基于FPGA的惡劣環(huán)境下瞬態(tài)高溫存儲測試系統(tǒng)

顧 強， 靳 鴻

（中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室， 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室， 山西太原 030051）

0 引言

瞬態(tài)高溫的精確測量在冶金、航空、航天、化學(xué)等領(lǐng)域中具有十分廣泛的應(yīng)用，目前主要有非接觸式的輻射測溫和接觸式的熱電偶測溫兩種方式。與傳統(tǒng)的熱電偶溫度計和輻射式溫度計相比，光纖高溫傳感器不僅提高了接觸法測溫的測量上限，延長了使用壽命，而且避免了輻射式測溫的較大誤差，提高了測量精度和抗電磁干擾能力?；贔PGA的存儲測試系統(tǒng)也解決了測溫上限不足，響應(yīng)時間長，數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，儀器安裝不方便等問題。在導(dǎo)彈前框、飛機、火箭噴氣發(fā)動機燃氣測試中，測試對象為高速、高溫氣流，當(dāng)傳感器探頭垂直插入其中進行測量時，要承受高速燃氣的沖擊，由于作用時間很短，溫度高，難以用傳統(tǒng)的熱電偶來進行測量。本系統(tǒng)用Plank黑體輻射定律的藍寶石黑體腔光纖傳感器與FPGA控制的測試電路構(gòu)成的存儲測試系統(tǒng)解決了瞬態(tài)高溫測試普遍存在的一些缺陷。

1 系統(tǒng)電路

整個高溫存儲測試系統(tǒng)由黑體腔藍寶石光纖傳感器，信號調(diào)理電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，靜態(tài)存儲器，F(xiàn)PGA邏輯、控制電路，以及電源管理模塊組成。整個電路板塊、傳感器和高溫電池一起灌封在高強度耐高溫的殼體當(dāng)中，組成了能在惡劣環(huán)境下測試瞬態(tài)高溫的系統(tǒng)。藍寶石光線傳感器將采集到的溫度信號，經(jīng)過其內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，通過信號調(diào)理電路經(jīng)行放大、濾波處理，進入A/D轉(zhuǎn)換電路中，再經(jīng)過由FPGA控制的靜態(tài)儲存器，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存儲。最后經(jīng)過接口電路將數(shù)據(jù)讀出，通過計算機分析和處理數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 瞬態(tài)高溫存儲測試系統(tǒng)原理圖

1.1 黑體腔藍寶石光纖傳感器

采用適當(dāng)?shù)拇趴貫R射法和等離子熱噴涂法鍍制鉭、鉬或碳化鎢薄膜在藍寶石單晶光纖的一端用涂覆高發(fā)射率、耐高溫、不透光的感溫介質(zhì)薄層，在鉭（或鉬、碳化鎢）膜基礎(chǔ)上鍍制耐高溫的氧化鋁或者氧化鋯陶瓷保護膜以形成黑體腔[3]，如圖2所示，黑體腔的熔點高（一般在3000℃以上），能承受高溫?zé)g的惡劣環(huán)境，并與光纖基體（藍寶石）有良好的附著力；高溫下的導(dǎo)熱系數(shù)、發(fā)射率等物化性能穩(wěn)定，且抗氧化性好。

圖2 黑體腔鍍膜結(jié)構(gòu)

感溫黑體腔與被測物接觸時，由于光纖熱容量小，黑體腔膜層很薄，導(dǎo)熱率較高，故感溫黑體腔與熱源很快達到熱平衡，若黑體腔的軸向長度足夠小，可認為此時黑體腔是一等溫腔。黑體腔所產(chǎn)生的熱輻射通過腔內(nèi)藍寶石光纖時產(chǎn)生吸收、發(fā)射和散射現(xiàn)象。散射現(xiàn)象主要由光纖質(zhì)量引起，選用高質(zhì)量的藍寶石光纖可以忽略散射損耗。在很寬的溫度范圍內(nèi)，藍寶石光纖的吸收系數(shù)為10-3～10-4cm，光纖芯徑值有數(shù)百微米，因此光纖表面對反射和發(fā)射的光吸收很小，這樣黑體腔內(nèi)表面的熱輻射相當(dāng)于空腔的熱輻射，其吸收系數(shù)很小，故藍寶石光纖自身的輻射可忽略不計[4]，由古費(Gouffe)理論可推得等溫黑體腔漫反射空腔腔孔的有效發(fā)射率的表達0.25式為：

