王雪平，王繼紅，林兆祥，邵軍宜

(1.中南民族大學(xué) 激光光譜實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430074;2.中國(guó)科學(xué)院 空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，北京100190)

0 引 言

激光雷達(dá)是一種先進(jìn)的大氣探測(cè)手段，近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注。國(guó)內(nèi)正在研制的眾多先進(jìn)激光雷達(dá)中，利用多普勒頻移原理構(gòu)建的高精度測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)因其對(duì)各部件性能的要求極為苛刻，目前尚未業(yè)務(wù)化運(yùn)行。1983 年，Shimizu 等人提出利用原子(分子)吸收線具有陡峭邊緣的特點(diǎn)做鑒頻器，實(shí)現(xiàn)大氣參數(shù)的測(cè)量，后來(lái)She 等人采用鋇原子濾波器開展了溫度剖面和消光系數(shù)測(cè)量研究。1996 年，中國(guó)海洋大學(xué)劉智深采用532 nm 激光器和碘分子濾波器進(jìn)行了風(fēng)剖面的探測(cè)。與鋇原子濾波器(工作在大約950 ℃)相比，碘分子濾波器工作溫度較低，更易于實(shí)現(xiàn)與控制，近年來(lái)，許多學(xué)者采用碘分子吸收線作為測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)鑒頻器件。根據(jù)經(jīng)典的吸收光譜理論，氣體分子吸收譜線的寬度和偏移與其環(huán)境的溫度和壓力密切相關(guān)。研究表明:采用碘分子吸收線作為鑒頻器件的測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)高精度高穩(wěn)定測(cè)量，碘分子吸收池的溫控精度通常需要達(dá)到0.01 ℃［1～2］。

在眾多溫度傳感器中，因集成溫度傳感器AD590 與Pt1000熱敏電阻器都具有測(cè)量精度高、測(cè)溫范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)和生活中得到廣泛的應(yīng)用［3～5］。為了滿足“子午工程”北京延慶激光雷達(dá)臺(tái)站高精度測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)改造的需求，本文根據(jù)這兩種傳感器的特點(diǎn)，開展了相關(guān)探溫電路設(shè)計(jì)和誤差分析研究，最終選取了一種適合高精度測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)鑒頻器的溫度測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了溫度范圍在25～45 ℃之間時(shí)，測(cè)量精度達(dá)到0.01 ℃的要求。

1 探溫電路分析比較

基于AD590 與Pt 1000 溫度測(cè)量系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)一樣，都主要包括信號(hào)獲取、差分放大、A/D 轉(zhuǎn)換等部分，對(duì)于大部分A/D 轉(zhuǎn)換器而言，其輸入電壓幅度為0～5 V，所以，首先將獲取到的信號(hào)經(jīng)過差分放大到合適的范圍，再通過A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

1.1 基于AD590 探溫電路

AD590 是單片集成兩端感溫電流源。在4～30 V 的電壓范圍內(nèi)，其輸出電流與絕對(duì)溫度成比例，比例系數(shù)為1 μA/K，0℃輸出電流為273μA，測(cè)溫范圍為－55～+150℃，且線性度好，精度高，抗干擾能力強(qiáng)［6］。

基于AD590 探溫電路如圖1 所示，電路可以細(xì)分為五部分:供電電路、信號(hào)獲取電路、電壓跟隨電路、差分放大電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路。10V 高穩(wěn)定高精度電壓源U1(VRE100CA)為AD590 和2.73 V 基準(zhǔn)電壓電路供電;AD590 與10 kΩ 的電阻器R 串聯(lián)，獲得與溫度呈線性相關(guān)的電壓信號(hào)B，溫度每變化1 ℃，電壓值變化10 mV［7］;通過線性變阻器RP2 分壓得到2.73 V 基準(zhǔn)電壓信號(hào)A，2.73 V基準(zhǔn)電壓信號(hào)相當(dāng)于AD590 在0 ℃時(shí)與電阻器R 串聯(lián)的電壓值273 μA×10 kΩ=2.73 V;放大器U2(AD8629)內(nèi)部有兩組放大器U2A 與U2B，其分別作為信號(hào)A 與B 的電壓跟隨器，將U2 出來(lái)的兩路信號(hào)接入到儀表放大器U3(AD621)的正負(fù)端，經(jīng)過差分放大10 倍(G=10)得到與溫度呈正比的電壓信號(hào)，如果溫度變化范圍為0～50 ℃，輸出電壓值變化范圍為0～5 V。A/D 轉(zhuǎn)換器U4(MAX7705)將差分放大后的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

