基于半導體制冷器的微型黑體溫控系統(tǒng)

吳紅霞 張 博 江 峰 孫紅勝 隋左寧 張玉國楊旺林 宋春暉

（1.北京振興計量測試研究所,北京 100074；2.火箭軍駐159廠軍代表室，北京 100074）

1引言

黑體輻射源被廣泛地應用于紅外技術的各個領域，常用于紅外載荷的定標，已經(jīng)成為不可缺少的標準輻射源［1］。黑體的溫度控制穩(wěn)定性和溫度均勻性是定標黑體能否滿足定標需求的關鍵，它會直接影響載荷的實際工作性能、成像質量。本文根據(jù)實際項目需求，研究微型面源黑體的溫度控制系統(tǒng)。

2 微型黑體組成

針對具體被控對象，選擇合理的加熱與制冷方法，才能進一步設計出工作性能良好的溫度控制系統(tǒng)。根據(jù)微型黑體實際溫度范圍0℃～50℃、溫度穩(wěn)定性等設計要求，比較不同方式的最低溫度、降溫速率、穩(wěn)定時間以及各自的結構、操作繁雜性等，同時為了滿足體積、重量要求，微型定標黑體輻射源采用半導體制冷器（TEC）作為加熱制冷器件。半導體制冷器是利用半導體材料的帕爾貼效應制成的，結構簡單，無需制冷工質，無運動部件，通過改變電流方向即可實現(xiàn)制冷或加熱，易于控制制冷或者加熱功率的輸出，可以滿足本系統(tǒng)的要求［2］。

微型面源黑體由黑體組件及溫度控制系統(tǒng)組成，其中黑體組件包括輻射板、接觸面導熱層、半導體制冷器、散熱器、熱控導熱模塊、連接線纜及附件等。溫度控制系統(tǒng)對黑體組件的溫度進行控制，如圖1所示。

側面散熱器與安裝接口板形成總體框架，絕熱框可放入總體安裝框架內。輻射板側面有安裝孔，傳感器置于該安裝孔內，需要保證傳感器與輻射板的完善耦合，以保證溫度測量精度和穩(wěn)定性。利用防震密封膠將傳感器的導線固定，確保電氣連接牢固可靠。輻射板位于絕熱框內，為了保證發(fā)射率，輻射板表面經(jīng)過噴沙處理后噴涂高發(fā)射率黑漆。通電加熱后，黑體輻射面溫度升高，在載荷工作波段內產(chǎn)生符合要求的紅外輻射，作為載荷輻射定標的標準輻射源。在輻射板背面依次敷設導熱片、半導體制冷器、導熱片。最后是頂部散熱器和熱控導熱模塊。

輻射板作為微型定標黑體的輻射面，產(chǎn)生一定輻射量值的紅外輻射，作為載荷的標準輻射源；半導體制冷器實現(xiàn)輻射板的制冷或加熱功能；四周加裝散熱器，確保系統(tǒng)散熱效率滿足要求；溫度控制系統(tǒng)及通信模塊通過連接線纜及附件與相應部件連接。

3 溫度控制系統(tǒng)設計

3.1 溫度控制系統(tǒng)原理

溫控系統(tǒng)以鉑電阻作為溫度敏感元件，通過基于恒流源的測溫電路測量黑體當前溫度，經(jīng)過A/D轉換后傳入單片機。通過單片機設定黑體溫度，設定值與通過溫度傳感器測得的黑體當前溫度值作差，經(jīng)過差分放大器后傳入溫度控制器。由于半導體制冷器既能加熱，又可制冷，通過改變電流的方向和大小，可以控制加熱或制冷功率。因此通過半導體制冷器溫度控制器調節(jié)PWM輸出，控制半導體制冷器的電流方向和大小，從而對微型黑體輻射源加熱或者制冷、實現(xiàn)快速升降溫。系統(tǒng)的控制原理圖如圖2所示。

3.2 溫度測試電路

本方案選用四線制PT100測量黑體輻射源的溫度［3］。PT100鉑電阻嵌入到黑體輻射板的傳感器安裝孔，經(jīng)過恒流源驅動后，可以獲取鉑電阻兩端的電壓值，從而實時監(jiān)測黑體溫度。

溫度測量電路如圖3所示，將電壓值傳給微控制器前，需經(jīng)過A/D轉換器實現(xiàn)對模擬信號的采集。本方案采用14位ADC芯片AD7865對PT100進行數(shù)據(jù)采集，并與單片機進行通信和數(shù)據(jù)傳輸。AD7865為十四位并行高速A/D轉換芯片，四路同步采樣輸入，四個跟隨/保持放大器，單電源工作，寬輸入范圍，低功耗和輸入過壓保護等功能，通過編程可以設置一或最高至四通道的A/D轉換，A/D工作時鐘可以配置為內部或外部。

3.3 微處理器

本文采用的中央處理控制器是ATmega128。它是基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器，具有128K字節(jié)的系統(tǒng)內可編程Flash，具有在寫的過程中還可以讀的能力，4K字節(jié)的E2PROM、4K字節(jié)的SRAM、53個通用I/O口線、32個通用工作寄存器、實時時鐘RTC、4個靈活的具有比較模式和PWM功能的定時器/計數(shù)器、兩個USART、面向字節(jié)的兩線接口TWI、8通道10位ADC。