式中ε為感溫腔體材料的發(fā)射率，g=D/L，D為溫腔的直徑，L為圓柱的高。式（1）表明黑體腔孔的有效發(fā)射率與D和L相關(guān)。當(dāng)ε＞0.5，L/D＞10時，E0非常接近于l，并且穩(wěn)定，此時傳感頭接近理想黑體， 數(shù)值變化極小，即認為黑體腔具有穩(wěn)定的熱輻射特性。這樣感溫腔可被看作黑體腔。黑體探頭的最佳長度在L/D＝10左右。如圖3所示。

圖3 黑體腔藍寶石光纖傳感器

藍寶石晶體的折射率 n＝1.75，近似認為熱輻射在光纖中是沿軸向的一維方向上的傳輸[4]。選用直徑為600μm左右的藍寶石光纖，光纖黑體腔的長度大于7mm。藍寶石光纖溫度傳感器通過直接探測黑體腔本身的熱輻射來測量物體的溫度，具有很高的測溫靈敏度和精度。

黑體探頭的響應(yīng)時間僅與膜層厚度有關(guān)，且隨著的減小而減小。要提高瞬態(tài)表面超高溫傳感器的響應(yīng)速率，就盡量減小膜層厚度[5]。

光纖傳感器具有成本低、測溫上限高的優(yōu)點。在傳感器光電轉(zhuǎn)換模塊中，應(yīng)用了一種新型的固態(tài)光電倍增管作為光電轉(zhuǎn)換元件，其具有低噪聲，快速響應(yīng)，體積小，避免電磁干擾，低工作電壓等特性，而且能與光纖直接耦合，減少了傳輸損耗，簡化了傳感器的設(shè)計[6]，適用于惡劣環(huán)境下瞬態(tài)超高溫的測量。

1.2 存儲測試電路

在測試中，鑒于微體積、微功耗要求，限制了電路功耗以及存儲容量。設(shè)計在有效觸發(fā)信號到來之后使電路進入高速采集狀態(tài)，其余狀態(tài)電路均處于低功耗狀態(tài)。設(shè)計的關(guān)鍵問題在于如何確保采集數(shù)據(jù)的完整性，經(jīng)過研究試驗設(shè)計出由FPGA控制的普通靜態(tài)存儲器組成的自制“FIFO”式負延遲單元以解決這一問題，同時也避免了專用“FIFO”器件的功耗及成本問題。實現(xiàn)系統(tǒng)主要邏輯功能以及提供各種控制信號。FPGA可以實現(xiàn)多種采樣邏輯可編程選擇，同時具備數(shù)字觸發(fā)功能，可實現(xiàn)多種觸發(fā)電平任意選擇。同時采用流動性較好的灌封材料對組裝好的測試儀電路進行灌封，使其固化成模塊，提高電路模塊整體的抗高沖擊的性能。

1.2.1 FPGA芯片

該硬件平臺采用Altera公司的Cyclone II系列的FPGA芯片EP2C5T144I8，該芯片具有4608個邏輯單元，26塊M4K RAM塊，13個嵌入式乘法器，2個鎖相環(huán)，用戶I/O引腳數(shù)目為89，完全能夠滿足設(shè)計對邏輯功能的要求，并且有一定余量，便于以后功能擴展。

1.2.2 AD轉(zhuǎn)換器和存儲器

AD轉(zhuǎn)換器選用是AD公司推出的12位高速、低功耗、逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器AD7492。它可在2.7～5.25V的電壓下工作，其數(shù)據(jù)通過率高達1MSPS。它內(nèi)含一個低噪聲、寬頻帶的跟蹤/保持放大器，能處理高達10MHz的寬頻信號[7]。

