應(yīng)用于激光閃光法測量熱擴散率裝置的微弱信號放大調(diào)理技術(shù)研究

金振濤，蔡靜，楊新圓，周楊

（航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京100095）

0 引言

由Parker和Jenkins等人［1］提出的閃光法熱擴散率測量方式具有重要意義，在該方法基礎(chǔ)上發(fā)展并完善的激光脈沖法極大地擴展了材料熱擴散率測量實驗中的測試溫度范圍及可測試材料種類。航空工業(yè)304所在高超音速飛行器熱障材料熱擴散率標(biāo)準(zhǔn)裝置研制項目中，應(yīng)用非接觸式紅外測溫法對材料溫度變化和時間關(guān)系進行了測量，提升了測溫范圍和測量時間的準(zhǔn)確性［2-3］。

非接觸式紅外測溫法測量熱障材料溫度變化時，使用單次激光脈沖信號給予樣品激勵，并采用光電探測器接收溫度變化信號［4-8］。在此過程中，樣品溫升小，溫度變化速度快，光電探測器輸出的信號微弱，頻率響應(yīng)快，且易受到干擾。為了得到可靠的信號，開展微弱信號放大調(diào)理電路設(shè)計研究，使其能夠測量毫安、微安，甚至納安級快速變化的電流信號，為熱擴散率的準(zhǔn)確測量提供重要技術(shù)支撐［9-11］。

1 樣品溫升信號紅外測溫原理

脈沖激光器發(fā)出的激光分為兩路：一路用于加熱樣品使樣品產(chǎn)生溫升，另一路用于產(chǎn)生觸發(fā)信號。使用的標(biāo)準(zhǔn)樣品尺寸直徑為10 mm，熱量輻射面積為78.5 mm2。針對不同材料、不同厚度的樣品，可通過適當(dāng)調(diào)整激光脈沖能量來控制溫度升高幅度。樣品的輻射力M根據(jù)普朗克公式計算，即

式中：c1為3.7418×10-16W·m；c2為1.4388×10-2m·K；λ為波長，m；T為樣品的熱力學(xué)溫度，K。

假設(shè)樣品的表面積為s＝78.5 mm2，而樣品的發(fā)射率為ε，Q為被試樣表面吸收的激光脈沖的輻照能量（J／m2），則樣品的輻射功率為

探測器接收的能量為

式中：К為探測器鏡頭有效接收面積比率；η1為真空窗口透過率；η2為鏡頭透鏡透過率。

由此可以計算出不同溫度下的發(fā)射功率及探測器接收功率，進而可以得到探測器輸出信號值［12-13］。采用S-025型硅探測器作為觸發(fā)信號接收源，采用FHIS-020型InSb型探測器作為溫升信號接收源。在脈沖激光激勵下，樣品接收到的激光脈沖能量為0～20 J，樣品的溫度段為室溫至2000 K，樣品輻射功率范圍為3.89～2.94×105W，結(jié)合探測器的參數(shù)和式（3），計算得到探測器接收能量功率為2×10-6～2.35×10-2W，再根據(jù)探測器的分辨力優(yōu)于2×10-10W，計算得出探測器的信號接收和輸出參數(shù)，設(shè)計信號放大器放大倍數(shù)范圍為102～106，響應(yīng)頻率大于10 kHz。

2 信號放大調(diào)理電路設(shè)計

利用標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器測量溫度，并利用電測儀表進行信號轉(zhuǎn)換。光伏型探測器輸出電流信號，一般應(yīng)用互阻放大電路對小信號進行放大［14-15］，其原理如圖1所示。針對熱擴散率測量過程中光伏型探測器輸出信號微弱的問題，需設(shè)計高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定性且具有一定帶寬的微弱信號放大器，因此還需要深入分析各項參數(shù)。

圖1 互阻放大器原理

2.1 放大器噪聲分析及元器件選擇

根據(jù)直流誤差分析，在低溫階段，光能量較小，所以需要更大的反饋電阻；在高溫階段，光能量較大，故應(yīng)選擇小一些的反饋電阻。反相偏置電流與光電二極管電流直接相加，由此得到折合到輸入端（RTI）的誤差I(lǐng)i。此電流流經(jīng)反饋電阻，由此產(chǎn)生到輸出端（RTO）的誤差為