ATmega128單片機有兩個全雙工的串行通訊口，所以單片機和電腦之間可以方便地進行串口通訊。本方案采用RS422串口。LTC1690驅動或接收RS422串口數(shù)據(jù)，5V供電，具有自動防故障功能，確保當無輸入、輸入短接或因為無信號終止時，接收輸出端為高，且不需附加器件。驅動的輸出端和接收的輸入端均支持全雙工，如圖4所示。

采用LTC1658將數(shù)字信號轉換為模擬信號，比較放大器由兩級構成，第1級采用零漂移的儀器放大器LTC2053。第2級是LTC1923內置的誤差放大器EA。LTC1923內部主控制回路包括1個誤差放大器、1個PWM比較器和2套互補輸出驅動。誤差放大器的正相輸入是前一級運放的輸出，在其反相輸入FB和輸出端EAOUT之間接一個RC網(wǎng)絡，可以對回路的控制速度和穩(wěn)定性進行補償。誤差放大器的輸出與LTC1923內部振蕩器產(chǎn)生的三角波的大小關系控制著PWM比較器輸出的占空比［4］。誤差放大器的輸出同時被TEC電壓鉗位電路控制，實現(xiàn)對逐個脈沖限流的功能。

3.4 TEC控制器

采用專用開關模式溫控芯片LTC1923實現(xiàn)對TEC的控制。LTC1923提供了一系列的保護和監(jiān)測功能。如：用一個電流感應電阻取樣TEC的電流，若所得電壓值大于以下三個電壓值SS引腳上電壓的1.5倍、ILIM引腳上電壓的1.5倍或1.5V中的最小值，則滿足限流條件，立即關斷所有外部MOSFET。

驅動電路的4路互補輸出驅動一個全橋開關電路，為TEC提供雙向電流。電橋驅動電路采用TND315S。全橋電路選用互補N/P溝道MOS場效應管FDS6675，F(xiàn)DS4488。它提供了導通電阻和門極電容之間較好的折中，有利于減少開關損耗和導通損耗。

4 微型黑體系統(tǒng)試驗結果及測量不確定度評定

4.1 試驗結果

在常溫常壓下使用紅外熱像儀對微型面源黑體的溫度特性進行測試，主要測試實際工作溫度范圍、升降溫時間、溫度穩(wěn)定性以及均勻性［5］。在黑體輻射面內均等分取九個測試點，求取九個數(shù)據(jù)的平均值，則最大值與平均值的差即為黑體均勻性［6］。黑體測溫位置選取如圖5所示。

試驗結果表明微型面源黑體在設置溫度0℃～50℃范圍內工作正常；當黑體由當前溫度升高5℃時，所需時間小于1.5min，當黑體由當前溫度降低5℃時，所需時間小于2min。分別設置黑體溫度為10℃、20℃、30℃、40℃、50℃，其溫度穩(wěn)定性均優(yōu)于0.02℃/h，溫度均勻性均優(yōu)于0.09℃。

4.2 測量不確定度評定

4.2.1 各輸入量的標準不確定度分量的評定

紅外熱像儀測溫準確度引入的不確定度評定：紅外熱像儀測溫準確度引入的不確定度引用紅外熱像儀計量證書中擴展不確定度評定U=0.22℃（k=2），即u1=0.11℃。溫度測量重復性引入的不確定度u2的評定，取各溫度點測量重復性最大不確定度為該項不確定度：u2=0.05℃。均勻性測量重復性引入的不確定度u3的評定，取各溫度點均勻性測量重復性最大不確定度為該項不確定度：u3=0.03℃。

4.2.2 合成標準不確定度及擴展不確定度的評定

各輸入量估計值可認為彼此不相關，合成標準不確定度公式：

則溫度穩(wěn)定性的合成標準不確定度：

溫度均勻性的合成標準不確定度：

溫度穩(wěn)定性的擴展不確定度為：

溫度均勻性的擴展不確定度為：

5 結束語

本文針對輻射面積為15mm×15mm的微型面源黑體設計了溫控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用四線制鉑電阻采集黑體輻射源的實時溫度，通過TEC專用控制芯片LTC1923實現(xiàn)對PWM輸出的控制，從而使得TEC加熱或制冷，達到控制微型黑體輻射源溫度的目的。試驗結果表明，黑體輻射源的工作溫度范圍、溫度穩(wěn)定性、溫度均勻性、升降溫時間均滿足實際項目需求。

［1］ 徐恒，韓義中，楊永軍.黑體輻射源的發(fā)展［J］.計測技術，2009，29（5）：1～3.

［2］ 曹海源.小型高精度紅外黑體輻射源的設計［J］.電光與控制，2013，20（12）.

［3］ 于勝云.紅外輻射源標溫控及性能測試方法［J］.紅外與激光工程，2011，40（2）.

［4］ 李俊濤.基于H橋驅動電路的半導體制冷片恒溫控制系統(tǒng)［J］.北華大學學報：自然科學版，2010（10）.

［5］ 戴映紅，吳劍鋒，張亞洲，等.大口徑低溫黑體標定裝置研制［J］.宇航計測技術，2012，32（5）：49～52.

［6］ 戴景民.多光譜輻射測溫理論與應用［M］.北京：高等教育出版社，2002，4.