李強

（貴州航天電器股份有限公司，貴州 貴陽 550009）

0 引言

加速度繼電器（過載開關(guān)）是感受加速度并完成制動的一類開關(guān)器件，它以加速度值的大小作為輸入控制信號，輸出開關(guān)信號。加速度繼電器作為一種火工品點火控制或加速度敏感器件，已經(jīng)在航空、航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。

傳統(tǒng)的加速度繼電器主要由加速度傳感器和機械開關(guān)組成，當(dāng)傳感器感受到的加速度達(dá)到規(guī)定值時，傳感器輸出一個信號驅(qū)動機械開關(guān)觸點閉合，由于機械開關(guān)主要依靠機械零部件的運動來控制開關(guān)的吸合與釋放，這就使得這種類型的加速度繼電器壽命短、耐振動、沖擊等環(huán)境應(yīng)力的能力較差，尤其是在一些開關(guān)瞬間電流較大的場合，由于大電流對觸點（機械零部件）的燒蝕作用，會明顯縮短產(chǎn)品壽命，引起產(chǎn)品早期失效。采用全固態(tài)化設(shè)計的電子式加速度繼電器無常規(guī)機械運動部件，具有靈敏度高、性能穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點，已經(jīng)成為了新的發(fā)展趨勢[2]。

1 電路設(shè)計

1.1 整體設(shè)計

本文設(shè)計的具有延時功能的電子式加速度繼電器主要由加速度傳感器、比較器、單片機控制系統(tǒng)以及固體電子開關(guān)四部分組成，其基本工作原理是當(dāng)加速度傳感器感受到加速度值達(dá)到規(guī)定的過載值后，比較器輸出高電平，單片機系統(tǒng)在接收到比較器輸出的高電平信號以后將輸出端置低，驅(qū)動固體電子開關(guān)接通，同時單片機調(diào)用內(nèi)置程序進(jìn)行延時，延時結(jié)束后，單片機輸出端被置高，固體電子開關(guān)斷開。該加速度繼電器的整體框圖如圖1 所示。

1.2 電源調(diào)整電路

過載繼電器的電源輸入電壓為27Vd.c.，以保證內(nèi)部電磁繼電器正常工作，而加速度傳感器、比較器的額定工作電壓均為5Vd.c.，所以需要使用穩(wěn)壓器將27Vd.c.轉(zhuǎn)換成5Vd.c.，本文中使用三端穩(wěn)壓器78L05 作為電壓調(diào)整的核心芯片，該芯片的額定功耗為0.5W，額定電流500mA。整個控制電路總電流約為50mA， 如果穩(wěn)壓器直接實現(xiàn)27Vd.c. 到5Vd.c. 的轉(zhuǎn)換，則穩(wěn)壓器的總功耗為（27-5）*0.05=1.1W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其額定功耗，無法正常工作，因此需要使用分壓電阻與78L05 串聯(lián)，保證穩(wěn)壓器正常工作。同時為了濾除穩(wěn)壓器輸入輸出端的雜波，穩(wěn)定電壓，在穩(wěn)壓器兩端并聯(lián)兩個去耦電容，電源調(diào)整電路圖如圖2 所示。

1.3 傳感器模塊電路

本文加速度繼電器動作加速度值為8 ～10g，在此選用ICSENSORS 的Model 3255-25 加速度傳感器，該芯片工作電壓范圍為4.5 ～7.0V，額定工作電流約為20mA，其加速度敏感面垂直方向上承受的最大加速度值為25g，帶寬0 ～1000Hz，靈敏度為80mV/g，傳感器在加速度值為0g 時輸出電壓為2.5V，能夠很好的滿足設(shè)計需要，傳感器模塊電路如圖3 所示。

