吳紅霞 張 博 江 峰 孫紅勝 隋左寧 張玉國(guó)楊旺林 宋春暉

（1.北京振興計(jì)量測(cè)試研究所,北京 100074；2.火箭軍駐159廠軍代表室，北京 100074）

1引言

黑體輻射源被廣泛地應(yīng)用于紅外技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，常用于紅外載荷的定標(biāo)，已經(jīng)成為不可缺少的標(biāo)準(zhǔn)輻射源［1］。黑體的溫度控制穩(wěn)定性和溫度均勻性是定標(biāo)黑體能否滿足定標(biāo)需求的關(guān)鍵，它會(huì)直接影響載荷的實(shí)際工作性能、成像質(zhì)量。本文根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求，研究微型面源黑體的溫度控制系統(tǒng)。

2 微型黑體組成

針對(duì)具體被控對(duì)象，選擇合理的加熱與制冷方法，才能進(jìn)一步設(shè)計(jì)出工作性能良好的溫度控制系統(tǒng)。根據(jù)微型黑體實(shí)際溫度范圍0℃～50℃、溫度穩(wěn)定性等設(shè)計(jì)要求，比較不同方式的最低溫度、降溫速率、穩(wěn)定時(shí)間以及各自的結(jié)構(gòu)、操作繁雜性等，同時(shí)為了滿足體積、重量要求，微型定標(biāo)黑體輻射源采用半導(dǎo)體制冷器（TEC）作為加熱制冷器件。半導(dǎo)體制冷器是利用半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)制成的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需制冷工質(zhì)，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，通過(guò)改變電流方向即可實(shí)現(xiàn)制冷或加熱，易于控制制冷或者加熱功率的輸出，可以滿足本系統(tǒng)的要求［2］。

微型面源黑體由黑體組件及溫度控制系統(tǒng)組成，其中黑體組件包括輻射板、接觸面導(dǎo)熱層、半導(dǎo)體制冷器、散熱器、熱控導(dǎo)熱模塊、連接線纜及附件等。溫度控制系統(tǒng)對(duì)黑體組件的溫度進(jìn)行控制，如圖1所示。

側(cè)面散熱器與安裝接口板形成總體框架，絕熱框可放入總體安裝框架內(nèi)。輻射板側(cè)面有安裝孔，傳感器置于該安裝孔內(nèi)，需要保證傳感器與輻射板的完善耦合，以保證溫度測(cè)量精度和穩(wěn)定性。利用防震密封膠將傳感器的導(dǎo)線固定，確保電氣連接牢固可靠。輻射板位于絕熱框內(nèi)，為了保證發(fā)射率，輻射板表面經(jīng)過(guò)噴沙處理后噴涂高發(fā)射率黑漆。通電加熱后，黑體輻射面溫度升高，在載荷工作波段內(nèi)產(chǎn)生符合要求的紅外輻射，作為載荷輻射定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)輻射源。在輻射板背面依次敷設(shè)導(dǎo)熱片、半導(dǎo)體制冷器、導(dǎo)熱片。最后是頂部散熱器和熱控導(dǎo)熱模塊。

輻射板作為微型定標(biāo)黑體的輻射面，產(chǎn)生一定輻射量值的紅外輻射，作為載荷的標(biāo)準(zhǔn)輻射源；半導(dǎo)體制冷器實(shí)現(xiàn)輻射板的制冷或加熱功能；四周加裝散熱器，確保系統(tǒng)散熱效率滿足要求；溫度控制系統(tǒng)及通信模塊通過(guò)連接線纜及附件與相應(yīng)部件連接。

