高精度紅外輻射源溫控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

李侍林，王瑩瑩，杜世凱，馮隆興，宋春輝

(1.北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100041;2.北京振興計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100074;3.中國(guó)人民解放軍93735部隊(duì)，天津 301700)

0 引言

隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，在軍事領(lǐng)域覆蓋精確制導(dǎo)、偵察探測(cè)、目標(biāo)預(yù)警等，這些系統(tǒng)是利用可見(jiàn)光、紅外等波段對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)實(shí)施探測(cè)、捕獲與瞄準(zhǔn)跟蹤的光電一體化設(shè)備，其性能優(yōu)劣決定了系統(tǒng)的總體戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)。當(dāng)前，對(duì)于光電設(shè)備尤其是對(duì)紅外成像設(shè)備進(jìn)行性能評(píng)估與測(cè)試的要求越來(lái)越高，測(cè)試需求覆蓋光學(xué)設(shè)備生產(chǎn)單位的制造、試驗(yàn)，和用戶單位的驗(yàn)收與維護(hù)。對(duì)于紅外成像測(cè)試設(shè)備來(lái)說(shuō)，紅外輻射源的作用尤為重要，輻射源相當(dāng)于紅外成像設(shè)備的溯源標(biāo)準(zhǔn)，所以紅外輻射源的精度直接決定紅外成像探測(cè)設(shè)備的精度水平。當(dāng)前，高精度紅外輻射源的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主要由國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品占據(jù)，這些進(jìn)口產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)包括溫度采集的分辨率可達(dá)0.001 ℃，輻射均勻性在0.05 ℃范圍內(nèi)，調(diào)溫速率滿足在8 min以內(nèi)達(dá)到溫度提升5 ℃并能夠保持穩(wěn)定，這些指標(biāo)在一般的紅外成像測(cè)試設(shè)備應(yīng)用中能夠滿足使用需要。與水平較高的進(jìn)口產(chǎn)品相比，國(guó)內(nèi)研制與生產(chǎn)的紅外輻射源在性能指標(biāo)上仍處于劣勢(shì)，因此本文在紅外輻射源的實(shí)際應(yīng)用與特性指標(biāo)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種溫度控制硬件系統(tǒng)，能夠有效提高現(xiàn)有紅外輻射源的溫度控制精度，進(jìn)而提高紅外成像測(cè)試設(shè)備的精度水平。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

本文介紹的紅外溫度控制系統(tǒng)針對(duì)的是基于帕爾貼效應(yīng)的紅外輻射源，這種紅外輻射源主要依靠器件的帕爾貼效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)輻射源的升溫與降溫效果。溫度控制系統(tǒng)工作原理如圖1所示，系統(tǒng)為測(cè)溫傳感器提供恒定電流輸入來(lái)保障傳感器的高精度要求，電路通過(guò)溫度傳感器中熱敏電阻阻值的變化進(jìn)行分壓，將采集的溫度變化體現(xiàn)到電信號(hào)電壓幅值的升降上來(lái)；再對(duì)電信號(hào)進(jìn)行濾波與放大處理，用以去除信號(hào)中的高頻干擾噪聲和工頻干擾噪聲并將有效信號(hào)放大提高信噪比；控制芯片電路根據(jù)溫度信號(hào)的幅值解算出溫度信息與系統(tǒng)設(shè)定的目標(biāo)溫度通過(guò)作差的方式進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行負(fù)向的反饋調(diào)節(jié)，得出兩路輸出信號(hào)，分別為加熱信號(hào)和制冷信號(hào)；加熱信號(hào)和制冷信號(hào)需要通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路才能實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射源的溫度控制，該驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)兩路輸入信號(hào)的幅值將開(kāi)關(guān)電源輸出電壓進(jìn)行比例放大，通過(guò)電源輸出控制紅外輻射溫度。溫度控制電路在升溫信號(hào)與降溫信號(hào)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)將溫度控制在設(shè)定的目標(biāo)溫度范圍內(nèi)。

圖1 紅外輻射源溫控系統(tǒng)工作原理

2 溫度控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

紅外輻射源溫度控制系統(tǒng)的硬件電路為降低分布參數(shù)的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能減少使用分立器件。從功能角度劃分，溫控電路主要包括恒流源電路、信號(hào)濾波與放大電路和輻射源驅(qū)動(dòng)電路。

2.1 高穩(wěn)定恒流源驅(qū)動(dòng)

輻射源的輻射出射度遵循斯蒂芬波爾茲曼定律，即輻射出射度與輻射源溫度的4次方成正比，可以看出輻射源溫度的微小變化也會(huì)對(duì)其輻射出射度產(chǎn)生較大影響，因此在紅外成像測(cè)試設(shè)備中應(yīng)用紅外輻射源的關(guān)鍵在于對(duì)輻射源溫度的精確控制。

