李偉，郝曉劍，周漢昌

(中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

0 引言

高溫測(cè)量技術(shù)在冶金、航空、航天、化學(xué)等領(lǐng)域中具有十分廣泛的應(yīng)用，對(duì)于瞬態(tài)高溫測(cè)量主要有輻射測(cè)溫和接觸測(cè)溫兩種方式，對(duì)于傳統(tǒng)使用接觸法的鉑銠絲熱電偶來測(cè)量瞬態(tài)高溫[1]，由于壽命短，響應(yīng)時(shí)間慢，難以進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)檢測(cè)。由于藍(lán)寶石(α-A12O3)單晶光纖物理化學(xué)性能穩(wěn)定, 機(jī)械強(qiáng)度好，硬度高、絕緣, 耐腐蝕，折射率大、在0.3～4.0μm波段范圍內(nèi)透光性很好，熔點(diǎn)高達(dá)2045℃，藍(lán)寶石單晶光纖是目前在高溫環(huán)境下最適用的光波導(dǎo)材料之一[2-3]，采用藍(lán)寶石單晶光纖（直徑0.7mm）設(shè)計(jì)黑體腔溫度傳感器，其數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)采用TI 公司的MSP430 系列超低功耗單片機(jī)作為核心控制元件，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速采集與顯示，基本可以滿足瞬態(tài)高溫測(cè)量的需求。

1 傳感器工作原理與系統(tǒng)組成

1.1 傳感器測(cè)溫原理

黑體腔高溫傳感器將接觸式和輻射式測(cè)溫相結(jié)合，以黑體輻射理論為基礎(chǔ)。根據(jù)Planck黑體輻射定律，當(dāng)光纖黑體腔置于溫度為T的被測(cè)場(chǎng)，藍(lán)寶石光纖黑體腔單色輻射通量為：

式中a為腔口黑體腔的面積； λ為輻射光波長(zhǎng)；T為絕對(duì)溫度；c1=3.74183×10-16（W.m2）為第一輻射常數(shù)；c2=1.43879×10-2（mK）為第二輻射常數(shù)。

設(shè)干涉濾光片的光譜響應(yīng)函數(shù)為f(λ)，光電探測(cè)器（低噪聲光電放大器）的光譜響應(yīng)函數(shù)為D(λ)，考慮到更一般的情況設(shè)傳感頭的單色發(fā)射率為εA(λ)，干涉濾光片的中心波長(zhǎng)為λ0，帶寬為Δλ，輻射光信號(hào)經(jīng)光纖傳入硅光探測(cè)器后輸出的電壓為：

式中，η（λ）為光信號(hào)在光纖中的傳輸損耗，包括其它光學(xué)元件的插入損耗引起的輻射能損失，顯然η（λ）＜1。K為轉(zhuǎn)換系數(shù)，R(T)為傳感器的輻射通量。

當(dāng)干涉濾光片的帶寬很窄時(shí)，可以假設(shè)：η(λ)=η(λ0)，f(λ)=f(λ0)，D(λ)=D(λ0)，則 ：，由此式可以得出K是一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)，因此只需在單一溫度點(diǎn)下標(biāo)定即可得出K值。

1.2 傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

藍(lán)寶石光纖測(cè)溫系統(tǒng)如圖1 所示。系統(tǒng)由藍(lán)寶石光纖黑體腔、低噪聲光電放大器、信號(hào)處理模塊、單片機(jī)、輸出顯示和計(jì)算機(jī)接口等組成。首先在單晶藍(lán)寶石光纖的一端形成封閉的圓柱形黑體腔作為傳感器探頭并將其置入被測(cè)溫度場(chǎng)，使探頭快速與被測(cè)溫度場(chǎng)達(dá)到熱平衡，再由黑體腔發(fā)出微光輻射信號(hào)經(jīng)680nm干涉濾光片，通過低噪聲光電放大器（固態(tài)光電倍增管Solid-state Photomultiplier，SSPM）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)放大、A/D 轉(zhuǎn)換進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后由LCD輸出測(cè)量結(jié)果，還可通過USB接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。

圖1 傳感器系統(tǒng)框圖

2 光纖黑體腔的構(gòu)成

黑體腔探頭的設(shè)計(jì)是藍(lán)寶石光纖高溫傳感器研制的關(guān)鍵，探頭的結(jié)構(gòu)、材料及鍍膜工藝決定著傳感器的測(cè)溫上限、動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及使用壽命，也決定著探頭本身的熱輻射特性，從而影響到傳感器的測(cè)溫精度、重復(fù)性與穩(wěn)定性。

