一體化高可靠性光電傳感器的設(shè)計(jì)及研制

劉 英，郭銘杰，李春林，劉照智，孫 賀

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

光電檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于運(yùn)載火箭常規(guī)推進(jìn)劑液位信號(hào)的測(cè)量中，其測(cè)量的可靠性顯得尤為重要。隨著航天發(fā)射加注測(cè)控技術(shù)的不斷發(fā)展，使用光電傳感器&光電變換器組合來(lái)進(jìn)行液位信號(hào)的反饋成為一種可選方式。

這種測(cè)量方式采用分體式結(jié)構(gòu)，即光電傳感器安裝在火箭加注活門(mén)和溢出活門(mén)上，而光電變換器內(nèi)置于單機(jī)設(shè)備中。安裝在加注活門(mén)上的光電傳感器用于標(biāo)定運(yùn)載火箭常規(guī)推進(jìn)劑進(jìn)箭時(shí)的基礎(chǔ)液位，安裝在溢出活門(mén)上的光電傳感器用于檢測(cè)推進(jìn)劑是否加注到位。該方式主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題：a）外部24 V直流電給內(nèi)部核心器件供電，外部電源的波動(dòng)可能干擾內(nèi)部電路的性能；b）光電傳感器與光電變換器之間通過(guò)一根200 m的電纜進(jìn)行微安級(jí)電流的傳輸，外部電磁干擾容易通過(guò)長(zhǎng)電纜耦合到推進(jìn)劑液位采集系統(tǒng)中；c）光電變換器放置于加注控制臺(tái)中，周?chē)箅娏髑袚Q設(shè)備的頻繁動(dòng)作可能給光電變換電路帶來(lái)電磁干擾；d）光電變換器中開(kāi)關(guān)信號(hào)是由電磁繼電器的無(wú)源觸點(diǎn)輸出的，機(jī)械觸點(diǎn)給單機(jī)的可靠性帶來(lái)一定的隱患。以上問(wèn)題均可能導(dǎo)致光電傳感器&光電變換器組合誤發(fā)推進(jìn)劑液位信號(hào)。

為了提高產(chǎn)品性能和使用便捷性，更好地適應(yīng)周?chē)鷱?fù)雜的電磁環(huán)境，研制一體化高可靠性光電傳感器成為提升推進(jìn)劑加注測(cè)控系統(tǒng)保障性能的迫切需求。

1 一體化高可靠性光電傳感器的設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

一體化高可靠性光電傳感器是一種可以實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)變換的集成化小型電子設(shè)備，作為推進(jìn)劑加注設(shè)備的配套產(chǎn)品安裝在加注活門(mén)和溢出活門(mén)上，能對(duì)其外部介質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行快速有效的甄別，對(duì)不同介質(zhì)狀態(tài)迅速輸出相應(yīng)的通斷信號(hào)。

光電傳感器是一種用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器[1]。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成[2]。將發(fā)光器和受光器配上適當(dāng)?shù)碾娐肪湍軜?gòu)成一組紅外光電開(kāi)關(guān)[3]。一體化高可靠性光電傳感器基于以上原理由紅外發(fā)光二極管、光學(xué)通路（棱鏡）、光電三極管以及變換電路等組成。首先把被測(cè)量的外部介質(zhì)狀態(tài)變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件和變換電路進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成開(kāi)關(guān)量信號(hào)發(fā)送給遠(yuǎn)端的推進(jìn)劑加注測(cè)控系統(tǒng)。

光電傳感器按檢測(cè)方式通常分為對(duì)射式和反射式[4]。一體化高可靠性光電傳感器采用常用的光學(xué)全反射原理來(lái)控制光電元件的輸出光電流，從而判別介質(zhì)狀態(tài)。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一體化高可靠性光電傳感器主要由外罩、保護(hù)套、棱鏡、O形圈、光電組件、螺帽、殼體和插座等組成，大致結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 一體化光電傳感器結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Integrated Photoelectric Sensor Structural Composition

考慮到反射光通路的合理形成，棱鏡與光電組件中的光電器件（紅外發(fā)光二極管和光電三極管）應(yīng)平面接觸。在裝配時(shí)就必須保證棱鏡的安裝位置正確，且使用前也必須要檢查棱鏡與光電組件中的光電器件的相對(duì)位置正確與否。這給生產(chǎn)和工程使用帶來(lái)一些不必要的麻煩，最關(guān)鍵是如果安裝位置不正確會(huì)導(dǎo)致光電參數(shù)的一致性難以保證。為了固定棱鏡與光電器件的正確角度，在棱鏡和殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中增加定位槽結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)改進(jìn)后使得產(chǎn)品裝配時(shí)，光電器件與棱鏡的角度一次到位，無(wú)需調(diào)整，減少了裝配調(diào)整時(shí)的麻煩，同時(shí)在使用中也不必?fù)?dān)心棱鏡旋動(dòng)，確保了光電參數(shù)一致性和產(chǎn)品的可靠性。同時(shí)，光電組件置于金屬殼體內(nèi)，取消了用于連接光電傳感器和光電變換器的長(zhǎng)電纜，屏蔽了外界電磁干擾對(duì)自身電路的影響，從結(jié)構(gòu)上有效地提高了產(chǎn)品的電磁兼容性。

