一種提高空間遙感相機(jī)寬溫度場(chǎng)測(cè)溫精度方法

石志成，李 坤

（北京空間機(jī)電研究所 北京 100094）

一種提高空間遙感相機(jī)寬溫度場(chǎng)測(cè)溫精度方法

石志成，李 坤

（北京空間機(jī)電研究所 北京 100094）

文中從空間光學(xué)遙感相機(jī)控溫系統(tǒng)對(duì)寬溫度場(chǎng)、高精度的溫度測(cè)量需求出發(fā)，分析了基于NTC型熱敏電阻測(cè)溫電路的測(cè)溫精度。當(dāng)溫差范圍為120℃，在12bit量化的條件下，該電路無(wú)法全程滿足測(cè)溫精度要求。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于NTC型熱敏電阻和壓控放大器的變?cè)鲆鏈y(cè)溫電路，并對(duì)該電路的工作原理以及達(dá)到的測(cè)量效果進(jìn)行了分析，在120℃溫差范圍內(nèi)，該電路的測(cè)溫精度均能滿足±0.1℃，結(jié)果表明該方法能夠有效的提高系統(tǒng)測(cè)溫精度。

空間遙感；測(cè)溫精度；寬溫度場(chǎng)；變?cè)鲆婵刂?/p>

空間光學(xué)遙感相機(jī)根據(jù)應(yīng)用需求的不同，其運(yùn)行的空間軌道和所經(jīng)歷的空間溫度環(huán)境也有所差異。一般來(lái)說(shuō)在日照區(qū)和陰影區(qū)交替運(yùn)行時(shí)溫度變化接近100℃。而空間光學(xué)遙感相機(jī)本身作為一個(gè)高度精密的儀器設(shè)備，對(duì)控溫精度、穩(wěn)定度的要求是極為苛刻的，只有這樣才能降低溫度變化對(duì)光機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，減小形變導(dǎo)致的光學(xué)系統(tǒng)畸變，確保成像質(zhì)量。

隨著光學(xué)遙感器對(duì)空間分辨率、信噪比等指標(biāo)的提升追求，作為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)需求的溫度環(huán)境保障條件的要求也日益嚴(yán)苛，某些高精度的場(chǎng)合要求控溫精度為±0.1℃[1]，布設(shè)的控溫點(diǎn)多達(dá)幾十路至一二百路。要保證如此之多的控溫路數(shù)和高精度的控溫，選擇何種形式的測(cè)溫方式和測(cè)溫度精度顯得至關(guān)重要。

1 空間遙感領(lǐng)域測(cè)溫方法

空間遙感領(lǐng)域的測(cè)溫主要采用接觸式測(cè)溫方式，測(cè)溫傳感器一般包括熱電偶、NTC熱敏電阻、鉑電阻、二極管和集成測(cè)溫芯片5大類。這幾類傳感器從測(cè)溫范圍、測(cè)溫精度、電路復(fù)雜程度幾個(gè)方面的比較情況如下[2-4]：

1）熱電偶：測(cè)溫范圍-270～2 800℃；測(cè)溫精度±0.125℃；復(fù)雜程度：需要設(shè)計(jì)補(bǔ)償電路，電路復(fù)雜；

2）NTC熱敏電阻：測(cè)溫范圍-200～1 200℃；測(cè)溫精度±0.1℃；復(fù)雜程度：兩線制接口簡(jiǎn)單；

3）鉑電阻：測(cè)溫范圍-200～850℃（Pt100）；測(cè)溫精度優(yōu)于±0.01℃；復(fù)雜程度：四線制，相對(duì)復(fù)雜；

4）測(cè)溫二極管：測(cè)溫范圍-200～200℃；測(cè)溫精度±0.1℃；復(fù)雜程度：需要恒流驅(qū)動(dòng)，電路復(fù)雜；

5）集成芯片測(cè)溫：測(cè)溫范圍-55～125℃；測(cè)溫精度±0.5℃；復(fù)雜程度：芯片集成度高，電路簡(jiǎn)單。

從當(dāng)前遙感衛(wèi)星平臺(tái)所搭載的遙感相機(jī)種類、數(shù)量、復(fù)雜程度來(lái)看，對(duì)熱控系統(tǒng)所選用的溫度測(cè)量需求具備以下特點(diǎn)：1）測(cè)溫范圍不超過(guò)-100～100℃；2）測(cè)量精度不低于±0.1℃；3）測(cè)量路數(shù)100以上。其中測(cè)量路數(shù)要求比較多，決定了整體的測(cè)量接口電路不能過(guò)于復(fù)雜，否則會(huì)帶來(lái)產(chǎn)品體積、重量和功耗的增加。基于該背景需求，結(jié)合各種傳感器特性分析，認(rèn)為NTC型熱敏電阻是作為當(dāng)前和今后光學(xué)遙感領(lǐng)域熱傳感器使用的首選。

