應(yīng)用于激光閃光法測(cè)量熱擴(kuò)散率裝置的微弱信號(hào)放大調(diào)理技術(shù)研究

金振濤，蔡靜，楊新圓，周楊

（航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095）

0 引言

由Parker和Jenkins等人［1］提出的閃光法熱擴(kuò)散率測(cè)量方式具有重要意義，在該方法基礎(chǔ)上發(fā)展并完善的激光脈沖法極大地?cái)U(kuò)展了材料熱擴(kuò)散率測(cè)量實(shí)驗(yàn)中的測(cè)試溫度范圍及可測(cè)試材料種類(lèi)。航空工業(yè)304所在高超音速飛行器熱障材料熱擴(kuò)散率標(biāo)準(zhǔn)裝置研制項(xiàng)目中，應(yīng)用非接觸式紅外測(cè)溫法對(duì)材料溫度變化和時(shí)間關(guān)系進(jìn)行了測(cè)量，提升了測(cè)溫范圍和測(cè)量時(shí)間的準(zhǔn)確性［2-3］。

非接觸式紅外測(cè)溫法測(cè)量熱障材料溫度變化時(shí)，使用單次激光脈沖信號(hào)給予樣品激勵(lì)，并采用光電探測(cè)器接收溫度變化信號(hào)［4-8］。在此過(guò)程中，樣品溫升小，溫度變化速度快，光電探測(cè)器輸出的信號(hào)微弱，頻率響應(yīng)快，且易受到干擾。為了得到可靠的信號(hào)，開(kāi)展微弱信號(hào)放大調(diào)理電路設(shè)計(jì)研究，使其能夠測(cè)量毫安、微安，甚至納安級(jí)快速變化的電流信號(hào)，為熱擴(kuò)散率的準(zhǔn)確測(cè)量提供重要技術(shù)支撐［9-11］。

1 樣品溫升信號(hào)紅外測(cè)溫原理

脈沖激光器發(fā)出的激光分為兩路：一路用于加熱樣品使樣品產(chǎn)生溫升，另一路用于產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。使用的標(biāo)準(zhǔn)樣品尺寸直徑為10 mm，熱量輻射面積為78.5 mm2。針對(duì)不同材料、不同厚度的樣品，可通過(guò)適當(dāng)調(diào)整激光脈沖能量來(lái)控制溫度升高幅度。樣品的輻射力M根據(jù)普朗克公式計(jì)算，即

式中：c1為3.7418×10-16W·m；c2為1.4388×10-2m·K；λ為波長(zhǎng)，m；T為樣品的熱力學(xué)溫度，K。

假設(shè)樣品的表面積為s＝78.5 mm2，而樣品的發(fā)射率為ε，Q為被試樣表面吸收的激光脈沖的輻照能量（J／m2），則樣品的輻射功率為

探測(cè)器接收的能量為

式中：К為探測(cè)器鏡頭有效接收面積比率；η1為真空窗口透過(guò)率；η2為鏡頭透鏡透過(guò)率。

由此可以計(jì)算出不同溫度下的發(fā)射功率及探測(cè)器接收功率，進(jìn)而可以得到探測(cè)器輸出信號(hào)值［12-13］。采用S-025型硅探測(cè)器作為觸發(fā)信號(hào)接收源，采用FHIS-020型InSb型探測(cè)器作為溫升信號(hào)接收源。在脈沖激光激勵(lì)下，樣品接收到的激光脈沖能量為0～20 J，樣品的溫度段為室溫至2000 K，樣品輻射功率范圍為3.89～2.94×105W，結(jié)合探測(cè)器的參數(shù)和式（3），計(jì)算得到探測(cè)器接收能量功率為2×10-6～2.35×10-2W，再根據(jù)探測(cè)器的分辨力優(yōu)于2×10-10W，計(jì)算得出探測(cè)器的信號(hào)接收和輸出參數(shù)，設(shè)計(jì)信號(hào)放大器放大倍數(shù)范圍為102～106，響應(yīng)頻率大于10 kHz。