1.3 整體電路設(shè)計(jì)

整體電路部分由三端固定式集成穩(wěn)壓器、紅外發(fā)光二極管、光電三極管、比較器、固體繼電器及部分阻容元件組成。

當(dāng)一體化高可靠性光電傳感器的棱鏡處于氣相狀態(tài)下，紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光線照在棱鏡玻璃與空氣的分界面上，返回的紅外光線照射到光電三極管上，光電三極管受到光照，其光電流較大，電路處于導(dǎo)通狀態(tài)。串聯(lián)在光電三極管發(fā)射極回路中的電阻所采樣的光電壓（即比較器正端輸入管腳上的電壓值）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)定的門(mén)檻電壓值（比較器負(fù)端輸入管腳上的電壓值）時(shí)，比較器輸出端管腳為高電平，比較器輸出所控制的固體繼電器輸出為斷開(kāi)信號(hào)。

當(dāng)一體化高可靠性光電傳感器的棱鏡處于液相狀態(tài)下，紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外光線照在棱鏡玻璃與空氣的分界面上，此時(shí)大部分紅外光線折射至液體中，光電三極管上受到少量光照，其暗電流很小，電路處于截止?fàn)顟B(tài)，串聯(lián)在光電三極管發(fā)射極回路中的電阻所采樣的光電壓（即比較器正端輸入管腳上的電壓值）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)定的門(mén)檻電壓值（比較器負(fù)端輸入管腳上的電壓值）時(shí)，比較器輸出端管腳為低電平，比較器輸出所控制的固體繼電器輸出為導(dǎo)通信號(hào)。

一體化高可靠性光電傳感器基于上述原理設(shè)計(jì)，通過(guò)固體繼電器輸出觸點(diǎn)的斷開(kāi)或?qū)ǎ瑥亩袛喙怆妭鞲衅骼忡R所處的介質(zhì)環(huán)境為氣相或液相。

1.4 核心電路設(shè)計(jì)及元器件選擇

1.4.1 恒壓供電電路設(shè)計(jì)

外部 24 V直流電通過(guò)三端固定式集成穩(wěn)壓器CW78L12轉(zhuǎn)換為12 V直流電給電路內(nèi)部的光電器件（紅外發(fā)光二極管和光電三級(jí)管）、比較器及固體繼電器等供電，這樣外部24 V電壓的波動(dòng)不會(huì)對(duì)內(nèi)部電路的性能造成干擾。恒壓供電電路原理，如圖2所示。

圖2 恒壓供電電路原理Fig.2 Constant Voltage Power Supply Circuit Principle

選擇三端固定式集成穩(wěn)壓器時(shí)，主要考慮如下幾個(gè)因素：

a）后級(jí)電路總的輸入電流：把后級(jí)電路的芯片電源輸入電流逐個(gè)相加，再考慮一個(gè)裕量來(lái)選擇穩(wěn)壓器。按照最大功耗的工況計(jì)算整個(gè)電路總的工作電流，液態(tài)時(shí)整個(gè)電路總的工作電流最大，總的工作電流為26.8 mA（估算值，以實(shí)測(cè)為準(zhǔn)），三端固定式集成穩(wěn)壓器最大輸出電流為100 mA，滿足電流輸出要求。

b）后級(jí)電路芯片的電源電壓：穩(wěn)壓出來(lái)的電壓要大于后級(jí)芯片要求的最小工作電壓。本電路設(shè)計(jì)中三端固定式集成穩(wěn)壓器額定輸出電壓為12 V，輸出電壓范圍為11.4～12.6 V，后級(jí)芯片最小工作電壓為5 V，三端固定式集成穩(wěn)壓器輸出電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后級(jí)芯片的最小工作電壓。

c）三端固定式集成穩(wěn)壓器的輸入電壓：輸入電壓不能超過(guò)三端固定式集成穩(wěn)壓器輸入電壓范圍，否則芯片會(huì)毀壞。本電路設(shè)計(jì)中輸入電壓為直流24 V，三端固定式集成穩(wěn)壓器的輸入電壓范圍為15～35 V，滿足使用要求。

