多光譜表面溫度計信號調理電路設計及環境適應性研究

金振濤，楊永軍，張學聰，李丹，溫悅

（航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095）

0 引言

多光譜輻射測溫是利用多個光譜得到測量信息，經過數據處理得到目標的真實溫度［1］。多光譜表面溫度計在發動機和重型燃機熱端表面溫度測量中，能夠克服目標發射率不確定、背景環境復雜等不利因素，可以在不接觸目標物體的情況下較為準確地測量出其表面溫度［2］，這對于工作中的發動機溫度測量非常重要。

隨著第五代戰機的發展，對航空發動機的溫度測量提出了越來越高的要求［3］。早在1964年英國的RR公司就開始了燃氣渦輪葉片的溫度測量，提出了一套基于光學的多光譜測溫方法，隨后研究了發射率修正、信號處理、數據處理等問題，形成了產品，測溫范圍為550～1400℃，誤差為±6℃［2］；英國的Land公司生產的FP11型多光譜測溫儀測溫范圍達到了600～1300℃，測溫誤差為±2℃［4］。國內許多的研究機構也開展了多光譜輻射測溫的研究，哈爾濱工業大學的馮池、高山等人研究了多光譜輻射測溫儀在高溫惡劣環境下的應用，并對渦輪葉片溫度進行了測量，溫度測量范圍為800～1400℃，誤差小于7℃［5］。然而，由于背景環境溫差大、濕度不確定和電磁干擾等不利因素影響［6］，給多光譜測溫系統中的微弱信號處理帶來很多困難，這也是制約多光譜輻射測溫儀發展、影響其測溫范圍和測溫準確性的重要因素。

航空工業計量所在國家重大儀器專項“高溫溫度、壓力、振動傳感器開發與應用”的項目中，承擔了多光譜表面溫度計、藍寶石光纖壓力傳感器設計等任務，主要應用方向為航空發動機葉片和重型燃氣機表面溫度測量。其中在多光譜輻射測溫表面溫度計設計和研制過程中，對信號調理電路進行了多項改進設計，研究了在不同環境狀態下微弱信號處理電路的設計及電路板處理方法。結果表明，在800～2050℃的溫度范圍內，所設計的多光譜表面溫度計傳感器系統測量誤差小于1%，具有一定的環境適應能力，滿足設計要求。

1 多光譜高溫表面溫度計測量原理

多光譜測溫方法可以利用多個波長下的測量數據，通過合適的數學模型和數據處理方法，將被測目標的真實溫度解算出來，得到比常規輻射測溫儀器更為準確的結果［7］。假設多光譜溫度計有n個通道，第i個通道感受的高溫目標的輻射出射度為E（λi，T），根據普朗克公式得到各通道探測器的輸出信號為

式中：Ai為與儀器有關的常數，一般通過標定獲得；ε（λi）為被測目標在i通道波長λi下的發射率；T為溫度值；c1，c2分別為第一，第二輻射常數，c1=3.7418×10-16W·m2，c2=1.4388×10-2mK。通過增加發射率約束條件，即 ε（λi，T）～f（a1，a2，…，am，λi），利用式（1）即可解出目標溫度T。其中，a1，a2，…，am是關于波長λi方程的參數，m＜n。

多光譜高溫表面傳感器結構原理如圖1所示，光學探頭接收被測目標的熱輻射，經光纖傳輸至分光系統分成若干通道，各自經光電轉換、信號調理后由式（1）組成的方程解算出溫度。

圖1 多光譜高溫表面傳感器結構原理框圖

2 信號放大調理電路設計

2.1 光電探測器選型及參數影響

多光譜表面溫度傳感器采用近紅外4波段的測溫系統，目前，適用于1～2μm近紅外波段的光電探測器有鍺（Ge）型和銦鎵砷（InGaAs）型探測器。鍺探測器的光譜響應度與銦鎵砷探測器相近，光敏面和響應率也近似。探測器的參數主要有分流電阻、分流電容和噪聲功率［8］，考慮到探測器的參數會直接影響到前置放大器輸入噪聲大小，故為此比較了鍺探測器和銦鎵砷探測器產品的內部參數，如表1所示。