常見(jiàn)的利用恒壓源測(cè)電阻—單臂電橋電路時(shí)，參考電壓與標(biāo)準(zhǔn)電阻的誤差均不能被忽略，他們將直接影響到測(cè)量值。另外，不平衡電橋的非線性特性也會(huì)給最終的溫度測(cè)量帶來(lái)了很大的誤差。因此設(shè)計(jì)的高精度測(cè)溫電路需采用恒流源驅(qū)動(dòng)。

采用恒流源測(cè)電阻時(shí)能夠利用串聯(lián)電路中電流一致的原理，能夠有效地解決鉑電阻以及不平衡電橋存在的非線性誤差，提升溫度測(cè)量值的準(zhǔn)確性。常見(jiàn)的恒流源包括晶體管恒流源、三端穩(wěn)壓芯片恒流源和集成運(yùn)放恒流源。晶體管與三端穩(wěn)壓芯片恒流源的溫漂較大，不適用于對(duì)穩(wěn)定性有很高要求的使用場(chǎng)合。通過(guò)集成運(yùn)放搭建的恒流源主要利用運(yùn)算放大器的虛短、虛斷原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)使用時(shí)需要考慮電路的驅(qū)動(dòng)能力，當(dāng)需要輸出的電流較大時(shí)，運(yùn)放的選擇與電路搭建尤為關(guān)鍵，搭建的集成運(yùn)放恒流源如圖2所示。

圖2 恒流源驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

U1與T1，U2與T2組成兩組標(biāo)準(zhǔn)恒流源電路，這樣可以消除輸入電壓的漂移從而減少電路的恒流漂移。電路中U2能夠?yàn)門2的發(fā)射級(jí)提供穩(wěn)定的電壓，因此發(fā)射極電壓保持不變，不受負(fù)載變化的影響處在理想的工作狀態(tài)。

為保證晶體管電流穩(wěn)定，輸出晶體管需要選取輸出電阻較大的晶體管，輸出電阻越大越能降低負(fù)載變化對(duì)恒流的影響；輸入級(jí)需要提供高精度恒壓源，本電路選用精度高、功耗低、噪聲低的基準(zhǔn)電壓源ADR4550，其最大初始誤差為±0.02%，溫漂系數(shù)為2 ppm/K，具有良好的溫度穩(wěn)定性和較低的輸出噪聲。

2.2 放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

針對(duì)放大與濾波電路的設(shè)計(jì)分別從兩方面進(jìn)行考慮：

1)控溫電路最小可分辨能力與控溫準(zhǔn)確度相比要高過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。按照系統(tǒng)要求控溫準(zhǔn)確度為0.01 ℃，因此電路的溫度分辨率至少為0.001 ℃。當(dāng)PT100溫度變化1 ℃時(shí)，熱敏電阻的阻值大約變化0.39 Ω，因此本電路對(duì)電壓的分辨能力最少為0.39 μV。

2)通常高精度ADC的模數(shù)轉(zhuǎn)化量程為5 V，為保證溫控系統(tǒng)的通用性，在0～600 ℃溫度范圍內(nèi)PT100的電阻阻值變化范圍為119.40～280.98 Ω，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后相應(yīng)的輸出電壓值變化范圍為0.119 40～0.280 98 V，需要將較小幅值的電壓信號(hào)通過(guò)運(yùn)算放大器組成的運(yùn)算放大電路進(jìn)行放大處理，按PT100兩端輸出電壓與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換量程上限的關(guān)系進(jìn)行估算，放大倍數(shù)約為5 V/0.280 98 V≈18。

針對(duì)采集信號(hào)的特點(diǎn)與數(shù)據(jù)采集電路的要求，需要使用精密儀表專用放大器電路對(duì)溫控電路恒流源驅(qū)動(dòng)的PT100進(jìn)行前置放大，為保證較好的共模抑制比電路放大器選用ADA4522芯片，其電路如圖3所示。

圖3 放大、濾波電路圖

2.3 溫控系統(tǒng)硬件電路測(cè)溫準(zhǔn)確度驗(yàn)證

將溫度控制系統(tǒng)硬件電路中測(cè)溫功能部分電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室計(jì)量檢定，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，每間隔10 ℃選取一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，在5～80 ℃內(nèi)進(jìn)行取樣，根據(jù)溫度傳感器PT100分度表，將精密電阻箱阻值設(shè)置為校準(zhǔn)溫度所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電阻值，通過(guò)線纜連接在測(cè)溫電路上，觀察并記錄測(cè)溫電路采集并顯示的溫度值，測(cè)量溫度值與設(shè)定溫度值的差值即為誤差，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1可知，在5～80 ℃的溫度內(nèi)，測(cè)溫電路的采樣值誤差均在0.03 ℃以內(nèi)。

表1 測(cè)溫準(zhǔn)確度測(cè)量數(shù)據(jù)