2 信號(hào)放大調(diào)理電路設(shè)計(jì)

利用標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器測(cè)量溫度，并利用電測(cè)儀表進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。光伏型探測(cè)器輸出電流信號(hào)，一般應(yīng)用互阻放大電路對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大［14-15］，其原理如圖1所示。針對(duì)熱擴(kuò)散率測(cè)量過(guò)程中光伏型探測(cè)器輸出信號(hào)微弱的問(wèn)題，需設(shè)計(jì)高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定性且具有一定帶寬的微弱信號(hào)放大器，因此還需要深入分析各項(xiàng)參數(shù)。

圖1 互阻放大器原理

2.1 放大器噪聲分析及元器件選擇

根據(jù)直流誤差分析，在低溫階段，光能量較小，所以需要更大的反饋電阻；在高溫階段，光能量較大，故應(yīng)選擇小一些的反饋電阻。反相偏置電流與光電二極管電流直接相加，由此得到折合到輸入端（RTI）的誤差I(lǐng)i。此電流流經(jīng)反饋電阻，由此產(chǎn)生到輸出端（RTO）的誤差為

式中：Rf為反饋電阻。

光電二極管接口電路中，放大器失調(diào)電壓Vos是主要的誤差源之一，Vos引起的輸出端（RTO）誤差為

式中：Rs為探測(cè)器等效內(nèi)阻。

由式（4）和式（5）可知，放大器偏置電流引起的噪聲誤差的大小主要由偏置電流和反饋電阻的乘積決定，放大器偏置電壓引起的噪聲大小為反饋電阻和內(nèi)阻之比與偏置電壓的乘積。

如果簡(jiǎn)單應(yīng)用原理圖進(jìn)行放大會(huì)造成不穩(wěn)定性問(wèn)題，而且運(yùn)放輸入端的電容越大，運(yùn)放越是趨于不穩(wěn)定。因?yàn)楣怆娞綔y(cè)器等效電容很大，如果沒(méi)有反饋電容，電路的輸出會(huì)很不穩(wěn)定，容易發(fā)生振鈴現(xiàn)象。保證光電探測(cè)器電路穩(wěn)定性的關(guān)鍵是增加反饋電容Cf，在反饋系數(shù)中增加一個(gè)零點(diǎn)。反饋電容的大小由光電探測(cè)器、反饋電阻和頻率共同決定。

式中：Cj為探測(cè)器等效結(jié)電容；f為信號(hào)頻率。

在頻率較低時(shí)，電阻變化產(chǎn)生的噪聲增益NG1由反饋電阻與分流電阻（探測(cè)器內(nèi)阻）之比決定。

探測(cè)器輸出的電流信號(hào)為10 mA至100 nA，單靠一個(gè)放大倍數(shù)是無(wú)法覆蓋整個(gè)量程的。因此將整個(gè)電流信號(hào)放大范圍分為三個(gè)量程：量程1為nA級(jí)，使用反饋電阻1 MΩ；量程2為μA級(jí)，使用反饋電阻1 kΩ；量程3為mA級(jí)，使用反饋電阻100Ω。為了保證放大輸出的準(zhǔn)確性，降低噪聲的干擾，電路選擇使用表面貼封裝的Panasonic系列電阻，分別為：準(zhǔn)確度0.05%、溫漂為10×10-6的100Ω精密電阻，反饋電容選擇33 pF；準(zhǔn)確度為0.1%、溫漂為25×10-6的1 kΩ精密電阻，反饋電容選擇10 pF；準(zhǔn)確度為0.1%、溫漂為50×10-6的1 MΩ精密電阻，反饋電容選擇1 pF。上述選擇方式全面覆蓋了探測(cè)器的輸出信號(hào)范圍，準(zhǔn)確度和溫漂帶來(lái)的噪聲影響幾乎可以忽略