2 NTC型熱敏電阻測(cè)溫電路與精度分析

采用熱敏電阻進(jìn)行測(cè)溫，典型的測(cè)量電路有兩種，一種是恒流源驅(qū)動(dòng)形式，一種是電壓驅(qū)動(dòng)方式[5]。無(wú)論是恒流源驅(qū)動(dòng)形式還是電壓驅(qū)動(dòng)形式，其測(cè)試原理都是通過(guò)檢測(cè)溫度變化時(shí)熱敏電阻兩端的電壓變化[6-7]，再根據(jù)測(cè)得的電壓值反推熱敏電阻當(dāng)前的電阻值，通過(guò)標(biāo)定公式或數(shù)據(jù)查表的方式得出熱敏電阻粘貼處的環(huán)境溫度。

從電路的處理方式上看，恒流驅(qū)動(dòng)電路需要為每一路測(cè)量熱敏電阻單獨(dú)提供恒流源，當(dāng)測(cè)量路數(shù)較多時(shí)，電路規(guī)模會(huì)比較大。而電壓驅(qū)動(dòng)電路是采用電阻分壓的方式實(shí)現(xiàn)的，接口電路比較簡(jiǎn)單，適用于測(cè)溫路數(shù)較多時(shí)使用，比較切合空間遙感相機(jī)的測(cè)溫需求。

圖1 熱敏電阻測(cè)量電路

圖1所示電壓型熱敏電阻測(cè)量電路。Uo是該電路的輸出電壓，反映了熱敏電阻R的阻值變化，計(jì)算方法如公式（1）。公式中Ui是參考電壓。Ri是分壓電阻。

Ri取值如果過(guò)小會(huì)導(dǎo)致流過(guò)熱敏電阻的電流過(guò)大，導(dǎo)致熱敏電阻自熱，影響測(cè)量準(zhǔn)確度。Ri取值如果過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致電路分壓比過(guò)大，影響測(cè)量分辨率[8-10]。在供電電壓為5 V的電路中，通常Ui為5 V，Ri的取值為10 kΩ。

熱敏電阻阻值R和溫度T的關(guān)系如下，公式中a、b、c分別是熱敏電阻常數(shù)，由器件手冊(cè)給出。

通過(guò)公式（1）和公式（2），可以建立電壓-溫度關(guān)系。以FM61型某一標(biāo)稱熱敏電阻為例，分壓電阻Ri取10 kΩ，參考基準(zhǔn)電壓Ui為5 V，常數(shù)a為-4.423 72，b為4 110.600 94，c為-98 189.350 07。表1列出了在-30～90℃溫度范圍內(nèi)的溫度與測(cè)量電路檢測(cè)到的電壓值對(duì)應(yīng)理論值，由于數(shù)據(jù)較多，僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)。從列出的數(shù)據(jù)中可以看出隨著溫度的升高，輸出電壓值逐漸減小，從-30℃至0℃，Uo變化1.4 V，從50℃至80℃，Uo變化僅0.477 V，Uo變化趨勢(shì)變緩。

表1 熱敏電阻測(cè)量分度與檢測(cè)電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系表

當(dāng)電路所使用的ADC轉(zhuǎn)換器件精度為12 bit時(shí)，可知其有效數(shù)據(jù)位為11位，采集到的有效數(shù)據(jù)最小分層為2.4 mV，根據(jù)公式（3）可以計(jì)算出溫度區(qū)間為[-30℃，90℃]區(qū)間內(nèi)的測(cè)溫精度，繪制精度曲線如圖2所示。