由于膜層的熱輻射材料直接影響黑體腔的熱輻射性質(zhì)，所以構(gòu)成光纖黑體腔的薄膜材料應(yīng)具備：熔點(diǎn)高，一般在3000℃以上；能承受高溫?zé)g的惡劣環(huán)境，并與光纖基體（藍(lán)寶石）有良好的附著力；高溫下的導(dǎo)熱系數(shù)、發(fā)射率等物化性能穩(wěn)定，且抗氧化性好；高溫下具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和輻射發(fā)射率，且熱容量較小。最后利用磁控濺射技術(shù)將鉬作為膜層材料鍍制在藍(lán)寶石光纖上，再在鉬的外面鍍上氧化鋯膜層（防止鉬在高溫下氧化），膜層厚度為微米級(jí)。

腔體形狀的選擇從腔口發(fā)射率和實(shí)際加工及經(jīng)濟(jì)方面的考慮，有錐型腔、圓柱型腔、球型腔和帶孔圓柱筒型腔等[4]。黑體腔有效發(fā)射率的計(jì)算有積分方程理論、多重反射理論、蒙特卡洛方法等，采用Gouffe理論（基于多重反射理論）對(duì)黑體腔各種形狀的發(fā)射率進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)腔體材料或涂層的發(fā)射率ε＞0.99時(shí)，其中以球型腔和帶孔圓柱筒型腔的發(fā)射率為最高圓柱型腔次之。針對(duì)藍(lán)寶石光纖采用圓柱型腔作為黑體腔的腔型。

由于感溫膜層具有較高的導(dǎo)熱率，故探頭熱容量極小，所以探頭與被測(cè)熱源能迅速達(dá)到熱平衡。若光纖感溫腔的軸向長(zhǎng)度足夠小，則可認(rèn)為處于熱平衡下的感溫腔是一等溫腔。又因藍(lán)寶石晶體的折射率n=1.75，最后能從腔口出射的光輻射在傳輸時(shí)只能限制在沿光纖軸很小的立體角內(nèi)，因此可近似認(rèn)為沿光纖軸傳輸?shù)氖且痪S光?；谝陨霞僭O(shè)，當(dāng)光纖感溫層材料發(fā)射率ε大于0.5時(shí)，感溫腔結(jié)構(gòu)尺寸L/R大于20時(shí)，腔口有效發(fā)射率ε0就非常接近1。因此黑體腔的最佳長(zhǎng)度應(yīng)滿足L（腔體長(zhǎng)度）與R（腔體半徑）之比在20左右。

3 光輻射探測(cè)與處理模塊

微光信號(hào)探測(cè)也是此傳感器的關(guān)鍵技術(shù)之一，微光探測(cè)器的性能也影響著該傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。該探測(cè)模塊由Ireland的A35HD-TO18 SSPM和與之配套的跨阻放大器組成，該模塊主要進(jìn)行微光信號(hào)的探測(cè)和放大，有較好的信噪比并可同時(shí)檢測(cè)交流和直流信號(hào)。其中SSPM接收面積約為1mm2，并可與藍(lán)寶石光纖直接耦合，簡(jiǎn)化了光電轉(zhuǎn)換模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得模塊體積縮小。該SSPM由于采用面陣排列并工作于Geiger模式，因此該SSPM具有很高的內(nèi)部增益（4×105）和快速的響應(yīng)特性（響應(yīng)時(shí)間小于1ns）。圖2為該探測(cè)器的光子探測(cè)效率，可見在可見光范圍內(nèi)具有較高的探測(cè)效率。根據(jù)維恩定律得知溫度越高，其輻射強(qiáng)度最大波長(zhǎng)越短，所以此SSPM符合高溫測(cè)試需求。

圖2 光子探測(cè)效率與波長(zhǎng)的關(guān)系

4 顯示與通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)經(jīng)過放大處理，進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出并顯示。經(jīng)單片機(jī)處理可直接得出被測(cè)溫度，其時(shí)間——電壓信號(hào)波形存儲(chǔ)在存儲(chǔ)裝置中。通過USB接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信來進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)作為信號(hào)處理的核心，完成控制、計(jì)算、輸出和通信等功能。采用MSP430F169作為控制芯片[6-8]。系統(tǒng)的顯示部分采用S6B0724芯片，可以直接與單片機(jī)進(jìn)行8位并行或串行通信，具有很高的靈活性。選擇CP2101芯片使USB通信接口設(shè)計(jì)變得十分容易。