表1 常用光電探測器的典型性能參數

探測器分流電阻會隨著環境溫度的變化發生變化，如果環境溫度上升10℃，那么分流電阻會減小一半甚至更多，放大器的失調電壓會作用于該分流電阻上，產生一個誤差電流，增加噪聲增益，導致的輸入誤差可表示為

式中：Vos為放大電路放大器的失調電壓；Rs為探測器的分流電阻。

由式（2）可知，如果探測器分流電阻太小，環境溫度不穩定，那么探測器輸出就不穩定，將使放大器引入很大的輸入誤差；分流電容主要對放大器的穩定性和帶寬產生影響，根據探測器容值大小，設計合理的前置放大電路可以減小該參數的影響；由表1可知兩種探測器在噪聲功率上差異不大。綜上，選擇銦鎵砷探測器可以減小信號放大時輸入噪聲的影響。

2.2 前置放大調理電路設計和噪聲分析

選用的探測器為光伏型，輸出為電流信號，一般應用跨阻放大電路對小信號進行放大［9］。光電探測器可等效為恒流源、分流電容和分流電阻的組合，設計原理如圖2所示。

圖2 跨阻放大電路原理

如果只是在運用放大器負端和輸出端跨接上電阻，會造成不穩定性錯誤，而且運放輸入端的電容越大，運放越趨于不穩定，因為光電探測器等效電容很大，如果沒有反饋電容，電路的輸出是不穩定的，容易發生振鈴現象。保證光電探測器電路穩定性的關鍵是增加反饋電容，在反饋系數中增加一個零點。反饋電容的大小由光電探測器、反饋電阻和頻率共同決定。該跨阻放大電路的增益和信號帶寬頻率如式（3）和式（4）所示。

式中：Vo為輸出電壓；Ip為探測器輸出電流；Rf為反饋電阻；Cf為反饋電容；fmax為電路可響應的最大信號頻率。

前置放大電路的主要輸出噪聲來源于反饋電阻和放大器的輸入電壓產生的噪聲，分別由式（5）和式（6）表示。

式中：k為玻爾茲曼常數；fx為信號的頻率；Cs為分流電容；Vi為放大器的輸入噪聲；Ci為放大器的輸入電容。

根據式（5）和式（6），放大器的輸入電壓噪聲和其自參數有關，當選擇好放大器后，前置放大電路的主要噪聲來源為反饋電阻，故選擇溫漂系數小、準確性高的反饋電阻。反饋電容根據探測器分流電容、放大器的輸入電容和信號的頻率選擇容值，同時要求穩定性能好，這樣有利于降低前置放大電路的噪聲影響。

2.3 電路設計及元器件選型

根據普朗克定律，結合光學系統參數計算，探測器接收到光能量轉換為輸出的電流信號大小約為10 nA至10μA。在這么寬的量程范圍內，靠一個放大倍數是無法覆蓋整個量程的。所以放大電路將整個電流信號輸出放大范圍分為四個量程，放大倍數分別為107，106，105，104，將微弱的電流信號放大至采集電路能夠識別的區間。

各量程之間需要自動切換，一般情況下是使用DSP控制多路模擬開關或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，造成電路不穩定甚至錯誤，例如模擬開關會引起電壓和溫度相關的增益誤差，漏電流會引起失調誤差。為了避免上述誤差和錯誤，在本設計中，創造性地應用了開爾文開關技術，方法是在各增益選擇環路中引入兩個開關，一個用于將跨阻和運放輸出連接到反饋網絡，另一個用于反饋網絡輸出連接到下游元件，信號放大調理電路的工作原理如圖3所示。