圖1 基于AD590 溫度測(cè)量系統(tǒng)電路Fig 1 Temperature measurement system circuit based on AD590

1.2 基于Pt1000 探溫電路

Pt1000 熱敏電阻器是利用金屬Pt 的電阻值隨溫度變化而變化的物理特性而制成的熱敏元件，其在0 ℃時(shí)阻值為1 000 Ω，其溫度電阻特性是［8］

式中 Rt為t ℃時(shí)的電阻值，R0為0 ℃時(shí)的電阻值，TCR=0.003 851 時(shí)的系數(shù)值為:A=3.908 02×10－3℃－1，B =－5.802×10－7℃－2，C =－4.273 50×10－12℃－4。

基于Pt1000 的溫度測(cè)量電路如圖2 所示，也可以分為四部分:供電電路、信號(hào)獲取電路、差分放大電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路。2.5V 高穩(wěn)定高精度電壓源U1(VRE3025)為U2提供輸入電壓，同時(shí)為U4 提供參考電壓;用放大器U2A(AD8629)搭建恒流源電路為Pt 1000 提供2.5 V/10 kΩ=0.25 mA驅(qū)動(dòng)電流;用放大器U2B(AD8629)搭建2.75 V 基準(zhǔn)電壓電路，2.75 V 基準(zhǔn)電壓信號(hào)相當(dāng)于Pt 1000 在0 ℃時(shí)與恒流源串聯(lián)時(shí)的電壓值(1+10)kΩ×0.25 mV=2.75 V;將Pt1000 與恒流源串聯(lián)獲得的電壓信號(hào)與U2B 出來(lái)的信號(hào)接入到差分放大器U3(AD621)的正負(fù)端，經(jīng)過差分放大后10 倍(G=10)得到與溫度相關(guān)的電壓信號(hào)，如果溫度變化范圍為0～100 ℃，電壓值大約變化:0～1 V(0.25 mA×Rt)。A/D 轉(zhuǎn)換器U4(MAX7705)將差分放大后的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

圖2 基于Pt1000 溫度測(cè)量系統(tǒng)電路Fig 2 Temperature measurement system circuit based on Pt1000

1.3 探溫電路分析選取

為了保證探溫系統(tǒng)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，這兩種系統(tǒng)均選用目前市場(chǎng)上穩(wěn)定性較佳的電子元器件，其中，系統(tǒng)供電電源選用朝陽(yáng)工業(yè)級(jí)電源(±12 V，0.5A 和5 V，2.5A，電源精度為±0.1%，紋波系數(shù)小于1 mV);電阻器R，R1，R2，R3，RP2 均選用軍工級(jí)電阻器，其誤差為0.01%，溫漂系數(shù)為1×10－6/℃;U2 選用亞德諾公司的AD8629 芯片，其失調(diào)電壓為1 μV、溫度漂移為2 nV/℃，其對(duì)電路特性的影響小于0.000 1 ℃;U3 選用儀表放大器AD621，其非線性度小于10×10－6，溫度漂移為1×10－6/℃;U4 選用雙通道、16 位A/D 轉(zhuǎn)換芯片MAX7705，其非線性誤差小于0.003%;圖2 中U1 選用APEX 公司的高精度的基準(zhǔn)電壓源芯片VRE100CA，其精度為0.01%，溫度系數(shù)為1×10－6;圖3 中U1 選用APEX 公司的VRE3025 芯片，其精度為0.01%，最小溫度漂移系數(shù)為0.6×10－6/℃。根據(jù)上述元器件的性能指標(biāo)，分別對(duì)圖2 與圖3 電路進(jìn)行了誤差分析，計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)溫度范圍在25 ～45 ℃之間時(shí)，基于AD590 與Pt1000探溫電路理論上計(jì)算誤差分別為0.005，0.002 ℃;且AD590 外形相比Pt1000 較大，在所制作的碘分子恒溫槽裝置中安裝不方便。綜上比較，最終選取Pt 1000 做檢測(cè)器件制作了探溫電路。