3 電壓驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

紅外輻射源的溫度變化取決于對(duì)其半導(dǎo)體器件所施加的工作電壓的幅值大小及電壓方向，通過(guò)電壓方向的變換實(shí)現(xiàn)紅外輻射源的加熱與制冷的變換，實(shí)現(xiàn)溫度控制的效果。紅外輻射源可達(dá)到的溫度變化范圍為5～80 ℃，這就需要驅(qū)動(dòng)器件提供較大的驅(qū)動(dòng)功率。恒流驅(qū)動(dòng)方式較難實(shí)現(xiàn)電流方向切換，且電源效率低、發(fā)熱現(xiàn)象嚴(yán)重，因此本電路設(shè)計(jì)采取一種半導(dǎo)體電壓驅(qū)動(dòng)方式。電壓驅(qū)動(dòng)電路將輸入電壓范圍為0～10 V的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成占空比為0%～100%的PWM信號(hào)進(jìn)行輸出，轉(zhuǎn)換得到的PWM信號(hào)通過(guò)BTN8962TA芯片進(jìn)行功率放大，經(jīng)放大后的信號(hào)輸出電流可達(dá)20 A，能承受的最大輸入電源電壓為35 V，具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。BTN8962TA芯片對(duì)電路的兩路輸入信號(hào)均進(jìn)行功率放大提高驅(qū)動(dòng)能力，放大后的輸出電壓直接并聯(lián)在紅外輻射源的兩端，由此實(shí)現(xiàn)改變電流方向的效果。

由于溫度控制系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)電源的直流輸出電壓為BTN8962TA芯片提供電源供電，基于帕爾貼效應(yīng)的紅外輻射源在常溫下交流電組極小，約為0.1 Ω，因此上電瞬間會(huì)存在較大的輸入浪涌電流，長(zhǎng)期受浪涌電流影響會(huì)降低芯片的可靠性。為避免浪涌電流的影響本電路在輸入端增加一個(gè)可復(fù)位的保險(xiǎn)絲，保險(xiǎn)絲內(nèi)阻7.5 Ω可有效抗擊浪涌電流的沖擊；為防止漏電流的影響，電路再通過(guò)瞬態(tài)抑制二極管的正向?qū)?、反向擊穿特性起到雙重保護(hù)的作用。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將設(shè)計(jì)的溫度控制硬件電路與輻射源和相應(yīng)軟件控制算法搭配進(jìn)行紅外輻射源溫度控制驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，本文將與模糊PID控制算法相結(jié)合，對(duì)輻射源進(jìn)行溫度控制并對(duì)其進(jìn)行性能參數(shù)的測(cè)試。使用的輻射源主要由輻射板、半導(dǎo)體帕爾貼器件、散熱片、四線制PT100溫度傳感器等部分組成。

4.1 升溫并穩(wěn)定時(shí)間測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，將被測(cè)紅外輻射源初始溫度設(shè)置為5 ℃，待其溫度達(dá)到穩(wěn)定后，設(shè)置紅外輻射源溫度為10 ℃并同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，待溫度達(dá)到10 ℃且穩(wěn)定在浮動(dòng)范圍在0.02 ℃以內(nèi)時(shí)停止計(jì)時(shí)，此時(shí)時(shí)間T1s即為升溫并穩(wěn)定時(shí)間[6]，在5～80 ℃的溫度范圍內(nèi)以每隔5 ℃為間隔選取測(cè)試溫度點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 升溫并穩(wěn)定時(shí)間實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，每升高5 ℃并穩(wěn)定時(shí)間在8 min以內(nèi)。

4.2 溫場(chǎng)精確度測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，首先記錄環(huán)境溫度，并將紅外輻射源溫度分別設(shè)定為5 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃共9個(gè)溫度點(diǎn)，逐個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)紅外輻射源實(shí)測(cè)溫度是否在設(shè)定的溫度范圍±0.02 ℃內(nèi)變化。然后將紅外熱像儀的光學(xué)系統(tǒng)調(diào)至無(wú)窮遠(yuǎn)的狀態(tài)，對(duì)紅外輻射源80%有效輻射面積內(nèi)3×3個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行均勻掃描，記錄紅外熱像儀的各組測(cè)量值。依據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，計(jì)算出各測(cè)量點(diǎn)溫度值與平均值的最大差值即為溫度精度最終測(cè)試結(jié)果，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在5～80 ℃的溫度范圍內(nèi)紅外輻射源溫度精度為(0.05+0.02|Δt|) ℃(Δt為環(huán)境溫度與設(shè)定溫度之差)。

表3 溫場(chǎng)精確度實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)紅外成像測(cè)試設(shè)備的校準(zhǔn)需求，設(shè)計(jì)一種溫控系統(tǒng)的硬件電路，通過(guò)計(jì)量校準(zhǔn)可知該溫控系統(tǒng)采樣精度可達(dá)0.03 ℃，與紅外輻射源配套使用，對(duì)紅外輻射源的主要性能指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，升溫5 ℃并穩(wěn)定時(shí)間≤8 min，均勻性為(0.05+0.02|Δt|) ℃(Δt為環(huán)境溫度與設(shè)定溫度之差)，性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。