阅读说明：本技术 一种无源型热电池激活装置 (Passive thermal battery activation device ) 是由 赵辉 李东杰 周伟 沈德璋 周竞睿 杨健 周孟哲 于 2019-11-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种无源型热电池激活装置,所述电池激活装置包括电流转换单元、信号识别单元、控制单元、储能单元和电点火头,所述电流转换单元与所述信号识别单元相连,所述信号识别单元与所述控制单元相连,所述控制单元与所述储能单元相连,所述储能单元与所述电点火头相连。本发明无源型热电池激活装置,提高了激活装置输入信号识别能力和电脉冲信号稳定输出能力,并具有体积小,抗干扰和性能稳定特点。(The invention discloses a passive thermal battery activation device which comprises a current conversion unit, a signal identification unit, a control unit, an energy storage unit and an electric ignition head, wherein the current conversion unit is connected with the signal identification unit, the signal identification unit is connected with the control unit, the control unit is connected with the energy storage unit, and the energy storage unit is connected with the electric ignition head. The passive thermal battery activation device improves the input signal identification capability and the electric pulse signal stable output capability of the activation device, and has the characteristics of small volume, interference resistance and stable performance.)

一种无源型热电池激活装置

技术领域

本发明属于热电池应用技术领域，尤其涉及一种无源型热电池激活装置。

背景技术

20世纪初，热电池由德国学者Erb提出并应用到火箭上；20世纪40年代，美国开始研制热电池并应用到武器系统替代水溶液电解质电池；20世纪50年代，美国Sandia实验室将热电池应用到核武器上；20世纪60年代，片型工艺和隔热材料的应用提高热电池的能量和寿命；20世纪80年代至今，诞生多种体系热电池且各项性能指标提高，由于热电池具有比能量大、比功率高、作用可靠和使用环境温度范围宽等优点，被广泛应用于引信、导弹、鱼雷等现代武器中。

热电池包括电池反应堆和激活装置，常态下，热电池反应堆处于非工作态，内部介质不进行化学反应，当激活装置收到激活信号后，热电池电堆进行化学反应，将热能转化为电能输出所需的直流电压和电流。热电池激活装置按激活方式分为两种：一种是电信号激活，激活装置产生电信号作用于电点火头，点燃引燃纸使电池反应堆进行化学反应，释放电能；另一种是机械激活，激活装置受到外力撞击下点燃引燃纸使电池反应堆进行化学反应，释放电能。

热电池机械激活方式，激活装置结构独立，便于拆卸和检查，有利于弹体自身维修和保养，但是在激活装置在点燃引燃纸的冲击过程中，电池反应堆结构容易被破坏，导致内部化学反应产生的高温高压气体泄露，一方面对武器系统电子元器件产生影响，另一方面电池反应堆能量转化输出不稳定。

热电池电信号激活方式，电点火头体积小，为电池反应堆节省空间，提高热电池体积比能量。随着引信小型化，热电池小型化设计也显得十分重要，因此热电池电激活方式成为研究热点。

热电池电激活方式按激活装置电路可分为两种，一种是由无源器件构成的激活装置，无源电路具有体积小和器件性能稳定的特点，但是无源型电路抗干扰和识别信号能力有待提高；另一种是由有源器件构成的激活装置，有源电路能够准确识别激活信号和稳定输出高精度电信号，但是有源元器件需要外部电源供电才能可靠工作，武器系统空间有限，如果激活装置采用有源电路会需额外电源供电，不仅增加空间也会增加整个平台设计复杂性。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种无源型热电池激活装置，提高了激活装置输入信号识别能力和电脉冲信号稳定输出能力，并具有体积小，抗干扰和性能稳定特点。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种无源型热电池激活装置，所述电池激活装置包括电流转换单元、信号识别单元、控制单元、储能单元和电点火头，所述电流转换单元与所述信号识别单元相连，所述信号识别单元与所述控制单元相连，所述控制单元与所述储能单元相连，所述储能单元与所述电点火头相连；其中，所述电流转换单元基于接收的输入的控制信号完成电流转换并将转换的电流信号输入值信号识别单元；所述信号识别单元基于输入的电流信号实现对输入信号完成激活信号的识别与干扰信号的过滤，并将激活信号发送至控制单元；所述控制单元基于激活信号控制所述储能单元进行放电，通过所述储能单元放电产生的电脉冲信号完成电点火头的激活。

根据一个优选的实施方式，所述电流转换单元包括两镜像三极管V1和V2以及电阻R1和R2，其中，三极管V1与三极管V2组成镜像三极管，且三极管V1与三极管V2的集电极与信号输入端的正极相连，三极管V1的发射极与电阻R1和电阻R2串联，且电阻R2另一端与信号输入端负极相连；三极管V2的发射极与所述信号识别单元相连。

