一體化高可靠性光電傳感器的設(shè)計及研制

劉 英，郭銘杰，李春林，劉照智，孫 賀

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

光電檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于運(yùn)載火箭常規(guī)推進(jìn)劑液位信號的測量中，其測量的可靠性顯得尤為重要。隨著航天發(fā)射加注測控技術(shù)的不斷發(fā)展，使用光電傳感器&光電變換器組合來進(jìn)行液位信號的反饋成為一種可選方式。

這種測量方式采用分體式結(jié)構(gòu)，即光電傳感器安裝在火箭加注活門和溢出活門上，而光電變換器內(nèi)置于單機(jī)設(shè)備中。安裝在加注活門上的光電傳感器用于標(biāo)定運(yùn)載火箭常規(guī)推進(jìn)劑進(jìn)箭時的基礎(chǔ)液位，安裝在溢出活門上的光電傳感器用于檢測推進(jìn)劑是否加注到位。該方式主要存在以下幾個問題：a）外部24 V直流電給內(nèi)部核心器件供電，外部電源的波動可能干擾內(nèi)部電路的性能；b）光電傳感器與光電變換器之間通過一根200 m的電纜進(jìn)行微安級電流的傳輸，外部電磁干擾容易通過長電纜耦合到推進(jìn)劑液位采集系統(tǒng)中；c）光電變換器放置于加注控制臺中，周圍大電流切換設(shè)備的頻繁動作可能給光電變換電路帶來電磁干擾；d）光電變換器中開關(guān)信號是由電磁繼電器的無源觸點輸出的，機(jī)械觸點給單機(jī)的可靠性帶來一定的隱患。以上問題均可能導(dǎo)致光電傳感器&光電變換器組合誤發(fā)推進(jìn)劑液位信號。

為了提高產(chǎn)品性能和使用便捷性，更好地適應(yīng)周圍復(fù)雜的電磁環(huán)境，研制一體化高可靠性光電傳感器成為提升推進(jìn)劑加注測控系統(tǒng)保障性能的迫切需求。

1 一體化高可靠性光電傳感器的設(shè)計

1.1 工作原理

一體化高可靠性光電傳感器是一種可以實現(xiàn)光電信號變換的集成化小型電子設(shè)備，作為推進(jìn)劑加注設(shè)備的配套產(chǎn)品安裝在加注活門和溢出活門上，能對其外部介質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行快速有效的甄別，對不同介質(zhì)狀態(tài)迅速輸出相應(yīng)的通斷信號。

光電傳感器是一種用光電元件作為檢測元件的傳感器[1]。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成[2]。將發(fā)光器和受光器配上適當(dāng)?shù)碾娐肪湍軜?gòu)成一組紅外光電開關(guān)[3]。一體化高可靠性光電傳感器基于以上原理由紅外發(fā)光二極管、光學(xué)通路（棱鏡）、光電三極管以及變換電路等組成。首先把被測量的外部介質(zhì)狀態(tài)變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件和變換電路進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成開關(guān)量信號發(fā)送給遠(yuǎn)端的推進(jìn)劑加注測控系統(tǒng)。

光電傳感器按檢測方式通常分為對射式和反射式[4]。一體化高可靠性光電傳感器采用常用的光學(xué)全反射原理來控制光電元件的輸出光電流，從而判別介質(zhì)狀態(tài)。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

一體化高可靠性光電傳感器主要由外罩、保護(hù)套、棱鏡、O形圈、光電組件、螺帽、殼體和插座等組成，大致結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 一體化光電傳感器結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Integrated Photoelectric Sensor Structural Composition

考慮到反射光通路的合理形成，棱鏡與光電組件中的光電器件（紅外發(fā)光二極管和光電三極管）應(yīng)平面接觸。在裝配時就必須保證棱鏡的安裝位置正確，且使用前也必須要檢查棱鏡與光電組件中的光電器件的相對位置正確與否。這給生產(chǎn)和工程使用帶來一些不必要的麻煩，最關(guān)鍵是如果安裝位置不正確會導(dǎo)致光電參數(shù)的一致性難以保證。為了固定棱鏡與光電器件的正確角度，在棱鏡和殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計中增加定位槽結(jié)構(gòu)，設(shè)計改進(jìn)后使得產(chǎn)品裝配時，光電器件與棱鏡的角度一次到位，無需調(diào)整，減少了裝配調(diào)整時的麻煩，同時在使用中也不必?fù)?dān)心棱鏡旋動，確保了光電參數(shù)一致性和產(chǎn)品的可靠性。同時，光電組件置于金屬殼體內(nèi)，取消了用于連接光電傳感器和光電變換器的長電纜，屏蔽了外界電磁干擾對自身電路的影響，從結(jié)構(gòu)上有效地提高了產(chǎn)品的電磁兼容性。

