基于FPGA的惡劣環境下瞬態高溫存儲測試系統

顧 強， 靳 鴻

（中北大學電子測試技術重點實驗室， 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室， 山西太原 030051）

0 引言

瞬態高溫的精確測量在冶金、航空、航天、化學等領域中具有十分廣泛的應用，目前主要有非接觸式的輻射測溫和接觸式的熱電偶測溫兩種方式。與傳統的熱電偶溫度計和輻射式溫度計相比，光纖高溫傳感器不僅提高了接觸法測溫的測量上限，延長了使用壽命，而且避免了輻射式測溫的較大誤差，提高了測量精度和抗電磁干擾能力。基于FPGA的存儲測試系統也解決了測溫上限不足，響應時間長，數據傳輸不穩定，儀器安裝不方便等問題。在導彈前框、飛機、火箭噴氣發動機燃氣測試中，測試對象為高速、高溫氣流，當傳感器探頭垂直插入其中進行測量時，要承受高速燃氣的沖擊，由于作用時間很短，溫度高，難以用傳統的熱電偶來進行測量。本系統用Plank黑體輻射定律的藍寶石黑體腔光纖傳感器與FPGA控制的測試電路構成的存儲測試系統解決了瞬態高溫測試普遍存在的一些缺陷。

1 系統電路

整個高溫存儲測試系統由黑體腔藍寶石光纖傳感器，信號調理電路，A/D轉換電路，靜態存儲器，FPGA邏輯、控制電路，以及電源管理模塊組成。整個電路板塊、傳感器和高溫電池一起灌封在高強度耐高溫的殼體當中，組成了能在惡劣環境下測試瞬態高溫的系統。藍寶石光線傳感器將采集到的溫度信號，經過其內部的光電轉換元件轉變為電信號，通過信號調理電路經行放大、濾波處理，進入A/D轉換電路中，再經過由FPGA控制的靜態儲存器，將轉換后的數據存儲。最后經過接口電路將數據讀出，通過計算機分析和處理數據。整個系統結構如圖1所示。

圖1 瞬態高溫存儲測試系統原理圖

1.1 黑體腔藍寶石光纖傳感器

采用適當的磁控濺射法和等離子熱噴涂法鍍制鉭、鉬或碳化鎢薄膜在藍寶石單晶光纖的一端用涂覆高發射率、耐高溫、不透光的感溫介質薄層，在鉭（或鉬、碳化鎢）膜基礎上鍍制耐高溫的氧化鋁或者氧化鋯陶瓷保護膜以形成黑體腔[3]，如圖2所示，黑體腔的熔點高（一般在3000℃以上），能承受高溫燒蝕的惡劣環境，并與光纖基體（藍寶石）有良好的附著力；高溫下的導熱系數、發射率等物化性能穩定，且抗氧化性好。

圖2 黑體腔鍍膜結構

感溫黑體腔與被測物接觸時，由于光纖熱容量小，黑體腔膜層很薄，導熱率較高，故感溫黑體腔與熱源很快達到熱平衡，若黑體腔的軸向長度足夠小，可認為此時黑體腔是一等溫腔。黑體腔所產生的熱輻射通過腔內藍寶石光纖時產生吸收、發射和散射現象。散射現象主要由光纖質量引起，選用高質量的藍寶石光纖可以忽略散射損耗。在很寬的溫度范圍內，藍寶石光纖的吸收系數為10-3～10-4cm，光纖芯徑值有數百微米，因此光纖表面對反射和發射的光吸收很小，這樣黑體腔內表面的熱輻射相當于空腔的熱輻射，其吸收系數很小，故藍寶石光纖自身的輻射可忽略不計[4]，由古費(Gouffe)理論可推得等溫黑體腔漫反射空腔腔孔的有效發射率的表達0.25式為：

式中ε為感溫腔體材料的發射率，g=D/L，D為溫腔的直徑，L為圓柱的高。式（1）表明黑體腔孔的有效發射率與D和L相關。當ε＞0.5，L/D＞10時，E0非常接近于l，并且穩定，此時傳感頭接近理想黑體， 數值變化極小，即認為黑體腔具有穩定的熱輻射特性。這樣感溫腔可被看作黑體腔。黑體探頭的最佳長度在L/D＝10左右。如圖3所示。

圖3 黑體腔藍寶石光纖傳感器

藍寶石晶體的折射率 n＝1.75，近似認為熱輻射在光纖中是沿軸向的一維方向上的傳輸[4]。選用直徑為600μm左右的藍寶石光纖，光纖黑體腔的長度大于7mm。藍寶石光纖溫度傳感器通過直接探測黑體腔本身的熱輻射來測量物體的溫度，具有很高的測溫靈敏度和精度。

黑體探頭的響應時間僅與膜層厚度有關，且隨著的減小而減小。要提高瞬態表面超高溫傳感器的響應速率，就盡量減小膜層厚度[5]。

光纖傳感器具有成本低、測溫上限高的優點。在傳感器光電轉換模塊中，應用了一種新型的固態光電倍增管作為光電轉換元件，其具有低噪聲，快速響應，體積小，避免電磁干擾，低工作電壓等特性，而且能與光纖直接耦合，減少了傳輸損耗，簡化了傳感器的設計[6]，適用于惡劣環境下瞬態超高溫的測量。