d）散熱：印制電路板工作時(shí)如果很熱，這是由于沒(méi)有考慮到器件散熱的問(wèn)題。過(guò)熱會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品不滿足本安電路設(shè)計(jì)要求且電子產(chǎn)品壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)候會(huì)導(dǎo)致電路失效。由于電路部分被密封在金屬外殼內(nèi)部，空間狹小，不易散熱，而電路工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，所以電路設(shè)計(jì)過(guò)程中需解決散熱問(wèn)題。三端固定式集成穩(wěn)壓器自身的發(fā)熱功率P = ΔU × I ，其中Δ U 為三端固定式集成穩(wěn)壓器的輸入輸出電壓差。為了減少功耗和發(fā)熱，輸入壓差越小越好，但需滿足最小輸入壓差要求，否則三端固定式集成穩(wěn)壓器無(wú)法穩(wěn)定工作。設(shè)計(jì)中系統(tǒng)輸入電壓為24 V，輸出電壓為12 V，自身壓降UΔ為12 V，最大工作電流26.8 mA，若不采取措施，發(fā)熱功率為0.322 W，與最大功率0.5 W相比，降額系數(shù)不夠安全，應(yīng)適當(dāng)降低發(fā)熱功率。在三端固定式集成穩(wěn)壓器的輸入回路中串入二極管1V和電阻1R，使其產(chǎn)生一定的壓降，可有效解決模塊過(guò)熱的問(wèn)題。輸入回路中串入二極管1V和電阻1R后，經(jīng)計(jì)算三端固定式集成穩(wěn)壓器的發(fā)熱功率P為0.195 W，降額適當(dāng)。（注：可根據(jù)實(shí)測(cè)工作電流對(duì)電阻1R的阻值進(jìn)行調(diào)整）。

恒壓電路中的輸入端電容1C和輸出端電容2C的取值按照模塊的標(biāo)準(zhǔn)配置電容來(lái)選取，均采用漏電流小的鉭電容。輸入端增加電容1C可以用來(lái)抵消輸入端接線較長(zhǎng)時(shí)的電感效應(yīng)，以防止產(chǎn)生自激振蕩，濾除有害的干擾諧波，一般選用0.1～1 μF的小電容；輸出端增加電容2C是為了利用大電容的放電能力，降低內(nèi)阻，瞬時(shí)增減負(fù)載電流時(shí)不致于引起輸出電壓有較大的波動(dòng)，從而提高瞬態(tài)響應(yīng)能力，確保電路穩(wěn)定工作，一般選用100～470 μF的大電容。

1.4.2 光電器件選擇

考慮到發(fā)光功率和可靠性，發(fā)光元件應(yīng)選用砷化鎵（GaAs）紅外發(fā)光二極管；考慮到光敏感性和響應(yīng)性，感光元件應(yīng)選用光電晶體管或達(dá)林頓晶體管[5]。

砷化鎵紅外發(fā)光二極管，具有速度高、壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種光電變換電路中作為發(fā)光器件。由于使用的是紅外光，可靠性高和抗干擾能力強(qiáng)，外界可見(jiàn)光對(duì)其干擾很小，除強(qiáng)光直射外，一般燈光都不會(huì)干擾其正常工作[6]。

一體化高可靠性光電傳感器使用紅外發(fā)光二極管HG413作為發(fā)光元件，主要參數(shù)：最大正向電流為50 mA；正向壓降≤1.5 V；反向電流≤10 μA；反向耐壓為5 V；發(fā)射功率＞2.0 mW；峰值波長(zhǎng)為940 nm；帶寬≤±20 nm；截止頻率≥1 MHz；最大功耗為100 mW。

一體化高可靠性光電傳感器使用光電三極管3DU32作為感光元件，主要參數(shù)：最高工作電壓為50 V；暗電流≤0.15 μA；光電流≥2.0 mA；響應(yīng)時(shí)間 tr≤3 μs，tf≤4 μs；光譜范圍為 400～1100 nm；峰值波長(zhǎng)為880 nm；最大功耗為100 mW。

光電三極管的輸出響應(yīng)特性，如圖 3所示。圖 3中光電三極管的輸出響應(yīng)特性總體上是非線性的：低照度時(shí)，靈敏度低，且靈敏度隨照度增大而增大（I區(qū)）；大照度時(shí)，輸出光電流隨入射照度增大而趨于飽和（Ⅲ區(qū)），靈敏度隨照度增大而變小；在中等照度情況下，輸出響應(yīng)表現(xiàn)為線性特性（Ⅱ區(qū)）[7]。由于一體化高可靠性傳感器應(yīng)用于檢測(cè)加注時(shí)推進(jìn)劑的液位狀態(tài)，因此本設(shè)計(jì)中光電三極管3DU32主要工作在低照度或大照度兩種狀態(tài)。

圖3 光電三極管的輸出響應(yīng)特性Fig.3 Output Response Characteristic of Photo Transistor

1.4.3 繼電器選擇

選擇固體繼電器作為輸出器件，在滿足印制電路板能置于狹小金屬殼體內(nèi)部的體積設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，消除了產(chǎn)品固有的機(jī)械觸點(diǎn)，提高了產(chǎn)品的耐機(jī)械沖擊性能和電磁兼容性能，還具有良好的防潮防爆功能。

