李侍林，王瑩瑩，杜世凱，馮隆興，宋春輝

(1.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041;2.北京振興計量測試研究所，北京 100074;3.中國人民解放軍93735部隊，天津 301700)

0 引言

隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，在軍事領(lǐng)域覆蓋精確制導(dǎo)、偵察探測、目標預(yù)警等，這些系統(tǒng)是利用可見光、紅外等波段對運動目標實施探測、捕獲與瞄準跟蹤的光電一體化設(shè)備，其性能優(yōu)劣決定了系統(tǒng)的總體戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標。當前，對于光電設(shè)備尤其是對紅外成像設(shè)備進行性能評估與測試的要求越來越高，測試需求覆蓋光學(xué)設(shè)備生產(chǎn)單位的制造、試驗，和用戶單位的驗收與維護。對于紅外成像測試設(shè)備來說，紅外輻射源的作用尤為重要，輻射源相當于紅外成像設(shè)備的溯源標準，所以紅外輻射源的精度直接決定紅外成像探測設(shè)備的精度水平。當前，高精度紅外輻射源的國內(nèi)市場主要由國外進口產(chǎn)品占據(jù)，這些進口產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)指標包括溫度采集的分辨率可達0.001 ℃，輻射均勻性在0.05 ℃范圍內(nèi)，調(diào)溫速率滿足在8 min以內(nèi)達到溫度提升5 ℃并能夠保持穩(wěn)定，這些指標在一般的紅外成像測試設(shè)備應(yīng)用中能夠滿足使用需要。與水平較高的進口產(chǎn)品相比，國內(nèi)研制與生產(chǎn)的紅外輻射源在性能指標上仍處于劣勢，因此本文在紅外輻射源的實際應(yīng)用與特性指標研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實驗驗證了一種溫度控制硬件系統(tǒng)，能夠有效提高現(xiàn)有紅外輻射源的溫度控制精度，進而提高紅外成像測試設(shè)備的精度水平。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

本文介紹的紅外溫度控制系統(tǒng)針對的是基于帕爾貼效應(yīng)的紅外輻射源，這種紅外輻射源主要依靠器件的帕爾貼效應(yīng)來實現(xiàn)輻射源的升溫與降溫效果。溫度控制系統(tǒng)工作原理如圖1所示，系統(tǒng)為測溫傳感器提供恒定電流輸入來保障傳感器的高精度要求，電路通過溫度傳感器中熱敏電阻阻值的變化進行分壓，將采集的溫度變化體現(xiàn)到電信號電壓幅值的升降上來；再對電信號進行濾波與放大處理，用以去除信號中的高頻干擾噪聲和工頻干擾噪聲并將有效信號放大提高信噪比；控制芯片電路根據(jù)溫度信號的幅值解算出溫度信息與系統(tǒng)設(shè)定的目標溫度通過作差的方式進行比較，根據(jù)比較結(jié)果進行負向的反饋調(diào)節(jié)，得出兩路輸出信號，分別為加熱信號和制冷信號；加熱信號和制冷信號需要通過驅(qū)動電路才能實現(xiàn)對輻射源的溫度控制，該驅(qū)動電路根據(jù)兩路輸入信號的幅值將開關(guān)電源輸出電壓進行比例放大，通過電源輸出控制紅外輻射溫度。溫度控制電路在升溫信號與降溫信號達到動態(tài)平衡時將溫度控制在設(shè)定的目標溫度范圍內(nèi)。

圖1 紅外輻射源溫控系統(tǒng)工作原理

2 溫度控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

紅外輻射源溫度控制系統(tǒng)的硬件電路為降低分布參數(shù)的影響，在設(shè)計時盡可能減少使用分立器件。從功能角度劃分，溫控電路主要包括恒流源電路、信號濾波與放大電路和輻射源驅(qū)動電路。

2.1 高穩(wěn)定恒流源驅(qū)動

輻射源的輻射出射度遵循斯蒂芬波爾茲曼定律，即輻射出射度與輻射源溫度的4次方成正比，可以看出輻射源溫度的微小變化也會對其輻射出射度產(chǎn)生較大影響，因此在紅外成像測試設(shè)備中應(yīng)用紅外輻射源的關(guān)鍵在于對輻射源溫度的精確控制。

常見的利用恒壓源測電阻—單臂電橋電路時，參考電壓與標準電阻的誤差均不能被忽略，他們將直接影響到測量值。另外，不平衡電橋的非線性特性也會給最終的溫度測量帶來了很大的誤差。因此設(shè)計的高精度測溫電路需采用恒流源驅(qū)動。