當(dāng)頻率較高時(shí)，電容變化引起的噪聲增益NG2由探測(cè)器等效結(jié)電容和反饋電容之比決定。不計(jì)，且?guī)捘軌蜻_(dá)到最大，滿足頻率大于10 kHz的要求。

2.2 量程切換及電路設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，各量程之間需要自動(dòng)切換，一般情況下是使用DSP控制多路模擬開(kāi)關(guān)或利用繼電器切換不同的反饋電阻，但是這些方法會(huì)引起多種誤差，造成電路不穩(wěn)定甚至錯(cuò)誤，例如模擬開(kāi)關(guān)會(huì)產(chǎn)生和溫度相關(guān)的增益誤差，漏電流會(huì)引起失調(diào)誤差。為了避免上述問(wèn)題，本設(shè)計(jì)應(yīng)用了開(kāi)爾文開(kāi)關(guān)技術(shù)，方法是在各增益選擇環(huán)路中引入兩個(gè)開(kāi)關(guān)，一個(gè)用于將跨阻／運(yùn)放輸出連接到反饋網(wǎng)絡(luò)，另一個(gè)用于將反饋網(wǎng)絡(luò)輸出連接到下游元件，其工作原理如圖2所示。

圖2 開(kāi)爾文開(kāi)關(guān)選擇增益

則有

式中：Vout為第一放大器輸出；Ip為光電探測(cè)器輸出電流；Rsw為開(kāi)關(guān)電阻；V1為節(jié)點(diǎn)中心節(jié)點(diǎn)電壓。

將式（9）代入式（10）可得

通過(guò)公式推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)，雖然這種方法需要使用的開(kāi)關(guān)數(shù)量加倍，但中心節(jié)點(diǎn)的電壓不再與開(kāi)關(guān)相關(guān)，而是取決于通過(guò)所選電阻的電流。開(kāi)關(guān)（SW1和SW2）之間僅有很小的輸出阻抗，如果放大器驅(qū)動(dòng)高阻抗負(fù)載，則其誤差貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)，能達(dá)到很好的放大效果。電流信號(hào)在被反饋電路放大之后，經(jīng)過(guò)低通濾波減少了高頻噪聲，再應(yīng)用電壓跟隨器隔離放大器和數(shù)采部分，有效提高了AD采集的驅(qū)動(dòng)能力。

2.3 輸入保護(hù)

輸入微弱電流信號(hào)很容易受到來(lái)自電路板上的漏電流和電磁干擾。為了防止輸入信號(hào)受到干擾，在輸入端子和輸入走線外圍用保護(hù)環(huán)將其保護(hù)起來(lái)，達(dá)到防止漏電流干擾的目的。輸入保護(hù)示意圖如圖3所示，其中，A點(diǎn)是探測(cè)器電流輸入端，在整個(gè)電流輸入的回路中，用0.8 mm寬的裸露的銅皮將輸入端及走線包圍起來(lái)，裸露的銅線和地相連，這種設(shè)計(jì)工藝能將電路板上的漏電流隔離，避免信號(hào)干擾。

圖3 輸入保護(hù)示意圖

選用的放大芯片具有很低的偏置電流，以及較高的電源抑制比。但由于是微弱信號(hào)放大，為了防止電源噪聲串?dāng)_到電路中，尤其抑制開(kāi)關(guān)電源的噪聲，使用了低壓差穩(wěn)壓器（LDO）芯片ADP7118和ADP7182，可以有效衰減供電電源中的開(kāi)關(guān)雜散，令雜散降低至-120 dB的噪聲水平。同時(shí)在LDO穩(wěn)壓芯片附件中進(jìn)行了濾波處理，使用鐵氧磁珠隔離高頻電磁干擾信號(hào)。電源模塊使用了HUIZHONG的18～36 V寬范圍輸入，±6 V輸出，波紋在5%以內(nèi)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 電路試驗(yàn)驗(yàn)證

