施方式
圖1為本實用新型第一優選實施例的邏輯框圖。如圖1所示，本實用新 型為一種帶半導體恆溫控制裝置的慣性測量單元，包括慣性測量單元1，所 述慣性測量單元1內設置有用於給所述慣性測量單元1中各元器件進行降溫 或升溫的半導體恆溫控制裝置2，所述半導體恆溫控制裝置2包括敏感工作 溫度的溫度傳感器3，所述溫度傳感器3的電壓輸出接到對該電壓進行分析 處理並輸出控制信號的CPU計算模塊4，所述CPU計算模塊4的輸出經D/A 轉換器5接至功率驅動模塊6,所述功率驅動模塊6輸出的+/-12伏驅動電壓
及控制所述驅動電壓大小和方向的信號接至用於製冷或用於加熱的製冷加熱 模塊7。
所述實施例中，製冷加熱模塊7的電壓輸入為+12伏時為所述製冷加熱 模塊7為加熱工作狀態；所述製冷加熱模塊7的電壓輸入為-12伏時所述制 冷加熱模塊為製冷工作狀態。圖2為本實用新型一種溫度傳感器的電路連接圖。如圖2所示，本實施
例中，溫度傳感器釆用美囯DALLS公司研製的單總線數字溫度傳感器 DS18B20,它能夠直接讀出被測溫度，並且可根據實際需要編程實現9一12位 的數字式讀數方式，最長轉換時間不超過800ms,總線讀寫和可編程的總線 供電方式使DS18B20的使用簡單，可靠。圖2中R8為電阻，Q3為場效應管。
圖3為本實用新型一種CPU計算模塊的電路連接圖。如圖3所示，CPU 計算模塊4可選用Tl公司生產的16位低功耗單片機MSP430FH9晶片。 MSP430F149晶片U6的端腳1接至所述慣性測量單元的3. 3伏電壓輸出端， 端腳1又通過一電容Cll後接地，端腳ll接地，端腳54、 55、 56、 57分別 依次接至用於下載調試程序的仿真下載器晶片JTAG1的1、 3、 5、 7腳，端 腳58通過一 電阻R18以及並聯的電阻R4和二極體D2接至所述電源穩壓電路 的3. 3伏電壓輸出端，電阻R18與電阻R4的連接端又通過一電容C21後接地， 端腳62、 63接地，端腳64接至所述電源穩壓電路的3. 3伏電壓輸出端，仿 真下載器晶片JTAG1的9腳接地，仿真下載器晶片JTAG1的2腳接所述電源 穩壓電路的3. 3伏電壓輸出端，且又通過一電容C30接地；MSP430F"9晶片 U6的端腳8與端腳9之間連接一電容CRY2，且電容CRY2與端腳8的連接端 又通過電容C9後接地，電容CRY2與端腳9的連接端又通過電容C8後接地； 所述MSP430F149晶片U6的端腳22與端腳23之間連接一電容CRYl,且電容 CRY1與端腳23的連接端又通過電容C6後接地，電容CRY1與端腳22的連接 端又通過電容C7後接地。本實用新型CPU計算模塊控制溫度採用比例、微分、 積分(簡稱PID)方式。數字式PID算法是恆溫控制程序的核心。本實用新 型採用增量式PID算法。通過對慣性測量單元全溫區標定時輸出數植，分析 確定慣性測量單元溫漂最小的工作溫度按此溫度確定CPU計算模塊內部恆溫 控制程序PID的各個參數，使響應快超調小。本實用新型，控溫精度可以在 ±rc，在5分鐘內即可達到設定的溫度點。
圖4為本實用新型一種D/A轉換器的電路圖。D/A轉換器釆用DAC7512型12位D/A轉換晶片。如圖4所示，Cl、 C2為電容。D/A輸出接VR1—端， VR1另一端接地，R1接A1的3腳，A1的2腳接A1的6腳，Al的6腳接R2 以端，R2另一端接R4和A2的3腳，R4另一端接地，A2的2腳接R3和R7， R3的另一端接地，A2的6腳接R5和R6， R5的另 一端接Ql和+12V, R6的另 一端接Q2和-12V， Ql和Q2的另 一端接RL, R7的另 一端接RL和Rs , Rs的 另一端接地。