3 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 溫度控制系統(tǒng)原理

溫控系統(tǒng)以鉑電阻作為溫度敏感元件，通過(guò)基于恒流源的測(cè)溫電路測(cè)量黑體當(dāng)前溫度，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后傳入單片機(jī)。通過(guò)單片機(jī)設(shè)定黑體溫度，設(shè)定值與通過(guò)溫度傳感器測(cè)得的黑體當(dāng)前溫度值作差，經(jīng)過(guò)差分放大器后傳入溫度控制器。由于半導(dǎo)體制冷器既能加熱，又可制冷，通過(guò)改變電流的方向和大小，可以控制加熱或制冷功率。因此通過(guò)半導(dǎo)體制冷器溫度控制器調(diào)節(jié)PWM輸出，控制半導(dǎo)體制冷器的電流方向和大小，從而對(duì)微型黑體輻射源加熱或者制冷、實(shí)現(xiàn)快速升降溫。系統(tǒng)的控制原理圖如圖2所示。

3.2 溫度測(cè)試電路

本方案選用四線制PT100測(cè)量黑體輻射源的溫度［3］。PT100鉑電阻嵌入到黑體輻射板的傳感器安裝孔，經(jīng)過(guò)恒流源驅(qū)動(dòng)后，可以獲取鉑電阻兩端的電壓值，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)黑體溫度。

溫度測(cè)量電路如圖3所示，將電壓值傳給微控制器前，需經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的采集。本方案采用14位ADC芯片AD7865對(duì)PT100進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并與單片機(jī)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸。AD7865為十四位并行高速A/D轉(zhuǎn)換芯片，四路同步采樣輸入，四個(gè)跟隨/保持放大器，單電源工作，寬輸入范圍，低功耗和輸入過(guò)壓保護(hù)等功能，通過(guò)編程可以設(shè)置一或最高至四通道的A/D轉(zhuǎn)換，A/D工作時(shí)鐘可以配置為內(nèi)部或外部。

3.3 微處理器

本文采用的中央處理控制器是ATmega128。它是基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器，具有128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，具有在寫(xiě)的過(guò)程中還可以讀的能力，4K字節(jié)的E2PROM、4K字節(jié)的SRAM、53個(gè)通用I/O口線、32個(gè)通用工作寄存器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC、4個(gè)靈活的具有比較模式和PWM功能的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、兩個(gè)USART、面向字節(jié)的兩線接口TWI、8通道10位ADC。

ATmega128單片機(jī)有兩個(gè)全雙工的串行通訊口，所以單片機(jī)和電腦之間可以方便地進(jìn)行串口通訊。本方案采用RS422串口。LTC1690驅(qū)動(dòng)或接收RS422串口數(shù)據(jù)，5V供電，具有自動(dòng)防故障功能，確保當(dāng)無(wú)輸入、輸入短接或因?yàn)闊o(wú)信號(hào)終止時(shí)，接收輸出端為高，且不需附加器件。驅(qū)動(dòng)的輸出端和接收的輸入端均支持全雙工，如圖4所示。

采用LTC1658將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，比較放大器由兩級(jí)構(gòu)成，第1級(jí)采用零漂移的儀器放大器LTC2053。第2級(jí)是LTC1923內(nèi)置的誤差放大器EA。LTC1923內(nèi)部主控制回路包括1個(gè)誤差放大器、1個(gè)PWM比較器和2套互補(bǔ)輸出驅(qū)動(dòng)。誤差放大器的正相輸入是前一級(jí)運(yùn)放的輸出，在其反相輸入FB和輸出端EAOUT之間接一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，可以對(duì)回路的控制速度和穩(wěn)定性進(jìn)行補(bǔ)償。誤差放大器的輸出與LTC1923內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的三角波的大小關(guān)系控制著PWM比較器輸出的占空比［4］。誤差放大器的輸出同時(shí)被TEC電壓鉗位電路控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)逐個(gè)脈沖限流的功能。

3.4 TEC控制器

采用專用開(kāi)關(guān)模式溫控芯片LTC1923實(shí)現(xiàn)對(duì)TEC的控制。LTC1923提供了一系列的保護(hù)和監(jiān)測(cè)功能。如：用一個(gè)電流感應(yīng)電阻取樣TEC的電流，若所得電壓值大于以下三個(gè)電壓值SS引腳上電壓的1.5倍、ILIM引腳上電壓的1.5倍或1.5V中的最小值，則滿足限流條件，立即關(guān)斷所有外部MOSFET。