圖3 信號放大調理電路原理圖

結合原理圖，用式（7）～式（9）可推導開爾文開關如何消除通道間導通電阻。

式中：Vout為第一放大器輸出；Rsw為開關電阻；V1為節點中心電壓。

通過公式推導發現，雖然這種技術方法需要使用的開關數量加倍，但中心節點的電壓不再與開關相關，而是取決于通過所選電阻的電流。該方法消除了模擬開關帶來的導通電阻的問題，在不同增益選擇環路中引入兩個開關，一個用于將反饋電阻輸出連接到反饋網絡，另一個用于將反饋網絡輸出連接到下游元件。這種技術使用開關的數量加倍，但是中心節點電壓不再與開關相關，而是僅取決于通過所選電阻的電流。而開關（SW1和SW2）之間僅有很小的輸出阻抗，如果放大器驅動高阻抗負載，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，經過低通濾波減少了高頻噪聲，再應用電壓跟隨器對輸出信號進行差分轉換，使得放大倍數翻倍，提高了ADC采集的驅動能力。

放大10 nA級的信號且放大倍數為107時，應該使用的反饋電阻為5 MΩ，但是電阻大噪聲也大，為了降低噪聲，增加信號帶寬，采用T網絡電阻反饋網絡，利用了500 kΩ，1 kΩ和110Ω組合T網絡方式實現了107倍數的放大，電阻的溫漂系數分別為25×10-6，5×10-6，1×10-6/℃，反饋電容為0.5 pF；放大100 nA級的電流信號時，使用反饋電阻也為500 kΩ，溫漂系數為25×10-6/℃，反饋電容為1 pF；放大1μA級電流信號時，放大倍數為105，使用反饋電阻為50 kΩ，溫漂系數為25×10-6/℃，反饋電容3.3 pF；放大10μA級電流信號時，放大倍數為104，使用反饋電阻5 kΩ，反饋電容10 pF。為了保證放大的準確性，選擇電阻的誤差優于0.1%。這樣選擇的反饋電阻覆蓋了探測器輸出的全部信號范圍，精度和溫漂帶來的噪聲影響幾乎可以忽略不計。同時根據式（4）可知，在每個量程內滿足放大的信號頻率在15 kHz以上的要求。

2.4 輸入保護環設計

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，在電路板上設計了保護環，減少電路板電磁和漏電流影響。其設計原理是在輸入端子和輸入走線外圍，用保護環將其保護起來，達到防止漏電流干擾的目的。PCB設計的制板中，其設計思路的示意圖如圖4所示。

圖4 輸入保護示意圖

圖4 中，A點是探測器電流輸入端，在整個電流輸入的回路中，用0.127 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，這種工藝設計能將電路板上的漏電流隔離，避免了信號干擾。

2.5 環境適應性電路工藝加工設計

在頻率不是很高的情況下，采用普通的FR4的電路板材即可，但是微弱電路信號，例如nA級的信號，如果電路板材不經過挑選直接使用，那么將在電路板上產生漏電流，這對于輸入信號的干擾將是致命的。FR4的板材的阻抗一般在1011～1015Ω左右，如果是±5 V甚至幅值更高的電源，將在電路板上產生高達0.1 nA的干擾電流，如果在高溫高濕的環境下，這種干擾電流將進一步擴大，這對于探測器的信號測量顯然是不利的，為了保證電路板產生的干擾信號不影響到輸入信號，必須采用阻抗更大的板材，采用阻抗為1015～1018Ω的特氟龍板材為更好的選擇，噪聲電流信號遠遠低于輸入的信號，幾乎不會產生影響。為了提高電路導電率，電路板焊接采用回流焊或者波峰焊的方法，采用導電率更高的SAC305錫漿進行焊接，避免人工焊接帶來的誤差。

測量發動機葉片溫度時，污染物較多，例如油污等，對微弱信號處理帶來了很大的困難，為此有必要對電路板進行三防涂覆。涂覆之前需要在微波清洗機中對焊接好的電路板進行3 h以上的清洗，清除助焊劑等一些微小的顆粒物，保證電路板的潔凈度。在電路板表面噴涂上0.5 mm厚的聚對二甲苯三防漆，保證噴涂厚度均勻，但不影響電路連接導通等功能。光學系統和電路系統被封裝在鐵盒中，光纖光路輸入線和電路輸入輸出線用防水接頭連接，盒子和盒身用防水密封圈進行密封。