圖5為本實用新型一種功率驅動模塊的電路圖。如圖5所示，功率驅動 模塊包括運算放大器A1，運算放大器A1的2腳與6腳相連，運算放大器A1 的3腳通過電阻R1接至可變電阻VR1的中心抽頭上，可變電阻VR1 —端接所 述D/A轉換器的輸出端，另一端接地，運算放大器A1的6腳通過電阻R2接 運算放大器A2的3腳，3腳同時又經電阻R4後接地，運算放大器A2的2腳 經R3後接地，運算放大器A2的6腳與兩個場效應管Ql、 Q2的1腳相連，場 效應管Ql的1腳又通過電阻R5與場效應管Ql的2腳一起接+12伏電壓，場 效應管Q2的1腳又通過電阻R6與場效應管Q2的3腳一起接-12伏電壓，場 效應管Ql的3腳與場效應管Q2的2腳一起通過所述製冷加熱模塊RL後，又 接一取樣電阻RS後接地，製冷加熱模塊RL與取樣電阻RS間又通過反饋電阻 R7與運算放大器A2的2腳相連。本實用新型的功率驅動模塊6是用以給制 冷加熱模塊7提供電源，並可控制驅動電壓的大小和方向。製冷加熱模塊7 的製冷或加熱功率可以通過改變驅動電壓或電流的大小來控制。在驅動電流 一定的情況下可以有兩種控制方式 一種是控制工作時間，即時間比例控制； 一種在恆流情況下控制電壓。按時間比例控制方式有電流衝擊，對製冷加熱 模塊7的使用壽命影響較大，會減少使用壽命。本實用新型採用連續調整型 恆流控制方式，電壓可以連續調節，且可以用一路D/A轉換，完成製冷加熱 模塊7的加熱致冷，調節範圍寬。
如圖5所示，功率驅動模塊6中釆用了互補對稱的功率MOSFET場效應功 率管。分別為IRF540和IRF9540。 IRF540管Ql為N溝道型，漏源間最大耐壓100V,導通電阻O. 18Q。漏極最大電流12A。 IRF9540管Q2為P溝道型， 漏源電極最大耐壓120V，導通電阻0. 3Q。漏極最大電流IOA。與常用的功 率放大電晶體相比，用功率MOSFET結構的線性放大器線性好，頻帶寬，溫度 穩定性好，電路簡單可靠性高，功耗低等特點，Al構成電壓跟隨器型式，提 高電路的輸入阻抗。
上述各實施例中，製冷加熱模塊7採用TEC12708，最大工作電壓8V,電 流14.5A，致冷功率為69.2W,可以滿足本實用新型的恆溫控制要求。具有體 積小，無需製冷劑的固體冷卻方式。通過改變驅動電流方向，可以很方便地 使其在製冷、加熱間轉換。其特點即是一種器件可以用來加熱也可以用來制
冷。本實用新型，控溫精度可以在土rc,在5分鐘內即可達到設定的溫度點。
上述各實施例中功率驅動電路釆用連續調整性恆流源驅動，對製冷加熱 模塊7驅動電流方向可變，電壓大小可以連續調節。
上述各實施例中採用TEC12708作加熱製冷源，可以很方便地改變加熱， 製冷方式，加熱，製冷快，只需改變驅動電路電壓的大小和方向，可以方便 地調節製冷加熱功率和改變加熱，製冷方式。無振動，無製冷劑，無汙染。
上述各實施例中為了保證適應環境，本實用新型採用了內部器件和外部 殼體間填充保溫材料，並且在外殼帶有散熱器，此結構可以使內部保溫，減 少散熱，利於內部的恆溫控制。並且為了適用惡劣工作環境，本實用新型同 時採取了高密封結構設計來保證慣性測量單元長期穩定的工作。具有良好的 防潮溼、防塵和抗震動衝擊能力。
最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非 限制，儘管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技 術人員應當理解，可以對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而 不脫離本實用新型技術方案的精神和範圍。
權利要求1.一種帶半導體恆溫控制裝置的慣性測量單元，包括慣性測量單元，其特徵在於，所述慣性測量單元內設置有用於給所述慣性測量單元中各元器件進行降溫或升溫的半導體恆溫控制裝置，所述半導體恆溫控制裝置包括敏感工作溫度的溫度傳感器，所述溫度傳感器的輸出接到對該輸出進行分析處理並輸出控制信號的CPU計算模塊，所述CPU計算模塊的輸出經D/A轉換器接至功率驅動模塊，所述功率驅動模塊輸出的+/-12伏驅動電壓及控制所述驅動電壓大小和方向的信號接至用於製冷或用於加熱的製冷加熱模塊。
