高速多光譜輻射測溫系統(tǒng)研制

田澤禮，牛春暉，陳青山

(北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192)

引 言

快速溫度場的精確測量在軍事、工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用越來越廣泛[1]。其中激光損傷、炸藥轟爆、激光加工等具體領(lǐng)域?qū)焖僮兓瘻囟葓龅木珳?zhǔn)測量提出了新的要求[2-3]。

溫度測量方法可分為接觸式測溫法和非接觸式測溫法[4]。接觸式測溫法存在測量時(shí)間長、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、破壞溫度平衡等問題不適合用于復(fù)雜條件下快速變化溫度場的測量[5]。非接觸測溫法通過溫度場輻射能量逆向推導(dǎo)物體的溫度分布，具有測量速度快、測溫范圍大和不會(huì)破壞被測物體自身溫度場的優(yōu)點(diǎn)[6]。根據(jù)測溫原理，非接觸式測溫法又可分為比色測溫法，單色測溫法和多光譜測溫法3種方法[7-8]。多光譜測溫法不需輔助設(shè)備和附加信息，對(duì)被測對(duì)象無特殊要求，因而特別適合于高溫目標(biāo)的溫度及材料發(fā)射率的同時(shí)測量，所以多光譜測溫法應(yīng)用最為廣泛[9]。

傳統(tǒng)的多光譜非接觸測溫系統(tǒng)主要利用衍射光柵、色散棱鏡進(jìn)行分光，需要增加大量的光學(xué)器件進(jìn)行光路調(diào)整和校準(zhǔn)，因此體積和成本都會(huì)增加。光譜信號(hào)采集主要利用陣列光電傳感器[10-11]，而陣列光電傳感器尤其是能夠進(jìn)行高速信號(hào)采集的陣列光電傳感器價(jià)格非常昂貴,另外配套的電路和可編程門陣列(field-programmable gate array，F(xiàn)PGA)設(shè)計(jì)也會(huì)大大提高成本和系統(tǒng)的復(fù)雜度[12-13]，并且受陣列光電傳感器數(shù)據(jù)傳輸和處理速度限制，系統(tǒng)的響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到納秒級(jí)別[14-16]。因此，為了滿足高速溫度測量，需要設(shè)計(jì)基于分光結(jié)構(gòu)和高速響應(yīng)硬件電路的多光譜輻射測溫系統(tǒng)。

本文作者設(shè)計(jì)研制了一套低成本高速多光譜輻射測溫系統(tǒng)。其中，分光裝置采用分束光纖和窄帶濾光片結(jié)合進(jìn)行光譜分解。利用基于光電二極管的高速光電探測技術(shù)和FPGA高速并行數(shù)據(jù)采集處理硬件系統(tǒng)進(jìn)行高速光譜數(shù)據(jù)采集與傳輸。最終研制出一套低成本、小體積、高速非接觸式溫度測量系統(tǒng)。

1 多光譜測溫原理

普朗克于1900年提出黑體輻射定律，揭示了不同溫度下的熱力學(xué)溫度T、波長λ和黑體輻射出射度Mλ,T的關(guān)系[18],可表示為下式：

Mλ,T=C1λ-5{exp[C2/(λT)]-1}-1

(1)

式中,C1是第一普朗克常數(shù)，C1=3.7418×104W·μm4/cm2;C2是第二普朗克常數(shù)，C2=1.4388×104μm·K。

假設(shè)測溫儀器有n個(gè)光譜通道，每個(gè)光譜通道進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后的電壓值記為Vi，則有第i個(gè)通道輸出電壓值Vi的表達(dá)式如下：

(2)

式中,Aλi為檢定常量，只與光譜通道有關(guān);ε(λi,T)為高溫目標(biāo)的發(fā)射率[19]。

將其中的exp[C2/(λiT)]-1等效為exp[C2/(λiT)]，則經(jīng)變換,(2)式改寫為:

(3)