式中：Rf為反饋電阻。

光電二極管接口電路中，放大器失調(diào)電壓Vos是主要的誤差源之一，Vos引起的輸出端（RTO）誤差為

式中：Rs為探測器等效內(nèi)阻。

由式（4）和式（5）可知，放大器偏置電流引起的噪聲誤差的大小主要由偏置電流和反饋電阻的乘積決定，放大器偏置電壓引起的噪聲大小為反饋電阻和內(nèi)阻之比與偏置電壓的乘積。

如果簡單應(yīng)用原理圖進行放大會造成不穩(wěn)定性問題，而且運放輸入端的電容越大，運放越是趨于不穩(wěn)定。因為光電探測器等效電容很大，如果沒有反饋電容，電路的輸出會很不穩(wěn)定，容易發(fā)生振鈴現(xiàn)象。保證光電探測器電路穩(wěn)定性的關(guān)鍵是增加反饋電容Cf，在反饋系數(shù)中增加一個零點。反饋電容的大小由光電探測器、反饋電阻和頻率共同決定。

式中：Cj為探測器等效結(jié)電容；f為信號頻率。

在頻率較低時，電阻變化產(chǎn)生的噪聲增益NG1由反饋電阻與分流電阻（探測器內(nèi)阻）之比決定。

探測器輸出的電流信號為10 mA至100 nA，單靠一個放大倍數(shù)是無法覆蓋整個量程的。因此將整個電流信號放大范圍分為三個量程：量程1為nA級，使用反饋電阻1 MΩ；量程2為μA級，使用反饋電阻1 kΩ；量程3為mA級，使用反饋電阻100Ω。為了保證放大輸出的準(zhǔn)確性，降低噪聲的干擾，電路選擇使用表面貼封裝的Panasonic系列電阻，分別為：準(zhǔn)確度0.05%、溫漂為10×10-6的100Ω精密電阻，反饋電容選擇33 pF；準(zhǔn)確度為0.1%、溫漂為25×10-6的1 kΩ精密電阻，反饋電容選擇10 pF；準(zhǔn)確度為0.1%、溫漂為50×10-6的1 MΩ精密電阻，反饋電容選擇1 pF。上述選擇方式全面覆蓋了探測器的輸出信號范圍，準(zhǔn)確度和溫漂帶來的噪聲影響幾乎可以忽略

當(dāng)頻率較高時，電容變化引起的噪聲增益NG2由探測器等效結(jié)電容和反饋電容之比決定。不計，且?guī)捘軌蜻_到最大，滿足頻率大于10 kHz的要求。

2.2 量程切換及電路設(shè)計

根據(jù)實際應(yīng)用需求，各量程之間需要自動切換，一般情況下是使用DSP控制多路模擬開關(guān)或利用繼電器切換不同的反饋電阻，但是這些方法會引起多種誤差，造成電路不穩(wěn)定甚至錯誤，例如模擬開關(guān)會產(chǎn)生和溫度相關(guān)的增益誤差，漏電流會引起失調(diào)誤差。為了避免上述問題，本設(shè)計應(yīng)用了開爾文開關(guān)技術(shù)，方法是在各增益選擇環(huán)路中引入兩個開關(guān)，一個用于將跨阻／運放輸出連接到反饋網(wǎng)絡(luò)，另一個用于將反饋網(wǎng)絡(luò)輸出連接到下游元件，其工作原理如圖2所示。

圖2 開爾文開關(guān)選擇增益

則有

式中：Vout為第一放大器輸出；Ip為光電探測器輸出電流；Rsw為開關(guān)電阻；V1為節(jié)點中心節(jié)點電壓。

將式（9）代入式（10）可得

通過公式推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)，雖然這種方法需要使用的開關(guān)數(shù)量加倍，但中心節(jié)點的電壓不再與開關(guān)相關(guān)，而是取決于通過所選電阻的電流。開關(guān)（SW1和SW2）之間僅有很小的輸出阻抗，如果放大器驅(qū)動高阻抗負(fù)載，則其誤差貢獻可忽略不計，能達到很好的放大效果。電流信號在被反饋電路放大之后，經(jīng)過低通濾波減少了高頻噪聲，再應(yīng)用電壓跟隨器隔離放大器和數(shù)采部分，有效提高了AD采集的驅(qū)動能力。