2. 根據權利要求l所述的帶半導體恆溫控制裝置的慣性測量單元，其特 徵在於，所述溫度傳感器為單總線數字溫度傳感器DS18B20。
3. 根據權利要求l所述的帶半導體恆溫控制裝置的慣性測量單元，其特 徵在於，所述CPU計算模塊為16位低功耗單片機MSP430F149晶片。
4. 根據權利要求3所述的帶半導體恆溫控制裝置的慣性測量單元，其特 徵在於，MSP430F149晶片U6的端腳1 .接至所述慣性測量單元的3. 3伏電壓 輸出端，端腳1又通過一電容C11後接地，端腳ll接地，端腳54、 55、 56、 57分別依次接至用於下載調試程序的仿真下載器晶片JTAG1的1、 3、 5、 7 腳，端腳58通過一電阻R18以及並聯的電阻R4和二極體D2接至所述電源 穩壓電路的3. 3伏電壓輸出端，電阻R18與電阻R4的連接端又通過一電容 C21後接地，端腳62、 63接地，端腳64接至所述電源穩壓電路的3. 3伏電 壓輸出端，仿真下載器晶片HAG1的9腳接地，仿真下載器晶片JTAG1的2 腳接所述電源穩壓電路的3.3伏電壓輸出端，且又通過一電容C30接地； MSP430F149晶片U6的端腳8與端腳9之間連接一電容CRY2，且電容CRY2與 端腳8的連接端又通過電容C9後接地，電容CRY2與端腳9的連接端又通過 電容C8後接地；所述MSP430F149晶片U6的端腳22與端腳23之間連接一電 容CRY1，且電容CRY1與端腳23的連接端又通過電容C6後接地，電容CRY1 與端腳22的連接端又通過電容C7後接地。
5. 根據權利要求l所述的帶半導體恆溫控制裝置的慣性測量單元，其特 徵在於，所述D/A轉換器為DAC7512型12位D/A轉換晶片。
6. 根據權利要求l所述的帶半導體恆溫控制裝置的慣性測量單元，其特 徵在於，所述製冷加熱模塊為TEC12708晶片。
7. 根據權利要求l所述的帶半導體恆溫控制裝置的慣性測量單元，其特 徵在於，所述功率驅動模塊包括運算放大器Al,運算放大器A1的2腳與6 腳相連，運算放大器A1的3腳通過電阻R1接至可變電阻VR1的中心抽頭上， 可變電阻VR1 —端接所述D/A轉換器的輸出端，另一端接地，運算放大器A1 的6腳通過電阻R2接運算放大器A2的3腳，3腳同時又經電阻R4後接地， 運算放大器A2的2腳經R3後接地，運算放大器A2的6腳與兩個場效應管 Ql、 Q2的l腳相連，場效應管Q1的1腳又通過電阻R5與場效應管Q1的2 腳一起接+12伏電壓，場效應管Q2的1腳又通過電阻R6與場效應管Q2的3 腳一起接-12伏電壓，場效應管Ql的3腳與場效應管Q2的2腳一起通過所 述製冷加熱模塊RL後，又接一取樣電阻RS後接地，製冷加熱模塊RL與取樣 電阻RS間又通過反饋電阻R7與運算放大器A2的2腳相連。
專利摘要本實用新型涉及一種帶半導體恆溫控制裝置的慣性測量單元，包括慣性測量單元，慣性測量單元內設置有用於給所述慣性測量單元中各元器件進行降溫或升溫的半導體恆溫控制裝置，半導體恆溫控制裝置包括敏感工作溫度的溫度傳感器，溫度傳感器的輸出接到對該輸出進行分析處理並輸出控制信號的CPU計算模塊，CPU計算模塊的輸出經D/A轉換器接至功率驅動模塊，功率驅動模塊輸出的+/-12伏驅動電壓及控制驅動電壓大小和方向的信號接至用於製冷或用於加熱的製冷加熱模塊。本實用新型通過慣性測量單元內部通過CPU計算模塊來控制製冷加熱模塊對內部工作環境製冷或加熱，保持溫度漂移最小的恆定溫度，提高慣性測量單元測量的穩定性和精度。
文檔編號G05D23/30GK201000330SQ200620164898
公開日2008年1月2日 申請日期2006年12月30日 優先權日2006年12月30日
發明者何永革, 王革命, 谷榮祥 申請人:西安中星測控有限公司