根据一个优选的实施方式，三极管V1和三极管V2为NPN型三极管或PNP型三极管。

根据一个优选的实施方式，电阻R1和/或电阻R2阻值可调电阻器。

根据一个优选的实施方式，所述信号识别单元由电阻R3、R4、R5、电容C1和场效应管V3构成；其中，电阻R3一端与电流转换单元中三极管V2的发射极相连，另一端与电阻R4和场效应管V3的漏极相连；电阻R4另一端分别与场效应管V3的栅极、电阻R5和电容C1相连，其中，电阻R5和电容C1另一端与信号输入端负极相连；所述场效应管V3的源极与控制单元相连。

根据一个优选的实施方式，所述控制单元包括电阻R6、电容C2、三极管V4和继电器K，其中，三极管V4的基极、电阻R6和电容C2分别与场效应管V3的源极相连，电阻R6和电容C2的另一端与信号输入端负极相连，且三极管V4的发射极与信号输入端负极相连；三极管V4的集电极与继电器K相连，通过所述继电器K完成对电点火头与储能单元的导通控制。

根据一个优选的实施方式，所述储能单元由电容C3构成，所述电容C3一端电阻R3相连，另一端与信号输入端负极相连。

根据一个优选的实施方式，所述电点火头包括电点火头A，所述电点火头A的两端分别与电容C3的两端相连。

根据一个优选的实施方式，电阻R3为可调电阻器。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：

(1)体积小：激活装置电路使用的器件均为无源型元器件，除继电器器件外，其余均可采用贴装器件，电路印制板尺寸可以做到直径30mm，利于安装和通用；

(2)抗干扰：信号通常可以用电流、电压和时间宽度表征，本发明中：电流转换单元能够识别输入信号电流特征，信号识别单元能够识别输入信号电压、时间宽度特征，通过设计电流转换单元和信号识别单元能够识别输入信号，进而滤掉干扰信号；

(3)性能稳定：本发明设计的热电池激活装置结构简单、元器件组成少增加可靠稳定性；本发明设计的热电池激活装置输出信号产生时刻和信号能量稳定，通过设计控制单元和储能单元可调节输出信号特征，根据电点火头激活能量设计电路装置参数使输出信号稳定；

(4)成本低：本发明设计的热电池激活装置元器件种类少且为通用型器件，故具有成本低优势。

附图说明

图1是本发明装置各功能模块的连接示意图；

图2是本发明装置的电路原理图；

其中，1-电流转换单元，2-信号识别单元，3-控制单元，4-储能单元，5-电点火头。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。

实施例1：

参考图1所示，图中示出了一种无源型热电池激活装置，所述电池激活装置包括电流转换单元1、信号识别单元2、控制单元3、储能单元4和电点火头5。

优选地，电流转换单元1用于输入信号电流转换，将外界输入信号电流转换成同一数值，本技术方案采用镜像三极管设计电流转换单元，镜像三极管电路参数易于设计，结构简单，体积小且温度特性好。

优选地，信号识别单元2用于识别正常激活信号和滤掉干扰信号。干扰信号主要指高频干扰其特征为短脉冲、不同幅度的随机信号。信号识别单元2由RC网络和场效应管电路实现，能够有效滤掉短脉冲、幅度不同的随机干扰信号.

优选地，储能单元4由储能电容器构成，通过激活信号进行储能，控制单元3由三极管和继电器组成，控制储能单元放电，产生电脉冲信号作用于电点火头5实现激活电点火头5。

优选地，所述电流转换单元1与所述信号识别单元2相连，所述信号识别单元2与所述控制单元3相连，所述控制单元3与所述储能单元4相连，所述储能单元4与所述电点火头5相连。

优选地，所述电流转换单元1基于接收的输入的控制信号完成电流转换并将转换的电流信号输入值信号识别单元2。

优选地，所述信号识别单元2基于输入的电流信号实现对输入信号完成激活信号的识别与干扰信号的过滤，并将激活信号发送至控制单元3。

优选地，所述控制单元3基于激活信号控制所述储能单元4进行放电，通过所述储能单元4放电产生的电脉冲信号完成电点火头5的激活。

进一步地，如图2所示，图中示出了本装置的电路原理图。

优选地，所述电流转换单元1包括两三极管V1和V2以及电阻R1和R2。其中，三极管V1与三极管V2组成镜像三极管。且三极管V1与三极管V2的集电极与信号输入端的正极相连，三极管V1的发射极与电阻R1和电阻R2串联，且电阻R2另一端与信号输入端负极相连。三极管V2的发射极与所述信号识别单元2相连。电阻R1和/或电阻R2阻值可调电阻器。

进一步地，三极管V1和V2组成镜像三极管，具有恒流的特点，以电流转换为I₁为例，当信号输入端输入信号为U₁，则调节R1和R2参数，I₁≈U₁/(R₁+R₂)，能够实现电流转换单元输出I₁。

从而电流转换单元1能够转换和识别信号输入端输入信号的电流特征，将输入信号电流依据设计要求转换为定值，输入信号转化为定值有助于信号识别单元更准确的识别电压特征和脉宽特征。