驅(qū)動(dòng)電路的4路互補(bǔ)輸出驅(qū)動(dòng)一個(gè)全橋開(kāi)關(guān)電路，為TEC提供雙向電流。電橋驅(qū)動(dòng)電路采用TND315S。全橋電路選用互補(bǔ)N/P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管FDS6675，F(xiàn)DS4488。它提供了導(dǎo)通電阻和門極電容之間較好的折中，有利于減少開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗。

4 微型黑體系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果及測(cè)量不確定度評(píng)定

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

在常溫常壓下使用紅外熱像儀對(duì)微型面源黑體的溫度特性進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)試實(shí)際工作溫度范圍、升降溫時(shí)間、溫度穩(wěn)定性以及均勻性［5］。在黑體輻射面內(nèi)均等分取九個(gè)測(cè)試點(diǎn)，求取九個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，則最大值與平均值的差即為黑體均勻性［6］。黑體測(cè)溫位置選取如圖5所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明微型面源黑體在設(shè)置溫度0℃～50℃范圍內(nèi)工作正常；當(dāng)黑體由當(dāng)前溫度升高5℃時(shí)，所需時(shí)間小于1.5min，當(dāng)黑體由當(dāng)前溫度降低5℃時(shí)，所需時(shí)間小于2min。分別設(shè)置黑體溫度為10℃、20℃、30℃、40℃、50℃，其溫度穩(wěn)定性均優(yōu)于0.02℃/h，溫度均勻性均優(yōu)于0.09℃。

4.2 測(cè)量不確定度評(píng)定

4.2.1 各輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評(píng)定

紅外熱像儀測(cè)溫準(zhǔn)確度引入的不確定度評(píng)定：紅外熱像儀測(cè)溫準(zhǔn)確度引入的不確定度引用紅外熱像儀計(jì)量證書(shū)中擴(kuò)展不確定度評(píng)定U=0.22℃（k=2），即u1=0.11℃。溫度測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度u2的評(píng)定，取各溫度點(diǎn)測(cè)量重復(fù)性最大不確定度為該項(xiàng)不確定度：u2=0.05℃。均勻性測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度u3的評(píng)定，取各溫度點(diǎn)均勻性測(cè)量重復(fù)性最大不確定度為該項(xiàng)不確定度：u3=0.03℃。

4.2.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度及擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

各輸入量估計(jì)值可認(rèn)為彼此不相關(guān)，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度公式：

則溫度穩(wěn)定性的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

溫度均勻性的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

溫度穩(wěn)定性的擴(kuò)展不確定度為：

溫度均勻性的擴(kuò)展不確定度為：

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)輻射面積為15mm×15mm的微型面源黑體設(shè)計(jì)了溫控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用四線制鉑電阻采集黑體輻射源的實(shí)時(shí)溫度，通過(guò)TEC專用控制芯片LTC1923實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM輸出的控制，從而使得TEC加熱或制冷，達(dá)到控制微型黑體輻射源溫度的目的。試驗(yàn)結(jié)果表明，黑體輻射源的工作溫度范圍、溫度穩(wěn)定性、溫度均勻性、升降溫時(shí)間均滿足實(shí)際項(xiàng)目需求。

［1］ 徐恒，韓義中，楊永軍.黑體輻射源的發(fā)展［J］.計(jì)測(cè)技術(shù)，2009，29（5）：1～3.

［2］ 曹海源.小型高精度紅外黑體輻射源的設(shè)計(jì)［J］.電光與控制，2013，20（12）.

［3］ 于勝云.紅外輻射源標(biāo)溫控及性能測(cè)試方法［J］.紅外與激光工程，2011，40（2）.

［4］ 李俊濤.基于H橋驅(qū)動(dòng)電路的半導(dǎo)體制冷片恒溫控制系統(tǒng)［J］.北華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010（10）.

［5］ 戴映紅，吳劍鋒，張亞洲，等.大口徑低溫黑體標(biāo)定裝置研制［J］.宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2012，32（5）：49～52.

［6］ 戴景民.多光譜輻射測(cè)溫理論與應(yīng)用［M］.北京：高等教育出版社，2002，4.