1.4 參考電壓產(chǎn)生電路

本文選用加速度傳感器的輸出隨著其感受到的加速度值增加而增大，零加速度狀態(tài)下的輸出電壓為2.5V，加速度每增加1g，輸出電壓增加80mV，本文設(shè)計動作過載值范圍為8 ～10g，理論上在9g 時動作最佳，因此參考電壓理論值應(yīng)為2.5+9*0.08=3.22V，設(shè)計中采用兩個電阻分壓的形式產(chǎn)生參考電壓，電阻選用1.5K 和3.24K，精度為1%，實際參考電壓為3.21V，與理論值相差10mV，精度滿足設(shè)計要求[3-5]。

1.5 信號比較電路

參考電壓與加速度傳感器的輸出信號通過比較器進(jìn)行比較來控制比較器的輸出狀態(tài)。比較器的兩個輸入端一個稱為同相輸入端，另一個稱為反相輸入端，當(dāng)同向輸入端電壓高于反向輸入端時，比較器輸出高電平，反之，比較器輸出低電平。本文選用雙差分比較器LM193，該芯片具有兩個獨立的電壓比較器，工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作，單電源：2 ～36V，雙電源：±1 ～±18V；消耗電流小， ICC=0.8mA；輸入失調(diào)電壓小，VIO=±2mV；輸出與TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容[6]。電路設(shè)計時把參考電壓輸入到LM193 的反相輸入端，加速度傳感器的輸出信號輸入到LM193 的同向輸入端，當(dāng)加速度值小于9g 時，同向輸入端電壓低于反向輸入端電壓，LM193輸出低電平，當(dāng)加速度值小于9g 時，LM193 輸出高電平，信號比較電路如圖4 所示。

1.6 脈沖寬度調(diào)整電路

許多型號研制過程中為了保證引信控制信號的安全性，往往需要給過載繼電器設(shè)定一定的脈沖寬度，以防誤觸發(fā)，而機械式過載繼電器的脈沖寬度無法調(diào)整，電子式過載繼電器這方面的優(yōu)勢就體現(xiàn)得更加明顯。本文中利用電阻電容的串聯(lián)產(chǎn)生脈沖，通過調(diào)整阻值和容值來調(diào)整脈沖的寬度，設(shè)定加速度脈沖寬度大于15ms 時才能動作[7]。加速度超過設(shè)定值9g 時，LM193 輸出高電平，電源給電容充電，當(dāng)加速度大于9g 且持續(xù)時間在15ms 以上時，電容兩端的電壓達(dá)到MOS 管的開啟電壓，驅(qū)動后續(xù)電路工作，脈沖寬度調(diào)整電路如圖5 所示。

1.7 電磁繼電器驅(qū)動電路

本文加速度繼電器的輸出為機械觸點，因此內(nèi)部使用了電磁繼電器，如果想實現(xiàn)自鎖功能，則可選用磁保持繼電器。設(shè)計中利用MOS 管實現(xiàn)電磁繼電器輸出觸點的接通和斷開，電磁繼電器線圈正極連接到27V 電源，線圈的負(fù)極連接到MOS 管的D 極，同時為了防止線圈在斷瞬間產(chǎn)生較大的反向電動勢，特在線圈兩端并聯(lián)一個續(xù)流二極管，電磁繼電器驅(qū)動電路如圖6 所示。

2 測試結(jié)果

把本文設(shè)計完成的加速度繼電器放在離心機和沖擊臺上進(jìn)行測試，動作加速度值和脈沖寬度滿足設(shè)定指標(biāo)，繼電器接通關(guān)斷正常、時間短，功耗小，靈敏度高，適用于加速度過載控制領(lǐng)域[8]。

3 結(jié)論

過載繼電器作為一種可以敏感設(shè)備加速度的繼電器，主要用于火箭、導(dǎo)彈等設(shè)備的安全控制，當(dāng)設(shè)備未點火（未加速）時，切斷箭（彈)上關(guān)鍵部位的電源供給。但不同型號火箭所產(chǎn)生的加速度以及加速度時間均不相同，采用原有的機械加速度開關(guān)具有研制時間長、可靠性低等確定。采用本文所述方案后，加速度值和加速度脈寬均靈活可調(diào)，大大提高了不同型號的適應(yīng)能力，具有非常高的市場推廣價值。