一种具有延时功能的电子加速度继电器设计

李强

（贵州航天电器股份有限公司，贵州 贵阳 550009）

0 引言

加速度继电器（过载开关）是感受加速度并完成制动的一类开关器件，它以加速度值的大小作为输入控制信号，输出开关信号。加速度继电器作为一种火工品点火控制或加速度敏感器件，已经在航空、航天等领域得到了广泛应用[1]。

传统的加速度继电器主要由加速度传感器和机械开关组成，当传感器感受到的加速度达到规定值时，传感器输出一个信号驱动机械开关触点闭合，由于机械开关主要依靠机械零部件的运动来控制开关的吸合与释放，这就使得这种类型的加速度继电器寿命短、耐振动、冲击等环境应力的能力较差，尤其是在一些开关瞬间电流较大的场合，由于大电流对触点（机械零部件）的烧蚀作用，会明显缩短产品寿命，引起产品早期失效。采用全固态化设计的电子式加速度继电器无常规机械运动部件，具有灵敏度高、性能稳定、环境适应性强等优点，已经成为了新的发展趋势[2]。

1 电路设计

1.1 整体设计

本文设计的具有延时功能的电子式加速度继电器主要由加速度传感器、比较器、单片机控制系统以及固体电子开关四部分组成，其基本工作原理是当加速度传感器感受到加速度值达到规定的过载值后，比较器输出高电平，单片机系统在接收到比较器输出的高电平信号以后将输出端置低，驱动固体电子开关接通，同时单片机调用内置程序进行延时，延时结束后，单片机输出端被置高，固体电子开关断开。该加速度继电器的整体框图如图1 所示。

1.2 电源调整电路

过载继电器的电源输入电压为27Vd.c.，以保证内部电磁继电器正常工作，而加速度传感器、比较器的额定工作电压均为5Vd.c.，所以需要使用稳压器将27Vd.c.转换成5Vd.c.，本文中使用三端稳压器78L05 作为电压调整的核心芯片，该芯片的额定功耗为0.5W，额定电流500mA。整个控制电路总电流约为50mA， 如果稳压器直接实现27Vd.c. 到5Vd.c. 的转换，则稳压器的总功耗为（27-5）*0.05=1.1W，远远超过其额定功耗，无法正常工作，因此需要使用分压电阻与78L05 串联，保证稳压器正常工作。同时为了滤除稳压器输入输出端的杂波，稳定电压，在稳压器两端并联两个去耦电容，电源调整电路图如图2 所示。

1.3 传感器模块电路

本文加速度继电器动作加速度值为8 ～10g，在此选用ICSENSORS 的Model 3255-25 加速度传感器，该芯片工作电压范围为4.5 ～7.0V，额定工作电流约为20mA，其加速度敏感面垂直方向上承受的最大加速度值为25g，带宽0 ～1000Hz，灵敏度为80mV/g，传感器在加速度值为0g 时输出电压为2.5V，能够很好的满足设计需要，传感器模块电路如图3 所示。

1.4 参考电压产生电路

本文选用加速度传感器的输出随着其感受到的加速度值增加而增大，零加速度状态下的输出电压为2.5V，加速度每增加1g，输出电压增加80mV，本文设计动作过载值范围为8 ～10g，理论上在9g 时动作最佳，因此参考电压理论值应为2.5+9*0.08=3.22V，设计中采用两个电阻分压的形式产生参考电压，电阻选用1.5K 和3.24K，精度为1%，实际参考电压为3.21V，与理论值相差10mV，精度满足设计要求[3-5]。

1.5 信号比较电路

参考电压与加速度传感器的输出信号通过比较器进行比较来控制比较器的输出状态。比较器的两个输入端一个称为同相输入端，另一个称为反相输入端，当同向输入端电压高于反向输入端时，比较器输出高电平，反之，比较器输出低电平。本文选用双差分比较器LM193，该芯片具有两个独立的电压比较器，工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：2 ～36V，双电源：±1 ～±18V；消耗电流小， ICC=0.8mA；输入失调电压小，VIO=±2mV；输出与TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容[6]。电路设计时把参考电压输入到LM193 的反相输入端，加速度传感器的输出信号输入到LM193 的同向输入端，当加速度值小于9g 时，同向输入端电压低于反向输入端电压，LM193输出低电平，当加速度值小于9g 时，LM193 输出高电平，信号比较电路如图4 所示。

1.6 脉冲宽度调整电路

许多型号研制过程中为了保证引信控制信号的安全性，往往需要给过载继电器设定一定的脉冲宽度，以防误触发，而机械式过载继电器的脉冲宽度无法调整，电子式过载继电器这方面的优势就体现得更加明显。本文中利用电阻电容的串联产生脉冲，通过调整阻值和容值来调整脉冲的宽度，设定加速度脉冲宽度大于15ms 时才能动作[7]。加速度超过设定值9g 时，LM193 输出高电平，电源给电容充电，当加速度大于9g 且持续时间在15ms 以上时，电容两端的电压达到MOS 管的开启电压，驱动后续电路工作，脉冲宽度调整电路如图5 所示。

1.7 电磁继电器驱动电路

本文加速度继电器的输出为机械触点，因此内部使用了电磁继电器，如果想实现自锁功能，则可选用磁保持继电器。设计中利用MOS 管实现电磁继电器输出触点的接通和断开，电磁继电器线圈正极连接到27V 电源，线圈的负极连接到MOS 管的D 极，同时为了防止线圈在断瞬间产生较大的反向电动势，特在线圈两端并联一个续流二极管，电磁继电器驱动电路如图6 所示。

2 测试结果

把本文设计完成的加速度继电器放在离心机和冲击台上进行测试，动作加速度值和脉冲宽度满足设定指标，继电器接通关断正常、时间短，功耗小，灵敏度高，适用于加速度过载控制领域[8]。

3 结论

过载继电器作为一种可以敏感设备加速度的继电器，主要用于火箭、导弹等设备的安全控制，当设备未点火（未加速）时，切断箭（弹)上关键部位的电源供给。但不同型号火箭所产生的加速度以及加速度时间均不相同，采用原有的机械加速度开关具有研制时间长、可靠性低等确定。采用本文所述方案后，加速度值和加速度脉宽均灵活可调，大大提高了不同型号的适应能力，具有非常高的市场推广价值。