1.3 整體電路設(shè)計

整體電路部分由三端固定式集成穩(wěn)壓器、紅外發(fā)光二極管、光電三極管、比較器、固體繼電器及部分阻容元件組成。

當(dāng)一體化高可靠性光電傳感器的棱鏡處于氣相狀態(tài)下，紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光線照在棱鏡玻璃與空氣的分界面上，返回的紅外光線照射到光電三極管上，光電三極管受到光照，其光電流較大，電路處于導(dǎo)通狀態(tài)。串聯(lián)在光電三極管發(fā)射極回路中的電阻所采樣的光電壓（即比較器正端輸入管腳上的電壓值）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)定的門檻電壓值（比較器負(fù)端輸入管腳上的電壓值）時，比較器輸出端管腳為高電平，比較器輸出所控制的固體繼電器輸出為斷開信號。

當(dāng)一體化高可靠性光電傳感器的棱鏡處于液相狀態(tài)下，紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光線照在棱鏡玻璃與空氣的分界面上，此時大部分紅外光線折射至液體中，光電三極管上受到少量光照，其暗電流很小，電路處于截止?fàn)顟B(tài)，串聯(lián)在光電三極管發(fā)射極回路中的電阻所采樣的光電壓（即比較器正端輸入管腳上的電壓值）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)定的門檻電壓值（比較器負(fù)端輸入管腳上的電壓值）時，比較器輸出端管腳為低電平，比較器輸出所控制的固體繼電器輸出為導(dǎo)通信號。

一體化高可靠性光電傳感器基于上述原理設(shè)計，通過固體繼電器輸出觸點的斷開或?qū)?，從而判斷光電傳感器棱鏡所處的介質(zhì)環(huán)境為氣相或液相。

1.4 核心電路設(shè)計及元器件選擇

1.4.1 恒壓供電電路設(shè)計

外部 24 V直流電通過三端固定式集成穩(wěn)壓器CW78L12轉(zhuǎn)換為12 V直流電給電路內(nèi)部的光電器件（紅外發(fā)光二極管和光電三級管）、比較器及固體繼電器等供電，這樣外部24 V電壓的波動不會對內(nèi)部電路的性能造成干擾。恒壓供電電路原理，如圖2所示。

圖2 恒壓供電電路原理Fig.2 Constant Voltage Power Supply Circuit Principle

選擇三端固定式集成穩(wěn)壓器時，主要考慮如下幾個因素：

a）后級電路總的輸入電流：把后級電路的芯片電源輸入電流逐個相加，再考慮一個裕量來選擇穩(wěn)壓器。按照最大功耗的工況計算整個電路總的工作電流，液態(tài)時整個電路總的工作電流最大，總的工作電流為26.8 mA（估算值，以實測為準(zhǔn)），三端固定式集成穩(wěn)壓器最大輸出電流為100 mA，滿足電流輸出要求。

b）后級電路芯片的電源電壓：穩(wěn)壓出來的電壓要大于后級芯片要求的最小工作電壓。本電路設(shè)計中三端固定式集成穩(wěn)壓器額定輸出電壓為12 V，輸出電壓范圍為11.4～12.6 V，后級芯片最小工作電壓為5 V，三端固定式集成穩(wěn)壓器輸出電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后級芯片的最小工作電壓。

c）三端固定式集成穩(wěn)壓器的輸入電壓：輸入電壓不能超過三端固定式集成穩(wěn)壓器輸入電壓范圍，否則芯片會毀壞。本電路設(shè)計中輸入電壓為直流24 V，三端固定式集成穩(wěn)壓器的輸入電壓范圍為15～35 V，滿足使用要求。