將假定的發(fā)射率m階模型代入(3)式中可得:

amλim+a0,(i=1,2…,n;m≤n-2)

經(jīng)過長時(shí)間的使用后，往復(fù)式真空泵氣閥中的彈簧性能就會(huì)逐漸下降，從而會(huì)發(fā)生漏氣、閉合不嚴(yán)等現(xiàn)象，增加其自身的溫度。結(jié)合實(shí)際情況能夠發(fā)現(xiàn)，通常為氣閥所配備的彈簧件質(zhì)量不佳，而氣閥超溫基本上集中在中間位置，而該位置處沒有冷卻水，所以溫度就會(huì)居高不下，加之彈簧不具有耐高溫的性能，因此，影響整個(gè)氣閥的實(shí)際運(yùn)行。

(4)

Yi=a0+a1X1,i+…+am+1Xm+1,i

(5)

因?yàn)闇y量n個(gè)光譜通道，所以會(huì)獲得n個(gè)方程。利用求解方程式的辦法即可求得目標(biāo)的真實(shí)溫度和光譜發(fā)射率。

2 多光譜測溫系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由光學(xué)模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊及人機(jī)界面4個(gè)部分組成。多光譜測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。高溫源產(chǎn)生熱輻射，熱輻射經(jīng)由分光模塊進(jìn)行光譜分解，產(chǎn)生多路特定波長光信號(hào)。光電轉(zhuǎn)換模塊中的感光元件負(fù)責(zé)將各通道光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。電流信號(hào)經(jīng)由流壓轉(zhuǎn)換電路變成易于處理的電壓信號(hào)。因?yàn)榱鲏恨D(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)非常微弱，所以需要進(jìn)行多級(jí)放大和濾波。FPGA負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，同時(shí)對(duì)數(shù)字量進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)利用測溫算法反推真實(shí)溫度,它將溫度變化曲線和各通道光強(qiáng)進(jìn)行顯示和保存。高速多光譜輻射測溫系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示。圖中，UART表示通用異步收發(fā)傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter),AD表示模數(shù)(analog-digital)。

Fig.1 Structure diagram of multi-spectral temperature measurement system

Fig.2 Physical image of multi-spectral temperature measurement system

2.1 光學(xué)模塊設(shè)計(jì)

圖3所示的光學(xué)模塊主要由光學(xué)調(diào)理裝置和光學(xué)分光裝置組成。光學(xué)調(diào)理裝置采用反射鏡組和準(zhǔn)直透鏡進(jìn)行光路的調(diào)整和熱輻射光信號(hào)收集，最終使更多目標(biāo)輻射光信號(hào)收集到光學(xué)分光裝置中。另外,光學(xué)調(diào)整裝置通過指示光源產(chǎn)生的光斑調(diào)整反射鏡組，對(duì)不同的測溫點(diǎn)進(jìn)行精確定位。

Fig.3 Light path diagram of multi-spectral temperature measurement system

光學(xué)分光裝置是由分束光纖和窄帶濾光片構(gòu)成。分束光纖采用上海聞奕光電科技有限公司生產(chǎn)的一分七分束光纖。窄帶濾光片使用的是大恒光電GCC-2020可見光和近紅外干涉濾光片系列。

如圖3所示，光束經(jīng)過分束光纖分成7路光束。7路光束包含的能量均勻分布在各個(gè)通道,其中6路為測量通道，熱輻射經(jīng)過測量通道傳輸?shù)秸瓗V光片進(jìn)行濾光，窄帶濾光片只允許中心波長±10nm的光通過，最終得到多路特定波段光信號(hào)。剩余1路為校準(zhǔn)通道，在分束光纖尾端接入指示光源，產(chǎn)生指示光斑來對(duì)測溫點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)定位。