优选地，所述信号识别单元2由电阻R3、R4、R5、电容C1和场效应管V3构成。其中，电阻R3一端与电流转换单元1中三极管V2的发射极相连，另一端与电阻R4和场效应管V3的漏极相连。电阻R4另一端分别与场效应管V3的栅极、电阻R5和电容C1相连，其中，电阻R5和电容C1另一端与信号输入端负极相连；所述场效应管V3的源极与控制单元3相连。电阻R3为可调电阻器。

进一步地，设场效应管V3门限开启电压U_th，当U₁(R₅/(R₄+R₅))≥U_th且满足输入信号宽度T≥T_th≈(3～4)R₄C₁时，场效应管V3识别信号为正常激活信号。干扰信号通常包括传导干扰和辐射干扰，热电池系统传导干扰信号特征为幅值低、脉宽长，电压识别单元设置门限阈值U_th能滤掉此类干扰。辐射干扰特征为幅值随机、脉宽窄，RC网络设置时间阈值T_th能够滤掉此类干扰，因此，信号识别单元参数能够正确识别激活信号和滤掉干扰信号。

优选地，所述控制单元3包括电阻R6、电容C2、三极管V4和继电器K。其中，三极管V4的基极、电阻R6和电容C2分别与场效应管V3的源极相连，电阻R6和电容C2的另一端与信号输入端负极相连，且三极管V4的发射极与信号输入端负极相连。三极管V4的集电极与继电器K相连，通过所述继电器K完成对电点火头5与储能单元4的导通控制。

进一步地，设场效应管V3导通电阻为R_on，三极管V4基极输入电流I_2b，若V4放大倍数β，则V4集电极电I_2c＝βI_2b，V4发射极电流I_2e＝(β+1)I_2b，设V4基极-发射极结电压U_BE，电点火头阻值R_A，I_2b根据基尔霍夫定律计算：U₁R₆/(R_on+R₆)＝I_2b(R_on//R₆)+U_BE+I_2cR_A，若I_2c≥I_th(继电器K导通电流)，继电器K导通，控制单元为储能单元提供能量释放通路，形成放电脉冲作用于电点火头A，通过选择三极管V4和继电器K参数能够设计控制单元动作条件。

信号识别单元2与控制单元3采用场效应管与三极管射随结构，场效应管V3为压控性器件，三极管V4为流控型器件，压控型器件能够设置阈值滤掉干扰信号，流控型三极管V4具有放大电流作用加快继电器K导通，提高储能单元4释放能量效率。

且电流转换单元1、信号识别单元2和控制单元3组合设置，能够有效识别输入信号，相比于采用单片机实现该功能，本发明使用的无源电路，易于实现，体积小且陈本低。

优选地，所述储能单元4由电容C3构成，所述电容C3一端电阻R3相连，另一端与信号输入端负极相连。

进一步地，当控制单元3动作时，电容C3产生电脉冲信号作用于电点火头A，电信号产生时刻t₁≈(3～4)(R₄C₁+R_onC₂+R₃C₃)+t₂，式中(R₄C₁+R_onC₂+R₃C₃)为RC网络充电时间常数，(3～4)倍时间常数达到稳定电压，t₂为继电器K动作时间。电信号幅值U₂＝U₁-I₁R₃-U_th1，其中I₁R₃为R₃电阻分压，调节R₃可实现调节电信号产生时刻，U_th1＝U_th(R₄+R₅)/R₅，当场效应管栅源电压低于开启电压时，控制单元控制储能单元停止释放能量。

优选地，所述电点火头5包括电点火头A，所述电点火头5A的两端分别与电容C3的两端相连。

进一步地，根据储能单元释放的电脉冲信号特征幅值U₂，计算电脉冲信号能量，E＝0.5C₃U₂ ²，结合电点火头激活能量E_th，当E>E_th时，实现热电池激活。

热电池接入武器系统中，当工作在复杂环境时易受干扰，为避免热电池误动作要求其激活装置具有抗干扰能力，抗干扰能力通过两方面设计，一方面热电池与武器系统接口设计，接口设计能够滤掉能量较大的干扰信号；另一方面要求激活装置具有抗干扰能力，需要滤掉高频随机信号，此种信号幅值随机，脉宽较窄。

本发明中的信号识别单元2能够识别输入信号幅值和脉宽特征，通过幅值阈值和脉宽阈值能够滤掉高频随机干扰。本发明激活装置输出脉冲能量可控，可根据电点火头5的手册设计储能单元4和识别单元2的参数，从而保证可靠的激活性能。进一步地，相比于传统激活装置既需要控制信号也需要储能信号，本发明热电池激活装置只需一种信号便可实现识别控制信号和对储能单元充电，降低接口复杂性，节约设计成本和提高通用性。

前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。本领域技术人员可知有众多组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。