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，當傳感器感受到的加速度達到規(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加速度傳感器感受到加速度值達到規(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，遠遠超過其額定功耗，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行測試，動作加速度值和脈沖寬度滿足設(shè)定指標，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。