6路測量通道通帶中心波長分別為532nm,680nm,780nm,850nm,980nm和1550nm。本系統(tǒng)測量范圍涵蓋500nm～1600nm，能夠更好地還原輻射曲線，降低測溫誤差。由維恩位移定律可知,當(dāng)絕對(duì)黑體的溫度升高時(shí)，輻射最大值向短波方向移動(dòng)，故不同溫度測量范圍，熱輻射的強(qiáng)度在某些波段并不顯著。根據(jù)測量溫度范圍選取其中輻射強(qiáng)度較大的4個(gè)通道進(jìn)行光譜信號(hào)采集，以此來提高測溫精度。

2.2 光電轉(zhuǎn)換模塊與數(shù)據(jù)采集處理模塊設(shè)計(jì)

光電轉(zhuǎn)換模塊主要負(fù)責(zé)將分解后的光譜信號(hào)轉(zhuǎn)換為多路電壓信號(hào)。數(shù)據(jù)采集處理模塊利用FPGA驅(qū)動(dòng)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采集多路電壓信號(hào)，并對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量進(jìn)行處理和緩存。為了提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，對(duì)光電轉(zhuǎn)換模塊與數(shù)據(jù)采集處理模塊進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，詳細(xì)內(nèi)容見第3節(jié)。

2.3 基于LabVIEW的人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面使用 LabVIEW 平臺(tái)搭建，主要利用UART進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理、曲線顯示和數(shù)據(jù)保存等功能。實(shí)際人機(jī)界面如圖4所示，最上方為溫度實(shí)時(shí)顯示窗口，左下角為數(shù)據(jù)傳輸信息顯示窗口，右下角為各通道光強(qiáng)顯示窗口。

Fig.4 Interactive interface

3 高速微弱光信號(hào)采集處理模塊設(shè)計(jì)

3.1 高速光電轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

因?yàn)殡娮釉骷盘?hào)處理速度存在上限，所以光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的難點(diǎn)。高速多光譜輻射測溫技術(shù)要求光電轉(zhuǎn)換模塊不僅能夠?qū)ζぐ布?jí)電流信號(hào)進(jìn)行檢測，同時(shí)能夠響應(yīng)納秒級(jí)快速變換光信號(hào)，這就要求光電轉(zhuǎn)換模塊能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行109倍放大并具有不小于20MHz的帶寬。

在放大電路中，當(dāng)運(yùn)放增益過大時(shí)，不僅會(huì)將外部的噪聲引入，還會(huì)降低電路的響應(yīng)速度，因此在器件選型、整體電路設(shè)計(jì)和印制電路板(printed circuit board，PCB)繪制時(shí)需要注意很多細(xì)節(jié)。高速微弱光信號(hào)檢測電路框圖如圖5所示。主要由感光元件、流壓轉(zhuǎn)換電路、多級(jí)放大電路、濾波電路、電源管理模塊和電磁屏蔽殼組成。

Fig.5 Block diagram of weak current signal detection circuit

3.1.1 感光元件 感光元件在可見光波段采用敏光科技生產(chǎn)的硅光電二極管LSSPD-0.5，在近紅外波段使用銦鎵砷光電二極管LSIPD-A75。這兩種光電二極管混合使用能夠覆蓋400nm～1700nm波長，并具有1GHz以上的帶寬，滿足高帶寬、高增益、寬范圍的使用要求。

3.1.2 高速光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 光電轉(zhuǎn)換裝置最核心電路為流壓轉(zhuǎn)換電路。該電路具有3fA偏置電流，極低的噪聲，在保證足夠大的增益前提下仍然具有20MHz以上的帶寬。

放大器選型采用專門為高速跨阻電路進(jìn)行優(yōu)化的LTC6268-10。此運(yùn)放輸入電容僅為0.45pF，偏置電流低至3fA，增益帶寬積高達(dá)4000MHz[20]。選用此運(yùn)放，能夠提高系統(tǒng)的整體分辨率和準(zhǔn)確性。整體裝置電阻元件均采用金膜電阻，目的是減少信號(hào)在傳輸過程中的損失。