首先使用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源對(duì)微弱信號(hào)放大電路準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，使用KEITHLEY6221分別提供標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)100 nA，500 nA，1μA，100μA和1 mA，對(duì)100 nA，500 nA和1μA放大106倍，而100μA和1 mA則分別放大103和102倍，使用Agilent2901A數(shù)表對(duì)其進(jìn)行了4 h的連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示

放大106倍，輸入為0 nA時(shí)，放大電路的輸出為0.3 mV，經(jīng)0輸入補(bǔ)償后，在同一放大倍數(shù)下，100 nA，500 nA和1μA的放大倍數(shù)相對(duì)誤差在0.3‰以內(nèi)，證明該放大電路具有很高的準(zhǔn)確性。

將1μA放大106倍，監(jiān)測(cè)放大電壓值隨時(shí)間的變化，如圖4所示。在4 h的測(cè)試中，波動(dòng)為0.1‰，證明該放大電路穩(wěn)定性非常好。

表1 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)測(cè)試不同放大倍數(shù)

圖4 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)放大效果

在半年時(shí)間內(nèi)，設(shè)置放大倍數(shù)為106，在500 nA時(shí)，對(duì)放大電路效果進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)量，數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)測(cè)量結(jié)果可以看出該信號(hào)放大調(diào)理電路具有較小的波動(dòng)性，短期重復(fù)性好，長(zhǎng)期穩(wěn)定性能佳，能夠滿足微小信號(hào)放大調(diào)理要求。

表2 長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)量數(shù)據(jù)

3.2 熱擴(kuò)散率試驗(yàn)驗(yàn)證

將模擬放大電路安裝在激光閃光法測(cè)量熱擴(kuò)散率裝置中，測(cè)試樣品為不銹鋼，直徑為10 mm，厚度為1.1 mm，在600℃時(shí)，給予樣品脈沖信號(hào)激勵(lì)，測(cè)量得到的溫度擴(kuò)散和時(shí)間關(guān)系如圖5所示

圖5 溫升信號(hào)和時(shí)間的關(guān)系測(cè)量圖

計(jì)算得到應(yīng)用本文研制的微弱信號(hào)放大調(diào)理電路后，激光閃光法熱擴(kuò)散率測(cè)量裝置所測(cè)得的樣品不銹鋼熱擴(kuò)散率為0.0495×10-4m2／s，與PTB參考數(shù)據(jù)0.04996×10-4m2／s比較，偏差在0.9%內(nèi)。

4 結(jié)論

針對(duì)激光閃光法熱擴(kuò)散率測(cè)量裝置中光伏型探測(cè)器及其輸出信號(hào)的特點(diǎn)，研制微弱信號(hào)放大調(diào)理電路，使其能夠測(cè)量毫安、微安，甚至納安級(jí)的微弱電流信號(hào)。利用開(kāi)爾文開(kāi)關(guān)技術(shù)，避免了普通切換開(kāi)關(guān)由于導(dǎo)通電阻帶來(lái)影響的問(wèn)題；對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波并轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，減小了共模信號(hào)的干擾；采用輸入保護(hù)環(huán)技術(shù)，增強(qiáng)了電路的抗干擾能力。該放大調(diào)理電路能夠根據(jù)不同的探測(cè)器調(diào)整輸入?yún)?shù)，減少由于探測(cè)器內(nèi)部參數(shù)不同而帶來(lái)的非線性影響，同時(shí)能夠根據(jù)探測(cè)器輸出信號(hào)切換不同的放大倍數(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本文研制的微弱信號(hào)放大調(diào)理電路具有較好的重復(fù)性、較小的波動(dòng)度和較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，為激光閃光法熱擴(kuò)散率測(cè)量裝置的研制起到了重要技術(shù)支撐作用。