3 標定和環境適應性試驗

3.1 信號放大調理電路試驗驗證

使用標準信號源對微弱信號放大電路準確性和穩定性進行考核。使用KEITHLEY6221提供標準信號100 nA，對其分別放大 107和 106倍；提供標準信號0.010，1，10，100μA，對該系列信號則分別放大107，106，105和104倍。使用Agilent2901A數表分別對這些標準信號進行了長達近4 h的連續監測，監測數據的最大最小值如表2所示。

表2 不同放大倍數的標準信號測試結果

將10 nA放大107倍，監測近3 h放大后的電壓值隨時間變化如圖5所示，從圖表中可以看出，在近3 h的測試中，放大后的信號波動為0.1‰，穩定性非常好。放大倍數為107時，輸入0 nA至放大電路，其輸出為0.2 mV，對其進行0輸入補償，計算放大倍數的相對誤差，均在0.3‰內，說明放大微弱信號具有很高的準確性，這對于1%的測溫誤差要求可以忽略不計。

圖5 標準信號放大效果

3.2 靜態溫度校準試驗和環境試驗

使用多光譜方法建立測溫方程組，利用矩陣奇異值分解方法對方程組進行求解。使用黑體輻射源對系統的測溫準確度指標進行驗證，試驗如圖6（a）所示。將黑體輻射源調整至800～2050℃之間的整百度點和上限值，使用多光譜測溫系統對黑體輻射源進行測試，讀取輸出的溫度值，與黑體輻射源的證書值進行對比，得到的結果如表3所示。

表3 靜態溫度校準結果

從表3中可看出，在各個溫度點校準得到的數據與標準值相比相對誤差的絕對值均不大于0.3%，優于設計指標，說明能夠準確地測量溫度值。

為了驗證多光譜表面溫度計的環境適應性，對多光譜表面溫度計進行了高低溫貯存試驗和濕熱貯存試驗，試驗如圖6（b）和 6（c）所示。

將多光譜表面溫度計在低溫貯存條件為-30℃的環境試驗箱中放置24 h，在高溫貯存條件為70℃的環境試驗箱中放置24 h，濕熱貯存環境濕度為95%，溫度在30～60℃間循環變化，每2 h為一個周期，貯存24 h。每一次環境試驗后，選取了設計極限溫度點和量程切換的溫度點依次進行測試，選取的溫度點為800，1000，1400，2050℃，測試后的數據如表 4所示。

圖6 多光譜輻射表面溫度計黑體測試和環境試驗

表4 環境適應性測試結果

從表4中可以看出，高低溫貯存對于多光譜表面溫度傳感器幾乎沒有影響，同時也說明信號調理電路對于高低溫環境具有較好的適應性。濕熱環境對于多光譜表面溫度計的影響稍微大一些，后期檢查中，發現固定盒子的發黑螺釘有生銹的現象，說明還是有水蒸氣進入了盒中，但是電路依然正常工作，并且能夠滿足設計要求，說明電路三防工藝發揮了作用。

4 結論

本文主要介紹了多光譜表面溫度計中多量程微弱信號調理電路設計方法，通過黑體的校準測試試驗表明，傳感器的系統測溫范圍達到了800～2050℃，測量誤差小于0.3%，說明了設計的電路能夠精準放大微弱的探測器輸出信號。為了滿足項目環境適應性的要求，通過電路元器件參數的設計和選型，增強了信號處理系統對于高低溫環境的適應性，通過電路板的三防處理及光電整體封裝處理，提升了信號處理系統在濕熱環境中的適應能力。最后，對傳感器整體進行了環境適應性試驗并通過了考核，這些試驗為多光譜表面溫度計傳感器能夠應用于航空發動機的葉片溫度測量提供了有力支撐。