放大器單位增益帶寬積為 4GHz，輸入電容Cs近似為11pF，反饋電容Cf最小取值為0.094pF。LTC6268-10增益穩(wěn)定去補(bǔ)償運(yùn)算放大器要求Cs/Cf≥10。為了滿足要求，最終反饋電容值為100fF。此電路反饋電阻100kΩ時(shí)最大傳輸信號(hào)帶寬為24.06MHz，大于系統(tǒng)要求的20MHz帶寬，滿足系統(tǒng)需求[21]。

多級(jí)放大電路由兩級(jí)放大電路組成。濾波電路采用Π形RC低通濾波器，截止頻率為50MHz。電源模塊使用超低噪聲的線性穩(wěn)壓器TPS7A4901和TPS7A3001來進(jìn)行整體電路的供電，以此來減小整體的噪聲，提高信噪比。

3.1.3 電路防護(hù)措施 因?yàn)楸灸K采集的是微弱高速光信號(hào)，所以要在信號(hào)傳輸和信號(hào)隔離上進(jìn)行必要的防護(hù)措施。為了減少信號(hào)損耗，光電二極管緊靠運(yùn)放輸入端，利用帶屏蔽保護(hù)層的同軸線纜進(jìn)行信號(hào)傳輸。在微弱光電流輸入信號(hào)線附近添加電流屏蔽環(huán)進(jìn)行外部信號(hào)屏蔽。另外在反饋電阻中間引入地線，將電場與地相連，使其直接被分流至地。在PCB制板時(shí)采用4層板設(shè)計(jì)，利用內(nèi)部接地層對(duì)信號(hào)層的微弱信號(hào)進(jìn)行保護(hù)。為了防止外部信號(hào)對(duì)本裝置產(chǎn)生干擾，添加內(nèi)外金屬屏蔽罩。最終實(shí)物圖如圖6所示。

Fig.6 Photoelectric conversion module physical map

3.2 基于FPGA的高速并行數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保證同一時(shí)刻對(duì)多個(gè)通道進(jìn)行高速光信號(hào)采集處理和大容量數(shù)據(jù)緩存，利用FPGA和高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理。其中高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用AD9238，F(xiàn)PGA選用XILINX 公司的 XC6SLX16-2FTG256C芯片，能夠滿足高速和高帶寬數(shù)據(jù)采集處理要求。此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)并行4個(gè)通道模擬量高速采集，采樣速率高達(dá)65Ms/sample，采樣精度為12bit。

FPGA并行數(shù)據(jù)采集與處理模塊同時(shí)驅(qū)動(dòng)4路AD以20Ms/sample速率進(jìn)行模擬量采集，實(shí)時(shí)將4路12bit的數(shù)據(jù)組成一個(gè)48bit的數(shù)據(jù)經(jīng)過異步先入先出隊(duì)列(first input first output，F(xiàn)IFO)存儲(chǔ)在同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存(synchronous dynamic random-access memory，SDRAM)中，這樣能夠保證一個(gè)48bit數(shù)據(jù)即為同一時(shí)刻的不同波段光譜信號(hào)。隨后經(jīng)由串口將處理后的數(shù)字量回發(fā)到上位機(jī)進(jìn)行溫度解算。整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

Fig.7 Data acquisition and processing module structure diagram

4 實(shí) 驗(yàn)

4.1 標(biāo)準(zhǔn)輻射源標(biāo)定

本裝置標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中采用標(biāo)準(zhǔn)高溫輻射源進(jìn)行標(biāo)定。首先將標(biāo)準(zhǔn)高溫輻射源加熱至1000℃，當(dāng)溫度保持恒定時(shí),記錄各個(gè)波段的光電探頭的電壓值，重復(fù)3次,取各個(gè)電壓的平均值記錄下來,并將這組電壓值寫入到算法的標(biāo)定系數(shù)中。各通道對(duì)應(yīng)的光電探頭電壓值如表1所示。