采用恒流源測電阻時能夠利用串聯(lián)電路中電流一致的原理，能夠有效地解決鉑電阻以及不平衡電橋存在的非線性誤差，提升溫度測量值的準確性。常見的恒流源包括晶體管恒流源、三端穩(wěn)壓芯片恒流源和集成運放恒流源。晶體管與三端穩(wěn)壓芯片恒流源的溫漂較大，不適用于對穩(wěn)定性有很高要求的使用場合。通過集成運放搭建的恒流源主要利用運算放大器的虛短、虛斷原理進行設(shè)計，設(shè)計使用時需要考慮電路的驅(qū)動能力，當需要輸出的電流較大時，運放的選擇與電路搭建尤為關(guān)鍵，搭建的集成運放恒流源如圖2所示。

圖2 恒流源驅(qū)動設(shè)計

U1與T1，U2與T2組成兩組標準恒流源電路，這樣可以消除輸入電壓的漂移從而減少電路的恒流漂移。電路中U2能夠為T2的發(fā)射級提供穩(wěn)定的電壓，因此發(fā)射極電壓保持不變，不受負載變化的影響處在理想的工作狀態(tài)。

為保證晶體管電流穩(wěn)定，輸出晶體管需要選取輸出電阻較大的晶體管，輸出電阻越大越能降低負載變化對恒流的影響；輸入級需要提供高精度恒壓源，本電路選用精度高、功耗低、噪聲低的基準電壓源ADR4550，其最大初始誤差為±0.02%，溫漂系數(shù)為2 ppm/K，具有良好的溫度穩(wěn)定性和較低的輸出噪聲。

2.2 放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

針對放大與濾波電路的設(shè)計分別從兩方面進行考慮：

1)控溫電路最小可分辨能力與控溫準確度相比要高過一個數(shù)量級以上。按照系統(tǒng)要求控溫準確度為0.01 ℃，因此電路的溫度分辨率至少為0.001 ℃。當PT100溫度變化1 ℃時，熱敏電阻的阻值大約變化0.39 Ω，因此本電路對電壓的分辨能力最少為0.39 μV。

2)通常高精度ADC的模數(shù)轉(zhuǎn)化量程為5 V，為保證溫控系統(tǒng)的通用性，在0～600 ℃溫度范圍內(nèi)PT100的電阻阻值變化范圍為119.40～280.98 Ω，轉(zhuǎn)換為電壓信號后相應(yīng)的輸出電壓值變化范圍為0.119 40～0.280 98 V，需要將較小幅值的電壓信號通過運算放大器組成的運算放大電路進行放大處理，按PT100兩端輸出電壓與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換量程上限的關(guān)系進行估算，放大倍數(shù)約為5 V/0.280 98 V≈18。

針對采集信號的特點與數(shù)據(jù)采集電路的要求，需要使用精密儀表專用放大器電路對溫控電路恒流源驅(qū)動的PT100進行前置放大，為保證較好的共模抑制比電路放大器選用ADA4522芯片，其電路如圖3所示。

圖3 放大、濾波電路圖

2.3 溫控系統(tǒng)硬件電路測溫準確度驗證

將溫度控制系統(tǒng)硬件電路中測溫功能部分電路進行實驗室計量檢定，在實驗室環(huán)境下，每間隔10 ℃選取一個校準點，在5～80 ℃內(nèi)進行取樣，根據(jù)溫度傳感器PT100分度表，將精密電阻箱阻值設(shè)置為校準溫度所對應(yīng)的標準電阻值，通過線纜連接在測溫電路上，觀察并記錄測溫電路采集并顯示的溫度值，測量溫度值與設(shè)定溫度值的差值即為誤差，測量數(shù)據(jù)如表1可知，在5～80 ℃的溫度內(nèi)，測溫電路的采樣值誤差均在0.03 ℃以內(nèi)。

表1 測溫準確度測量數(shù)據(jù)