4.1 單片機(jī)與顯示接口設(shè)計(jì)

由于此單片機(jī)與LCD均采用3.3V的工作電壓，因此單片機(jī)與LCD之間的接口不存在電平匹配問題，由于顯示器只需要接受指令，所以不需要大功率驅(qū)動(dòng)，因此單片機(jī)可以直接與LCD連接。單片機(jī)I/ O引腳豐富，為了提高顯示速度，采用并行接口，單片機(jī)的P4口與P5口的3根線分別作為數(shù)據(jù)線和控制線與LCD相連接，接口電路如圖3所示。

圖3 MSP430與LCD接口示意圖

4.2 USB通信接口設(shè)計(jì)

USB通信接口電路如圖4所示。CP2101的SUSPEND與SUSPEND引腳接到MSP430F13X的普通串口上。這兩個(gè)引腳為USB的掛起和恢復(fù)信號(hào)，此功能便于CP2101器件以及外部電路的電源管理。當(dāng)在總線上檢測(cè)到掛起信號(hào)時(shí)，CP2101進(jìn)入掛起模式，可以節(jié)省電能。此時(shí)CP2101會(huì)發(fā)出SUSPEND與SUSPEND信號(hào)。為了避免SUSPEND與SUSPEND在復(fù)位期間處于高電平，使用10kΩ的下拉電阻確保SUSPEND在復(fù)位期間處于低電平。CP2101的USB功能控制器管理USB和UART間所有的數(shù)據(jù)傳輸，以及由USB主控制器發(fā)出的命令請(qǐng)求以及用于控制UART功能的命令等。CP2101的UART接口處理所有的RS232信號(hào)，包括控制和握手信號(hào)。CP2101的VBUS與VREGIN引腳必須始終連到USB的VBUS信號(hào)上。在VREGIN的輸入端加去耦電容(1μF與0.1μF并聯(lián))[5]。

圖4 USB通信接口電路

5 軟件設(shè)計(jì)

USB接口程序設(shè)計(jì)包括3部分： USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、主機(jī)應(yīng)用程序、單片機(jī)程序。3者互相配合才能完成可靠、快速的數(shù)據(jù)傳輸。其中USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序Cygnal 公司已經(jīng)提供。所以只需要編寫其它兩部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)MSP430F169的串行通信程序，即對(duì)波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、有無(wú)奇偶校驗(yàn)等通信協(xié)議的設(shè)計(jì)及單片機(jī)串行通信功能控制器的設(shè)置；主機(jī)對(duì)CP2101的通信程序，這部分要在VC++環(huán)境中調(diào)用API函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

6 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，以激光器為瞬態(tài)高溫?zé)嵩磳?duì)其進(jìn)行測(cè)試。激光器采用Diamond K-500 OEM型CO2激光器系統(tǒng)。固定瞬態(tài)表面超高溫傳感器，調(diào)節(jié)激光器輸出激光脈沖的脈寬為35μs ，周期是100μs ，出光時(shí)間為60ms。用聚焦透鏡將激光器輸出的能量匯聚到傳感頭上以產(chǎn)生瞬態(tài)高溫（約1500℃），得到如圖5所示波形，從波形圖可以看出，其響應(yīng)時(shí)間約35ms，符合瞬態(tài)測(cè)溫要求，達(dá)到了預(yù)期的目的。由于光纖高溫傳感器具有測(cè)溫范圍廣、精度高和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，它將在化工、能源、冶金和科學(xué)研究中得到廣泛的應(yīng)用。

圖5 傳感器系統(tǒng)響應(yīng)波形

[1]朱麟章.高溫測(cè)量原理與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,1991:1-2.

[2]葉林華.傳感器與傳能用藍(lán)寶石單晶光纖的生長(zhǎng)與光學(xué)特性[J],紅外與毫米波學(xué)報(bào),1997,16(3):221-225.

[3]Dils R R.High-temperature optical fiber thermometer[J].Journal of Applied Physics,1983,54 (3):1198.

[4]I.E.坎柏爾.高溫技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,1961:11.

[5]胡大可.MSP430 系列FLASH 型超低功耗16 位單片機(jī)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2001.

[6]沈建華,楊艷琴,翟驍曙.MSP430 系列16 位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[7]MSP430x15x , MSP430x16x , MSP430x161x Mixed SignalMicrocont roller DataSheet .Texas Inst rument s,2003.

[8]魏小龍.MSP430 系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.