d）散熱：印制電路板工作時如果很熱，這是由于沒有考慮到器件散熱的問題。過熱會導(dǎo)致產(chǎn)品不滿足本安電路設(shè)計要求且電子產(chǎn)品壽命縮短，嚴(yán)重時候會導(dǎo)致電路失效。由于電路部分被密封在金屬外殼內(nèi)部，空間狹小，不易散熱，而電路工作過程中會產(chǎn)生一定的熱量，所以電路設(shè)計過程中需解決散熱問題。三端固定式集成穩(wěn)壓器自身的發(fā)熱功率P = ΔU × I ，其中Δ U 為三端固定式集成穩(wěn)壓器的輸入輸出電壓差。為了減少功耗和發(fā)熱，輸入壓差越小越好，但需滿足最小輸入壓差要求，否則三端固定式集成穩(wěn)壓器無法穩(wěn)定工作。設(shè)計中系統(tǒng)輸入電壓為24 V，輸出電壓為12 V，自身壓降UΔ為12 V，最大工作電流26.8 mA，若不采取措施，發(fā)熱功率為0.322 W，與最大功率0.5 W相比，降額系數(shù)不夠安全，應(yīng)適當(dāng)降低發(fā)熱功率。在三端固定式集成穩(wěn)壓器的輸入回路中串入二極管1V和電阻1R，使其產(chǎn)生一定的壓降，可有效解決模塊過熱的問題。輸入回路中串入二極管1V和電阻1R后，經(jīng)計算三端固定式集成穩(wěn)壓器的發(fā)熱功率P為0.195 W，降額適當(dāng)。（注：可根據(jù)實測工作電流對電阻1R的阻值進(jìn)行調(diào)整）。

恒壓電路中的輸入端電容1C和輸出端電容2C的取值按照模塊的標(biāo)準(zhǔn)配置電容來選取，均采用漏電流小的鉭電容。輸入端增加電容1C可以用來抵消輸入端接線較長時的電感效應(yīng)，以防止產(chǎn)生自激振蕩，濾除有害的干擾諧波，一般選用0.1～1 μF的小電容；輸出端增加電容2C是為了利用大電容的放電能力，降低內(nèi)阻，瞬時增減負(fù)載電流時不致于引起輸出電壓有較大的波動，從而提高瞬態(tài)響應(yīng)能力，確保電路穩(wěn)定工作，一般選用100～470 μF的大電容。

1.4.2 光電器件選擇

考慮到發(fā)光功率和可靠性，發(fā)光元件應(yīng)選用砷化鎵（GaAs）紅外發(fā)光二極管；考慮到光敏感性和響應(yīng)性，感光元件應(yīng)選用光電晶體管或達(dá)林頓晶體管[5]。

砷化鎵紅外發(fā)光二極管，具有速度高、壽命長、發(fā)光效率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種光電變換電路中作為發(fā)光器件。由于使用的是紅外光，可靠性高和抗干擾能力強(qiáng)，外界可見光對其干擾很小，除強(qiáng)光直射外，一般燈光都不會干擾其正常工作[6]。

一體化高可靠性光電傳感器使用紅外發(fā)光二極管HG413作為發(fā)光元件，主要參數(shù)：最大正向電流為50 mA；正向壓降≤1.5 V；反向電流≤10 μA；反向耐壓為5 V；發(fā)射功率＞2.0 mW；峰值波長為940 nm；帶寬≤±20 nm；截止頻率≥1 MHz；最大功耗為100 mW。

一體化高可靠性光電傳感器使用光電三極管3DU32作為感光元件，主要參數(shù)：最高工作電壓為50 V；暗電流≤0.15 μA；光電流≥2.0 mA；響應(yīng)時間 tr≤3 μs，tf≤4 μs；光譜范圍為 400～1100 nm；峰值波長為880 nm；最大功耗為100 mW。

光電三極管的輸出響應(yīng)特性，如圖 3所示。圖 3中光電三極管的輸出響應(yīng)特性總體上是非線性的：低照度時，靈敏度低，且靈敏度隨照度增大而增大（I區(qū)）；大照度時，輸出光電流隨入射照度增大而趨于飽和（Ⅲ區(qū)），靈敏度隨照度增大而變?。辉谥械日斩惹闆r下，輸出響應(yīng)表現(xiàn)為線性特性（Ⅱ區(qū)）[7]。由于一體化高可靠性傳感器應(yīng)用于檢測加注時推進(jìn)劑的液位狀態(tài)，因此本設(shè)計中光電三極管3DU32主要工作在低照度或大照度兩種狀態(tài)。

圖3 光電三極管的輸出響應(yīng)特性Fig.3 Output Response Characteristic of Photo Transistor

1.4.3 繼電器選擇

選擇固體繼電器作為輸出器件，在滿足印制電路板能置于狹小金屬殼體內(nèi)部的體積設(shè)計要求的同時，消除了產(chǎn)品固有的機(jī)械觸點，提高了產(chǎn)品的耐機(jī)械沖擊性能和電磁兼容性能，還具有良好的防潮防爆功能。