3 電壓驅(qū)動電路設(shè)計

紅外輻射源的溫度變化取決于對其半導(dǎo)體器件所施加的工作電壓的幅值大小及電壓方向，通過電壓方向的變換實現(xiàn)紅外輻射源的加熱與制冷的變換，實現(xiàn)溫度控制的效果。紅外輻射源可達到的溫度變化范圍為5～80 ℃，這就需要驅(qū)動器件提供較大的驅(qū)動功率。恒流驅(qū)動方式較難實現(xiàn)電流方向切換，且電源效率低、發(fā)熱現(xiàn)象嚴重，因此本電路設(shè)計采取一種半導(dǎo)體電壓驅(qū)動方式。電壓驅(qū)動電路將輸入電壓范圍為0～10 V的模擬信號轉(zhuǎn)換成占空比為0%～100%的PWM信號進行輸出，轉(zhuǎn)換得到的PWM信號通過BTN8962TA芯片進行功率放大，經(jīng)放大后的信號輸出電流可達20 A，能承受的最大輸入電源電壓為35 V，具有很強的驅(qū)動能力。BTN8962TA芯片對電路的兩路輸入信號均進行功率放大提高驅(qū)動能力，放大后的輸出電壓直接并聯(lián)在紅外輻射源的兩端，由此實現(xiàn)改變電流方向的效果。

由于溫度控制系統(tǒng)采用開關(guān)電源的直流輸出電壓為BTN8962TA芯片提供電源供電，基于帕爾貼效應(yīng)的紅外輻射源在常溫下交流電組極小，約為0.1 Ω，因此上電瞬間會存在較大的輸入浪涌電流，長期受浪涌電流影響會降低芯片的可靠性。為避免浪涌電流的影響本電路在輸入端增加一個可復(fù)位的保險絲，保險絲內(nèi)阻7.5 Ω可有效抗擊浪涌電流的沖擊；為防止漏電流的影響，電路再通過瞬態(tài)抑制二極管的正向?qū)?、反向擊穿特性起到雙重保護的作用。

4 實驗結(jié)果與分析

將設(shè)計的溫度控制硬件電路與輻射源和相應(yīng)軟件控制算法搭配進行紅外輻射源溫度控制驗證實驗，本文將與模糊PID控制算法相結(jié)合，對輻射源進行溫度控制并對其進行性能參數(shù)的測試。使用的輻射源主要由輻射板、半導(dǎo)體帕爾貼器件、散熱片、四線制PT100溫度傳感器等部分組成。

4.1 升溫并穩(wěn)定時間測試實驗

在實驗室環(huán)境下，將被測紅外輻射源初始溫度設(shè)置為5 ℃，待其溫度達到穩(wěn)定后，設(shè)置紅外輻射源溫度為10 ℃并同時開始計時，待溫度達到10 ℃且穩(wěn)定在浮動范圍在0.02 ℃以內(nèi)時停止計時，此時時間T1s即為升溫并穩(wěn)定時間[6]，在5～80 ℃的溫度范圍內(nèi)以每隔5 ℃為間隔選取測試溫度點，實驗測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 升溫并穩(wěn)定時間實驗測試數(shù)據(jù)

由實驗數(shù)據(jù)可知，每升高5 ℃并穩(wěn)定時間在8 min以內(nèi)。

4.2 溫場精確度測試實驗

在實驗室環(huán)境中，首先記錄環(huán)境溫度，并將紅外輻射源溫度分別設(shè)定為5 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃共9個溫度點，逐個溫度點進行觀測紅外輻射源實測溫度是否在設(shè)定的溫度范圍±0.02 ℃內(nèi)變化。然后將紅外熱像儀的光學(xué)系統(tǒng)調(diào)至無窮遠的狀態(tài)，對紅外輻射源80%有效輻射面積內(nèi)3×3個溫度點進行均勻掃描，記錄紅外熱像儀的各組測量值。依據(jù)進行運算處理，計算出各測量點溫度值與平均值的最大差值即為溫度精度最終測試結(jié)果，測試數(shù)據(jù)如表3所示，由實驗數(shù)據(jù)可知，在5～80 ℃的溫度范圍內(nèi)紅外輻射源溫度精度為(0.05+0.02|Δt|) ℃(Δt為環(huán)境溫度與設(shè)定溫度之差)。

表3 溫場精確度實驗測試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

根據(jù)紅外成像測試設(shè)備的校準需求，設(shè)計一種溫控系統(tǒng)的硬件電路，通過計量校準可知該溫控系統(tǒng)采樣精度可達0.03 ℃，與紅外輻射源配套使用，對紅外輻射源的主要性能指標進行了驗證，結(jié)果表明，升溫5 ℃并穩(wěn)定時間≤8 min，均勻性為(0.05+0.02|Δt|) ℃(Δt為環(huán)境溫度與設(shè)定溫度之差)，性能指標滿足設(shè)計要求。