1.2 存儲測試電路

在測試中，鑒于微體積、微功耗要求，限制了電路功耗以及存儲容量。設計在有效觸發信號到來之后使電路進入高速采集狀態，其余狀態電路均處于低功耗狀態。設計的關鍵問題在于如何確保采集數據的完整性，經過研究試驗設計出由FPGA控制的普通靜態存儲器組成的自制“FIFO”式負延遲單元以解決這一問題，同時也避免了專用“FIFO”器件的功耗及成本問題。實現系統主要邏輯功能以及提供各種控制信號。FPGA可以實現多種采樣邏輯可編程選擇，同時具備數字觸發功能，可實現多種觸發電平任意選擇。同時采用流動性較好的灌封材料對組裝好的測試儀電路進行灌封，使其固化成模塊，提高電路模塊整體的抗高沖擊的性能。

1.2.1 FPGA芯片

該硬件平臺采用Altera公司的Cyclone II系列的FPGA芯片EP2C5T144I8，該芯片具有4608個邏輯單元，26塊M4K RAM塊，13個嵌入式乘法器，2個鎖相環，用戶I/O引腳數目為89，完全能夠滿足設計對邏輯功能的要求，并且有一定余量，便于以后功能擴展。

1.2.2 AD轉換器和存儲器

AD轉換器選用是AD公司推出的12位高速、低功耗、逐次逼近式AD轉換器AD7492。它可在2.7～5.25V的電壓下工作，其數據通過率高達1MSPS。它內含一個低噪聲、寬頻帶的跟蹤/保持放大器，能處理高達10MHz的寬頻信號[7]。

存儲器存選用NanoAmp公司的N08L163WC2A，容量為512Kx16 bit。

AD轉換器和存儲器連接原理圖如圖4所示。

圖4 AD與存儲器連接原理圖

1.2.3 電路工作過程

在本測試系統設計中采用了均勻采樣策略，整個測試系統的工作過程是這樣的：首先接通電源并對電路進行復位，使電路處于復位態，此時電路中的數字電源VDD（供給電路芯片）為通電狀態，模擬電源VEE處于斷電狀態，系統中只有芯片的控制模塊工作；然后對電路編程設定合適的工作參數，整個系統處在低功耗的狀態；對電路上電（物理開關作用Pon），使電路進入等待觸發態，此時數字電源VDD和模擬電源VEE均處于通電狀態，芯片的AD轉換模塊和存儲模塊開始工作，系統開始采樣，地址循環加一計數，但此時對采樣點數進行計數的負延遲計數器未開始計數，所采集到的數據在靜態存儲器SRAM中不斷地擦除；待觸發信號到來后，系統進入單環境采樣態，此時系統按編程設定的采樣策略進行采樣，負延遲計數器也開始計數，地址同步推進，數據存儲在靜態存儲器SRAM中，當負延遲計數器記錄完畢后，電路進入等待讀出狀態，此時負延遲計數器停止計數，地址停止推進，電路中模擬電源VEE處于斷電狀態；在讀出數據狀態，地址同步推進，直到讀完數據[5]，所采集的數據通過自制的“FIFO”式負延遲單元實現了負延時的功能。采用均勻采樣策略的狀態圖如圖5所示。

圖5 測試系統采用均勻采樣策略的狀態轉換圖

2 實驗測試與結果

在自然光環境中，日光燈下采樣結果如圖6所示。

該測試實驗表明，黑體腔鍍層依然存在一定程度的透光，存在很強的光照時會有漏光，依然有存在部分信號，所以在結果中有稍微的誤差存在，均值 22.8mV。

圖6 自然光環境中日光燈下采樣

在暗室實驗中，加熱溫度大概在800°C左右，其采樣結果如圖7所示。

圖7 暗室微加熱測試

在快速加熱的測試當時的溫度大約接近1800°C左右，測試下響應速度，結果如圖8所示。

圖8 快速加熱測試

黑體腔陶瓷材料的加熱時響應速度較快，達到電壓恒定值時，需要時間1.675s左右；而散熱卻相對較慢，第一次加熱后恢復到大約0電壓，用時將近3s。通過上面的試驗和對結果的分析說明了系統在惡劣環境下瞬態高溫測試的可行性。

3 總結

在整個基于FPGA的惡劣環境瞬態高溫存儲測試系統中，考慮到測試環境的問題，要求整個測試電路要有低功耗、微體積、抗電磁干擾利于數據傳輸等特點，設計中我們討論了黑體腔藍寶石光纖的制作方法和結構設計，使傳感器有很好的靈敏度和精度，并且應用了FPGA控制的普通靜態存儲器組成的自制“FIFO”式負延遲單元，同時也解決了專用“FIFO”器件的功耗及成本問題。將傳感器與電路一起灌封在特制的殼體，應用黑體腔藍寶石光纖傳感器采集前端溫度，能測試到2000℃左右的溫度，并且解決了傳統測溫響應時間慢、溫度上限不足的問題。

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