存儲器存選用NanoAmp公司的N08L163WC2A，容量為512Kx16 bit。

AD轉(zhuǎn)換器和存儲器連接原理圖如圖4所示。

圖4 AD與存儲器連接原理圖

1.2.3 電路工作過程

在本測試系統(tǒng)設(shè)計中采用了均勻采樣策略，整個測試系統(tǒng)的工作過程是這樣的：首先接通電源并對電路進行復(fù)位，使電路處于復(fù)位態(tài)，此時電路中的數(shù)字電源VDD（供給電路芯片）為通電狀態(tài)，模擬電源VEE處于斷電狀態(tài)，系統(tǒng)中只有芯片的控制模塊工作；然后對電路編程設(shè)定合適的工作參數(shù)，整個系統(tǒng)處在低功耗的狀態(tài)；對電路上電（物理開關(guān)作用Pon），使電路進入等待觸發(fā)態(tài)，此時數(shù)字電源VDD和模擬電源VEE均處于通電狀態(tài)，芯片的AD轉(zhuǎn)換模塊和存儲模塊開始工作，系統(tǒng)開始采樣，地址循環(huán)加一計數(shù)，但此時對采樣點數(shù)進行計數(shù)的負延遲計數(shù)器未開始計數(shù)，所采集到的數(shù)據(jù)在靜態(tài)存儲器SRAM中不斷地擦除；待觸發(fā)信號到來后，系統(tǒng)進入單環(huán)境采樣態(tài)，此時系統(tǒng)按編程設(shè)定的采樣策略進行采樣，負延遲計數(shù)器也開始計數(shù)，地址同步推進，數(shù)據(jù)存儲在靜態(tài)存儲器SRAM中，當(dāng)負延遲計數(shù)器記錄完畢后，電路進入等待讀出狀態(tài)，此時負延遲計數(shù)器停止計數(shù)，地址停止推進，電路中模擬電源VEE處于斷電狀態(tài)；在讀出數(shù)據(jù)狀態(tài)，地址同步推進，直到讀完數(shù)據(jù)[5]，所采集的數(shù)據(jù)通過自制的“FIFO”式負延遲單元實現(xiàn)了負延時的功能。采用均勻采樣策略的狀態(tài)圖如圖5所示。

圖5 測試系統(tǒng)采用均勻采樣策略的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

2 實驗測試與結(jié)果

在自然光環(huán)境中，日光燈下采樣結(jié)果如圖6所示。

該測試實驗表明，黑體腔鍍層依然存在一定程度的透光，存在很強的光照時會有漏光，依然有存在部分信號，所以在結(jié)果中有稍微的誤差存在，均值 22.8mV。

圖6 自然光環(huán)境中日光燈下采樣

在暗室實驗中，加熱溫度大概在800°C左右，其采樣結(jié)果如圖7所示。

圖7 暗室微加熱測試

在快速加熱的測試當(dāng)時的溫度大約接近1800°C左右，測試下響應(yīng)速度，結(jié)果如圖8所示。

圖8 快速加熱測試

黑體腔陶瓷材料的加熱時響應(yīng)速度較快，達到電壓恒定值時，需要時間1.675s左右；而散熱卻相對較慢，第一次加熱后恢復(fù)到大約0電壓，用時將近3s。通過上面的試驗和對結(jié)果的分析說明了系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下瞬態(tài)高溫測試的可行性。

3 總結(jié)

在整個基于FPGA的惡劣環(huán)境瞬態(tài)高溫存儲測試系統(tǒng)中，考慮到測試環(huán)境的問題，要求整個測試電路要有低功耗、微體積、抗電磁干擾利于數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c，設(shè)計中我們討論了黑體腔藍寶石光纖的制作方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計，使傳感器有很好的靈敏度和精度，并且應(yīng)用了FPGA控制的普通靜態(tài)存儲器組成的自制“FIFO”式負延遲單元，同時也解決了專用“FIFO”器件的功耗及成本問題。將傳感器與電路一起灌封在特制的殼體，應(yīng)用黑體腔藍寶石光纖傳感器采集前端溫度，能測試到2000℃左右的溫度，并且解決了傳統(tǒng)測溫響應(yīng)時間慢、溫度上限不足的問題。

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