Table1 Photoelectric probe voltage value

4.2 系統(tǒng)測溫實(shí)驗(yàn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，選用發(fā)射率不確定的馬弗爐作為采集目標(biāo)。馬弗爐的觀察窗中軸線上添加一塊反射鏡，用來反射輻射光信號(hào)，從而達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。整體實(shí)驗(yàn)示意如圖8所示。

Fig.8 Schematic diagram of the experiment

本次實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)直鏡頭距離馬弗爐的距離固定為50cm，接收位置為馬弗爐中心軸線。加熱馬弗爐至特定溫度，關(guān)閉電源停止加熱，這樣做的目的是為了防止馬弗爐內(nèi)部的加熱硅鉬棒本身熱輻射信號(hào)對(duì)馬弗爐內(nèi)熱輻射信號(hào)造成干擾。1min～2min待硅鉬棒降溫到與馬弗爐內(nèi)部溫度一致后,通過本文中研制的高速多光譜輻射測溫系統(tǒng)對(duì)馬弗爐內(nèi)部溫度進(jìn)行測量。馬弗爐內(nèi)置熱電偶可以對(duì)馬弗爐內(nèi)溫度進(jìn)行接觸式精密測溫，以熱電偶測的溫度作為馬弗爐內(nèi)真實(shí)溫度。設(shè)定馬弗爐為不同溫度進(jìn)行多光譜輻射測溫實(shí)驗(yàn)，真實(shí)溫度和測得溫度的誤差如表2所示。

Table 2 Measured temperature and true temperature

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)不同溫度的測量結(jié)果誤差都在±1%以內(nèi)。

4.3 系統(tǒng)響應(yīng)速度測試實(shí)驗(yàn)

光學(xué)模塊分光裝置是由分束光纖(一分七)和濾光片組成。光信號(hào)在此器件中以光速進(jìn)行傳播，所以在光學(xué)分光裝置中響應(yīng)時(shí)間基本可以忽略，反而在光電轉(zhuǎn)換模塊中，感光元件和放大器這些電學(xué)元器件存在信號(hào)傳輸帶寬限制。

對(duì)于熱輻射信號(hào)的采集和處理，本質(zhì)上來說就是對(duì)高速變化的光信號(hào)進(jìn)行采集和處理。受限于實(shí)驗(yàn)室條件, 沒有納秒級(jí)溫度變化的高溫輻射源，故實(shí)驗(yàn)中采用20MHz正弦波調(diào)制敏光科技高速紅外激光管LSDLD155，產(chǎn)生一個(gè)調(diào)制光信號(hào)模擬高速變化溫度場的輻射信號(hào)。利用研制的高速微弱光信號(hào)采集處理模塊對(duì)調(diào)制光信號(hào)進(jìn)行采集，并接入示波器，示波器輸出結(jié)果如圖9所示。結(jié)果表明，微弱光信號(hào)采集處理模塊能夠響應(yīng)帶寬20MHz的正弦波調(diào)制光信號(hào)，上升時(shí)間為14.4ns，證明本系統(tǒng)能夠?qū)︻l率20MHz的快速變化光信號(hào)進(jìn)行采集。

Fig.9 Bandwidth test result diagram

5 結(jié) 論

介紹了高速多光譜輻射測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)并研制了分光模塊和高速微弱光信號(hào)采集處理模塊，利用 LabVIEW平臺(tái)搭建了上位機(jī)。在保證低成本的前提下，給出了一個(gè)高速、高精度的多光譜輻射測溫解決方案。實(shí)驗(yàn)效果表明，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)溫度進(jìn)行測量、采集和儲(chǔ)存，且測溫誤差在±1%以內(nèi)，并能夠采集 20MHz瞬時(shí)變換光信號(hào)。本系統(tǒng)為非接觸測溫提供了新的低成本解決方案，適用于在軍工、工業(yè)、航天等多種快速高溫測量領(lǐng)域。