1.4.4 印制電路板設(shè)計

印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）是電子產(chǎn)品中電子元件的支撐件，它提供電子元件之間的電氣連接，是各種電子設(shè)備最基本的組成部分，它的性能直接關(guān)系到電子設(shè)備質(zhì)量的好壞[8]。由于設(shè)計中使用體積小的固體繼電器代替體積大的電磁繼電器，印制電路板的尺寸大大縮小，減少了受電磁干擾的電路面積。同時，采用雙面地線鋪銅的設(shè)計方法，有效地起到屏蔽、散熱的作用，提高了產(chǎn)品電磁兼容性能。

2 一體化高可靠性光電傳感器的研制

2.1 試驗項目

首先對首先對一體化高可靠性光電傳感器的內(nèi)、外漏進(jìn)行氣密性檢查，因為氣密性不合格可能導(dǎo)致外部介質(zhì)進(jìn)入棱鏡與光電器件之間的間隙，從而誤發(fā)推進(jìn)劑液位信號。光電傳感器上半部裝配完成后，不再組裝光電組件和插座等部件，用氣泡法檢查內(nèi)漏，用保壓法檢查外漏。從試驗工裝通氣口供一定壓力的清潔空氣，將光電傳感器下端口浸入無水乙醇中，各觀察5 min，無氣泡冒出及無壓降則為內(nèi)、外漏檢查合格。

氣密性檢查合格后，用白綢布擦凈光電傳感器，并用壓縮空氣吹干，裝配剩余部分，然后進(jìn)行基本電氣性能試驗。連接好220V交流電源、光電傳感器測試器和光電傳感器等，分別測試光電傳感器的氣相光電壓和液相光電壓，并記錄光電壓值和液位燈狀態(tài)等測試結(jié)果。測試完畢吹干光電傳感器。

基本電氣性能試驗合格后依次進(jìn)行電源適應(yīng)性試驗、高低溫試驗、常溫老煉試驗、環(huán)境應(yīng)力篩選試驗和電磁兼容比對試驗。根據(jù)GJB151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》和《光電傳感器電磁兼容試驗大綱》的要求，對一體化高可靠性光電傳感器和光電傳感器&光電變換器組合進(jìn)行電磁兼容比對試驗（包括CE102、CS112、CS115、CS116、CS101、CS106和CS114共7項）。

2.2 試驗結(jié)果及分析

a）基本電氣性能試驗結(jié)果如表1所示。由于篇幅所限，電源適應(yīng)性試驗、高低溫試驗、常溫老煉試驗和環(huán)境應(yīng)力篩選試驗的測試結(jié)果不一一列出。

表1 基本電氣性能試驗結(jié)果Tab.1 Electrical Performance Test Result

電氣性能試驗合格的標(biāo)準(zhǔn)是：置于空氣中時，光電壓應(yīng)大于11.22 V，液位燈滅；置于無水乙醇中時，光電壓應(yīng)小于1.0 V，液位燈亮。測試結(jié)果表明新研一體化高可靠性光電傳感器的基本性能指標(biāo)滿足產(chǎn)品設(shè)計要求。

b）電磁兼容比對試驗結(jié)果（試驗環(huán)境：溫度22 ℃；濕度32%RH）如表2所示。

表2 電磁兼容比對試驗結(jié)果Tab.2 EMC Comparison Test Result

一體化高可靠性光電傳感器通過全部電磁兼容試驗項目，而光電傳感器&光電變換器組合僅通過CE102項目測試，進(jìn)行到CS112、CS115和CS116測試項目時均發(fā)生了敏感，其他更為嚴(yán)酷的項目（CS101、CS106、CS114）沒有繼續(xù)測試。電磁兼容比對試驗結(jié)果驗證了一體化高可靠性光電傳感器相對于光電傳感器&光電變換器組合來說電磁兼容性能更優(yōu)良。

3 結(jié)束語

通過性能優(yōu)化和適應(yīng)性改進(jìn)，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上來說，一體化高可靠性光電傳感器的集成化設(shè)計簡化了靶場安裝調(diào)試工作；從產(chǎn)品性能上來說，它可以替代同類產(chǎn)品應(yīng)用于對可靠性和電磁兼容性要求更為嚴(yán)苛的運(yùn)載火箭常規(guī)推進(jìn)劑加注測控領(lǐng)域。