1.4.4 印制電路板設(shè)計(jì)

印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）是電子產(chǎn)品中電子元件的支撐件，它提供電子元件之間的電氣連接，是各種電子設(shè)備最基本的組成部分，它的性能直接關(guān)系到電子設(shè)備質(zhì)量的好壞[8]。由于設(shè)計(jì)中使用體積小的固體繼電器代替體積大的電磁繼電器，印制電路板的尺寸大大縮小，減少了受電磁干擾的電路面積。同時(shí)，采用雙面地線鋪銅的設(shè)計(jì)方法，有效地起到屏蔽、散熱的作用，提高了產(chǎn)品電磁兼容性能。

2 一體化高可靠性光電傳感器的研制

2.1 試驗(yàn)項(xiàng)目

首先對(duì)首先對(duì)一體化高可靠性光電傳感器的內(nèi)、外漏進(jìn)行氣密性檢查，因?yàn)闅饷苄圆缓细窨赡軐?dǎo)致外部介質(zhì)進(jìn)入棱鏡與光電器件之間的間隙，從而誤發(fā)推進(jìn)劑液位信號(hào)。光電傳感器上半部裝配完成后，不再組裝光電組件和插座等部件，用氣泡法檢查內(nèi)漏，用保壓法檢查外漏。從試驗(yàn)工裝通氣口供一定壓力的清潔空氣，將光電傳感器下端口浸入無(wú)水乙醇中，各觀察5 min，無(wú)氣泡冒出及無(wú)壓降則為內(nèi)、外漏檢查合格。

氣密性檢查合格后，用白綢布擦凈光電傳感器，并用壓縮空氣吹干，裝配剩余部分，然后進(jìn)行基本電氣性能試驗(yàn)。連接好220V交流電源、光電傳感器測(cè)試器和光電傳感器等，分別測(cè)試光電傳感器的氣相光電壓和液相光電壓，并記錄光電壓值和液位燈狀態(tài)等測(cè)試結(jié)果。測(cè)試完畢吹干光電傳感器。

基本電氣性能試驗(yàn)合格后依次進(jìn)行電源適應(yīng)性試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)、常溫老煉試驗(yàn)、環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)和電磁兼容比對(duì)試驗(yàn)。根據(jù)GJB151B-2013《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測(cè)量》和《光電傳感器電磁兼容試驗(yàn)大綱》的要求，對(duì)一體化高可靠性光電傳感器和光電傳感器&光電變換器組合進(jìn)行電磁兼容比對(duì)試驗(yàn)（包括CE102、CS112、CS115、CS116、CS101、CS106和CS114共7項(xiàng)）。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

a）基本電氣性能試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由于篇幅所限，電源適應(yīng)性試驗(yàn)、高低溫試驗(yàn)、常溫老煉試驗(yàn)和環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果不一一列出。

表1 基本電氣性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Electrical Performance Test Result

電氣性能試驗(yàn)合格的標(biāo)準(zhǔn)是：置于空氣中時(shí)，光電壓應(yīng)大于11.22 V，液位燈滅；置于無(wú)水乙醇中時(shí)，光電壓應(yīng)小于1.0 V，液位燈亮。測(cè)試結(jié)果表明新研一體化高可靠性光電傳感器的基本性能指標(biāo)滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

b）電磁兼容比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果（試驗(yàn)環(huán)境：溫度22 ℃；濕度32%RH）如表2所示。

表2 電磁兼容比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 EMC Comparison Test Result

一體化高可靠性光電傳感器通過(guò)全部電磁兼容試驗(yàn)項(xiàng)目，而光電傳感器&光電變換器組合僅通過(guò)CE102項(xiàng)目測(cè)試，進(jìn)行到CS112、CS115和CS116測(cè)試項(xiàng)目時(shí)均發(fā)生了敏感，其他更為嚴(yán)酷的項(xiàng)目（CS101、CS106、CS114）沒(méi)有繼續(xù)測(cè)試。電磁兼容比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了一體化高可靠性光電傳感器相對(duì)于光電傳感器&光電變換器組合來(lái)說(shuō)電磁兼容性能更優(yōu)良。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)性能優(yōu)化和適應(yīng)性改進(jìn)，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，一體化高可靠性光電傳感器的集成化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了靶場(chǎng)安裝調(diào)試工作；從產(chǎn)品性能上來(lái)說(shuō)，它可以替代同類產(chǎn)品應(yīng)用于對(duì)可靠性和電磁兼容性要求更為嚴(yán)苛的運(yùn)載火箭常規(guī)推進(jìn)劑加注測(cè)控領(lǐng)域。