圖2 定增益測(cè)溫電路測(cè)量精度曲線

從圖2可以看出，當(dāng)溫度超過(guò)50℃時(shí)，定增益分壓電路測(cè)量精度已經(jīng)達(dá)不到0.1℃了，也就是說(shuō)采用當(dāng)前電路參數(shù)條件不能夠滿足給定溫度范圍內(nèi)的測(cè)量精度要求。對(duì)于提高模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換精度最常用的方式就是選用更高精度的ADC器件[11-13]，如果將上述電路選用的ADC器件的量化位數(shù)從12 bit提升至14 bit，則理論上在全溫度范圍內(nèi)都能夠滿足測(cè)溫精度0.1℃的要求。但同時(shí)不可忽略的問(wèn)題是，采用14 bit量化5 V電壓時(shí)，最小的量化步長(zhǎng)達(dá)到了0.3 mV，舍棄最低位的情況下也達(dá)到了0.6 mV。而實(shí)際上PCB電路本身的噪聲控制以及所選用的供電電源穩(wěn)定度、紋波特性等帶來(lái)的誤差影響，實(shí)際測(cè)量準(zhǔn)確度能達(dá)到1 mV已經(jīng)相當(dāng)困難了[14-15]。文中在ADC量化位數(shù)不變的情況下，通過(guò)設(shè)計(jì)一款變?cè)鲆孢\(yùn)算放大電路使之滿足全溫域的控溫精度需求。

3 變?cè)鲆鏈y(cè)溫電路設(shè)計(jì)與精度分析

采用變?cè)鲆鏈y(cè)溫電路實(shí)現(xiàn)全溫度域測(cè)溫精度的提升，其基本原理如圖3所示。

圖3 變?cè)鲆娣糯箅娐吩硎疽鈭D

該電路較之前增加了壓控增益放大電路和DAC轉(zhuǎn)換電路，壓控增益放大電路的作用是將采集的原始電壓進(jìn)行變?cè)鲆娣糯蠛笏腿階DC轉(zhuǎn)換電路。DAC轉(zhuǎn)換電路的作用是輸出用于控制增益放大器放大倍數(shù)的電壓參考。要實(shí)現(xiàn)變?cè)鲆婵刂剖紫纫_定進(jìn)行增益切換的準(zhǔn)則，由于本系統(tǒng)中參考電壓為5 V，A/D變換電路為5 V供電，我們可以將壓控增益放大的檔位設(shè)置成1倍、2倍、4倍、8倍等，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 檔位與切換判斷對(duì)應(yīng)關(guān)系表

經(jīng)過(guò)增益放大后的電壓值Ut與Uo的關(guān)系如下：

基于該電路實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的熱敏電阻溫度測(cè)量的步驟如下：

1）將壓控增益放大器設(shè)置成第一檔，即1倍放大倍數(shù)模式，被測(cè)溫度遙測(cè)量經(jīng)低檔放大后進(jìn)入ADC轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行12 bit量化；

2）A/D轉(zhuǎn)換完成后，MCU讀取測(cè)得的電壓值Ut，與預(yù)先設(shè)置的增益檔位切換判據(jù)進(jìn)行比對(duì)，如果測(cè)量結(jié)果剛好落在第一檔，則此次采集數(shù)據(jù)即可作為最終采集數(shù)據(jù)進(jìn)行電壓溫度還原處理；如果采集數(shù)據(jù)落在其他檔位區(qū)間內(nèi)，MCU輸出數(shù)字控制量，將DAC轉(zhuǎn)換電路輸出一個(gè)穩(wěn)定的模擬電壓Uc；

3）壓控增益放大器在Uc電壓的控制下，將自身的增益放大倍數(shù)調(diào)整到該檔位所對(duì)應(yīng)的數(shù)值；

4）ADC轉(zhuǎn)換電路按照調(diào)整后的放大倍率再次完成轉(zhuǎn)換后，MCU讀取量化后的數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)除以調(diào)整后的增益放大倍數(shù)，還原出初始電壓Uo，再根據(jù)Uo的數(shù)據(jù)反推或查表得出實(shí)際熱敏電阻對(duì)應(yīng)的測(cè)溫點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。

上述處理過(guò)程，將低電壓測(cè)量區(qū)間的增益放大倍數(shù)增大，相當(dāng)于將被測(cè)電壓區(qū)間進(jìn)行了展寬處理，增加了ADC轉(zhuǎn)換電路可以辯別的采樣點(diǎn)數(shù)量，從而提升了該區(qū)間的測(cè)量精度。上表中劃分的電壓區(qū)間以及對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行具體的調(diào)整設(shè)置。