2.3 輸入保護

輸入微弱電流信號很容易受到來自電路板上的漏電流和電磁干擾。為了防止輸入信號受到干擾，在輸入端子和輸入走線外圍用保護環(huán)將其保護起來，達到防止漏電流干擾的目的。輸入保護示意圖如圖3所示，其中，A點是探測器電流輸入端，在整個電流輸入的回路中，用0.8 mm寬的裸露的銅皮將輸入端及走線包圍起來，裸露的銅線和地相連，這種設(shè)計工藝能將電路板上的漏電流隔離，避免信號干擾。

圖3 輸入保護示意圖

選用的放大芯片具有很低的偏置電流，以及較高的電源抑制比。但由于是微弱信號放大，為了防止電源噪聲串?dāng)_到電路中，尤其抑制開關(guān)電源的噪聲，使用了低壓差穩(wěn)壓器（LDO）芯片ADP7118和ADP7182，可以有效衰減供電電源中的開關(guān)雜散，令雜散降低至-120 dB的噪聲水平。同時在LDO穩(wěn)壓芯片附件中進行了濾波處理，使用鐵氧磁珠隔離高頻電磁干擾信號。電源模塊使用了HUIZHONG的18～36 V寬范圍輸入，±6 V輸出，波紋在5%以內(nèi)。

3 試驗驗證

3.1 電路試驗驗證

首先使用標(biāo)準(zhǔn)信號源對微弱信號放大電路準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性進行驗證，使用KEITHLEY6221分別提供標(biāo)準(zhǔn)信號100 nA，500 nA，1μA，100μA和1 mA，對100 nA，500 nA和1μA放大106倍，而100μA和1 mA則分別放大103和102倍，使用Agilent2901A數(shù)表對其進行了4 h的連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示

放大106倍，輸入為0 nA時，放大電路的輸出為0.3 mV，經(jīng)0輸入補償后，在同一放大倍數(shù)下，100 nA，500 nA和1μA的放大倍數(shù)相對誤差在0.3‰以內(nèi)，證明該放大電路具有很高的準(zhǔn)確性。

將1μA放大106倍，監(jiān)測放大電壓值隨時間的變化，如圖4所示。在4 h的測試中，波動為0.1‰，證明該放大電路穩(wěn)定性非常好。

表1 標(biāo)準(zhǔn)信號測試不同放大倍數(shù)

圖4 標(biāo)準(zhǔn)信號放大效果

在半年時間內(nèi)，設(shè)置放大倍數(shù)為106，在500 nA時，對放大電路效果進行長期穩(wěn)定性測量，數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)測量結(jié)果可以看出該信號放大調(diào)理電路具有較小的波動性，短期重復(fù)性好，長期穩(wěn)定性能佳，能夠滿足微小信號放大調(diào)理要求。

表2 長期穩(wěn)定性測量數(shù)據(jù)

3.2 熱擴散率試驗驗證

將模擬放大電路安裝在激光閃光法測量熱擴散率裝置中，測試樣品為不銹鋼，直徑為10 mm，厚度為1.1 mm，在600℃時，給予樣品脈沖信號激勵，測量得到的溫度擴散和時間關(guān)系如圖5所示

圖5 溫升信號和時間的關(guān)系測量圖

計算得到應(yīng)用本文研制的微弱信號放大調(diào)理電路后，激光閃光法熱擴散率測量裝置所測得的樣品不銹鋼熱擴散率為0.0495×10-4m2／s，與PTB參考數(shù)據(jù)0.04996×10-4m2／s比較，偏差在0.9%內(nèi)。

4 結(jié)論

針對激光閃光法熱擴散率測量裝置中光伏型探測器及其輸出信號的特點，研制微弱信號放大調(diào)理電路，使其能夠測量毫安、微安，甚至納安級的微弱電流信號。利用開爾文開關(guān)技術(shù)，避免了普通切換開關(guān)由于導(dǎo)通電阻帶來影響的問題；對信號進行濾波并轉(zhuǎn)換為差分信號，減小了共模信號的干擾；采用輸入保護環(huán)技術(shù)，增強了電路的抗干擾能力。該放大調(diào)理電路能夠根據(jù)不同的探測器調(diào)整輸入?yún)?shù)，減少由于探測器內(nèi)部參數(shù)不同而帶來的非線性影響，同時能夠根據(jù)探測器輸出信號切換不同的放大倍數(shù)。經(jīng)實驗證明，本文研制的微弱信號放大調(diào)理電路具有較好的重復(fù)性、較小的波動度和較好的長期穩(wěn)定性，為激光閃光法熱擴散率測量裝置的研制起到了重要技術(shù)支撐作用。