2 軟件設(shè)計(jì)

本文采用Mini2440 開發(fā)板控制MAX7705，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。其中，CPU 處理器為S3C2440A，主頻400 MHz。其GPIO 接口CLKOUT0 與MAX7705 的CLKIN引腳相接，通過時(shí)鐘分頻為MAX7705 提供2.4576 MHz 時(shí)鐘信號(hào);12CSCL，12CSDA，NSS－SPI，SPICLK，SPIMISO，SPIMOS 引腳分別與MAX7705 的SCLK，DOUT，DIN 引腳相連，通過對(duì)MAX7705 寄存器讀寫操作實(shí)現(xiàn)CPU 與A/D 轉(zhuǎn)換器MAX7705 之間的通信，MAX7705 寄存器設(shè)置與讀數(shù)流程如圖3 所示。根據(jù)MAX7705 芯片特性，為其提供5 V 工作電壓和2.5 V 參考電壓。同時(shí)采用限幅平均濾波法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采集速率設(shè)置為10 SPS。

圖3 MAX7705 寄存器設(shè)置與讀數(shù)流程圖Fig 3 Flow chart of MAX7705 register setting and data read-out

3 檢測(cè)結(jié)果

為了檢驗(yàn)所制作的基于Pt 1000 的探溫系統(tǒng)的探測(cè)誤差，首先對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行了溫度定標(biāo)實(shí)驗(yàn)［9］。用控溫儀將碘分子恒溫槽溫度分別控制在11 個(gè)溫度點(diǎn)(根據(jù)“子午工程”北京延慶激光雷達(dá)臺(tái)站高精度測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)改造的需求:溫度控制在38.00 ℃左右，因此，本文僅對(duì)25～45 ℃之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行了溫度標(biāo)定和誤差分析)，待恒溫槽溫度穩(wěn)定后，對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行10 min 數(shù)據(jù)采集(采集速率為10 SPS)，取這6 000 次測(cè)量結(jié)果的平均值，整個(gè)測(cè)試都在溫度控制在(25±1)℃的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行?？販貎x測(cè)量結(jié)果與基于Pt1000 探溫系統(tǒng)輸出結(jié)果線性擬合得到溫度與電壓關(guān)系如圖4 所示。

圖4 溫度—電壓線性擬合曲線Fig 4 Linear fitting curve of temperature vs voltage

由圖4 可以看出:基于Pt1000 熱敏電阻器溫度測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)電壓值與實(shí)際溫度值有較好的線性關(guān)系，溫度—電壓線性擬合方程為:T =102.831 14VOUT+0.001 698。

恒溫槽測(cè)量誤差如圖5 所示，當(dāng)溫度范圍在25～45 ℃時(shí)，探溫系統(tǒng)的隨機(jī)誤差小于0.006 ℃，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性小于0.002 ℃，說明基于Pt1000 的探溫系統(tǒng)精度基本滿足要求，后續(xù)控溫電路可以在此測(cè)量基礎(chǔ)上繼續(xù)設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度溫控，為基于碘分子鑒頻器的激光雷達(dá)系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定的溫度環(huán)境。

4 結(jié) 論

圖5 溫度誤差曲線Fig 5 Temperature error curve

對(duì)基于AD590 和Pt1000 的測(cè)溫電路進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和誤差分析，并構(gòu)建了一種適合高精度測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)鑒頻器的溫度測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用APEX 公司的高精度穩(wěn)壓芯片為測(cè)溫電路提供基準(zhǔn)電壓，從源頭上提高了系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性;Pt1000 采用三線制接法，有效消除了導(dǎo)線電阻與自熱效應(yīng)的影響［10］;在信號(hào)處理部分，選用差分方式減去在0 ℃時(shí)的基準(zhǔn)信號(hào)，降低了對(duì)A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)要求;其恒流源與A/D 轉(zhuǎn)換器共用參考基準(zhǔn)，有效消除了參考基準(zhǔn)不穩(wěn)定產(chǎn)生的誤差;并在程序中采用限幅平均濾波法，有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾，并對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用。對(duì)于該系統(tǒng)的定標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:測(cè)量精度達(dá)到0.01 ℃，對(duì)為后續(xù)溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

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