按照上述變?cè)鲆嬖O(shè)置方法，結(jié)合表1中各溫度所對(duì)應(yīng)的測(cè)量電壓值，得出了溫度與變?cè)鲆鏅n位倍數(shù)之間的動(dòng)態(tài)配置關(guān)系為：-30℃＜T≤17℃，為1倍；18℃＜T≤43℃，為2倍；43℃＜T≤69℃，為4倍；-69℃＜T≤90℃，為8倍。并基于這種變?cè)鲆媾渲茫罁?jù)第2節(jié)介紹的方式計(jì)算精度，繪制出圖4所示的測(cè)溫精度曲線。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)空間光學(xué)遙感相機(jī)溫度測(cè)量電路放大環(huán)節(jié)的閉環(huán)變?cè)鲆婵刂疲瑢?shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)量電壓低幅值區(qū)間的展寬采樣，提升了該區(qū)間的測(cè)溫精度，滿足了遙感相機(jī)整個(gè)測(cè)溫范圍的寬域高精度測(cè)溫需求。此外，該方法的提出還有效地規(guī)避了使用高量化位數(shù)的ADC提高測(cè)溫精度所帶來(lái)的電路噪聲控制、電源品質(zhì)控制和電磁兼容控制等難題，為其他同類應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)提供了借鑒。

圖4 變?cè)鲆婵刂频臏y(cè)溫精度曲線

[1]李國(guó)強(qiáng)，耿利寅，童葉龍.航天器銣鐘的一種精密控溫系統(tǒng)[J].航天器工程，2011，20（4）:93-98.

[2]張宏建，蒙建波.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與裝置[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[3]Luca Mari beyond.The representational viewpoint:a new formalization of measurement[J].Measurement，2000（27）:71-84.

[4]Aarona Kim M-Space interferometry mission thermal design[J]-Interferometry in Space，2003（4852）：49-58.

[5]鄭華耀.檢測(cè)技術(shù)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[6]ZHANG Wen-dong，DONG Hai-feng，Research on multi-parameter transducer and integrated measurement system[C].AD report，1453-1457.

[7]ZHEN Li-ping，SI Shao-wei.Infrared temperature Measurement System Based on MSP430[C].2011 Third International conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation.421-424.

[8]YANG Yuan-xi，JING Yi-fan，ZENG An-min-Adaptive parameter estimation and inner and external precision [J]-Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2014，43（5）:441-445.

[9]李國(guó)強(qiáng)，姚根和，賈宏.精密恒溫固態(tài)控制器的研制[J].航天返回與遙感，2009，30（1）:48-52.

[10]陳磊侃.基于模糊自適應(yīng)控制的自燃溫度測(cè)試儀的研制[D].中國(guó)計(jì)量學(xué)院，2014:46-50.

[11]任國(guó)興，王曉影，杜立彬.基于AD7799的熱敏電阻高精度測(cè)溫系統(tǒng) [J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（11）:81-84.

[12]付秀敏.航天器自主控溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2011:45-52.

[13]范寒柏，謝漢華.基于NTC熱敏電阻的三種高精度測(cè)溫系統(tǒng)研究 [J].傳感器學(xué)報(bào)，2010，23（11）: 1576-1579.

[14]倪秀輝，張琳琳，任國(guó)興.基于MSP430的熱敏電阻高精度測(cè)溫設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009，183（3）:100-103.

[15]孫志強(qiáng)，周孑民，張宏健.熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)的不確定度評(píng)定與分析 [J].傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20（5）:1061-1063.

Method for improving temperature measurement accuracy of wide temperature-field space remote sensing camera

SHI Zhi-cheng，LI Kun
（Beijing Institute of Space Mechanics&Electricity，Beijing 100094，China）

In this paper，the temperature measurement accuracy of the NTC （Negative temperature coefficient）thermistor circuit is analyzed which is based on the requirements of wide temperature-field and high precision space optics remote sensing camera.When the temperature difference range is 120℃，the circuit can not meet the requirements of the whole process in the quantization condition of 12 bit.On this basis，this paper presents a variable-gain temperature measurement circuit based on NTC thermistor and VCA （voltage controlled amplifier）.The principle of the circuit and the improvement of the measurement results are analyzed，in 120℃difference range，the measurement precision of the circuit can meet±0.1℃.The results show that the method can effectively improve the accuracy of temperature measurement.

spaceremote-sensing；temperaturemeasurement；widetemperature-field；variablegain control

TN722.7

：A

：1674-6236（2017）08-0046-04

2016-06-12稿件編號(hào)：201606091

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（61573197）

石志成（1978—），男，黑龍江肇東人，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：航天飛行器設(shè)計(jì)。