瞬態(tài)表面溫度自動(dòng)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)

摘要：瞬態(tài)表面溫度動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)一直是十分令人關(guān)注的問題。本文介紹一種自動(dòng)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理以及軟件設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)表面溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性的自動(dòng)校準(zhǔn)。
關(guān)鍵詞：溫度傳感器；動(dòng)態(tài)特性；自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)
Auto-calibration System for Transient Surface Temperature Dynamic Characteristics
Lu Feiyue
Abstract：The calibration technology for transient surface temperature dynamic characteristics is always a focused problem. The article introduced one kind of auto-dynamic calibration system’s structure and principle as well as software design, this system could realize auto-calibration dynamic characteristic for surface temperature transducer.
Keywords：temperature transducer；dynamic characteristics；auto-calibration system
1 引言
　　在瞬態(tài)表面溫度測(cè)量中，溫度隨時(shí)間迅速變化，用于測(cè)量的傳感器由于感溫件的熱慣性和有限熱傳導(dǎo),將使輸出的溫度信號(hào)與實(shí)際被測(cè)的溫度信號(hào)存在或多或少的差別,即所謂的動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差。動(dòng)態(tài)測(cè)量要求盡量減少這類系統(tǒng)誤差，對(duì)這一問題的解決一般采用對(duì)溫度傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的方法。動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的目的在于利用已知迅速變化的溫度信號(hào)來探明各類溫度傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差或動(dòng)態(tài)特性，用來對(duì)測(cè)溫結(jié)果進(jìn)行修正使之更接近真實(shí)的溫度信號(hào)，達(dá)到減少動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差的目的。
　　動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的基本方案如下：借助脈沖激光加熱在被校傳感器溫度表面產(chǎn)生一準(zhǔn)階躍脈沖溫度信號(hào)，同時(shí)以被校傳感器和紅外探測(cè)器對(duì)此迅速變化溫度信號(hào)進(jìn)行測(cè)量對(duì)比。紅外探測(cè)器的頻響特性遠(yuǎn)優(yōu)于被校傳感器，可將紅外探測(cè)器的響應(yīng)作為被校傳感器的輸入信號(hào)，而被校傳感器的響應(yīng)作為本身的輸出信號(hào)，以前者來校準(zhǔn)后者的頻響且獲得動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差的修正曲線。
　　本文介紹一種基于上述基本方案的自動(dòng)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)表面溫度傳感器的動(dòng)態(tài)特性的自動(dòng)校準(zhǔn).

2 自動(dòng)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理
　　自動(dòng)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)的原理如下：
　　首先，通過計(jì)算機(jī)輸入被校傳感器的具體參數(shù)及校準(zhǔn)要求，根據(jù)事先建立的理論模型進(jìn)行計(jì)算，可由計(jì)算機(jī)選擇相應(yīng)所需的激光器輸出參數(shù)，控制激光器的實(shí)際輸出。
　　接下來，由計(jì)算機(jī)控制連續(xù)激光器和斬波器輸出一定能量的連續(xù)激光，垂直輻照于被校傳感器的表面上。使被校傳感器達(dá)到一平衡溫度后，以被校傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器，用來對(duì)紅外探測(cè)器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，獲得紅外探測(cè)器的工作特性曲線。
　　最后，由計(jì)算機(jī)控制脈沖激光器（作為熱源）輸出一定能量與寬度的脈沖激光，脈沖激光被表面吸收升溫，且向內(nèi)傳熱。被校傳感器響應(yīng)到表面處的溫度變化，經(jīng)前置放大器1在記憶示波器上記錄。同時(shí)被校傳感器表面產(chǎn)生紅外輻射經(jīng)橢球面反射鏡聚焦成像，由紅外探測(cè)器檢測(cè)到表面溫度變化，經(jīng)前置放大器2在記憶示波器上同時(shí)記錄下來。記憶示波器上記錄的二條溫度變化曲線分別采樣輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可求取這二條曲線的傅氏變換的比值數(shù)就得到被校傳感器的頻響函數(shù)即動(dòng)態(tài)特性。
　　被校傳感器和紅外探測(cè)器是對(duì)稱放置在作為聚焦系統(tǒng)的橢球面反射鏡的兩個(gè)主軸共軛焦點(diǎn)上。為避免在二者之間的直接輻射熱傳遞，加入一熱隔器。反射鏡經(jīng)過研磨精加工且鍍上金屬膜如金、銀、鋁，這樣可以提高紅外輻射的反射率。經(jīng)過研究與實(shí)驗(yàn)表明：采用橢球面鏡其共軛聚焦特性較好，這對(duì)提高紅外探測(cè)器的靈敏度和信噪比以及校準(zhǔn)精度十分有意義。
　　選擇紅外探測(cè)器的靈敏波長(zhǎng)為3-5mm，對(duì)于大多數(shù)情況關(guān)心的表面溫度范圍（966K-580K）的最大輻射波長(zhǎng)。這可以有效地避免由傳感器表面散射的激光（連續(xù)激光波長(zhǎng)為10.6mm、脈沖激光波長(zhǎng)為694nm）以及在通常實(shí)驗(yàn)環(huán)境可見光或經(jīng)外背景產(chǎn)生的紅外干擾，這樣又有效地提高紅外探測(cè)器的信噪比和校準(zhǔn)精度。另外，紅外探測(cè)器要選擇在室溫下工作時(shí)具有幾十個(gè)ns級(jí)響應(yīng)，并且其性能好與穩(wěn)定。
　　為滿足各種溫度特別是大容量傳感器加熱到高溫的要求，脈沖激光器要求脈沖寬度可以在50ns-30mm內(nèi)調(diào)整，脈沖激光被傳感器表面吸收時(shí)，溫升可以看作準(zhǔn)階躍函數(shù)，這足夠用來校準(zhǔn)大多數(shù)現(xiàn)有mm級(jí)快速響應(yīng)的表面溫度傳感器。另外，脈沖能量保證適當(dāng)。
　　以連續(xù)激光器作為熱源對(duì)紅外探測(cè)器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定是此校準(zhǔn)系統(tǒng)的獨(dú)特之處，在于保證了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)時(shí)相同的條件，提高了校準(zhǔn)精度。對(duì)薄膜熱電偶傳感器（其頻響一般為ms級(jí)）動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)時(shí)，紅外探測(cè)器頻響（達(dá)幾十ns級(jí)）遠(yuǎn)高于被校傳感器，用其靜標(biāo)代替動(dòng)標(biāo)是可信的。
　　在大孔徑聚焦下，連續(xù)激光將溫度傳感器加熱到高溫時(shí)，處于共軛位置的紅外探測(cè)器可達(dá)到與熱源（被校傳感器表面）幾乎相等的平衡溫度，因此必須加入連續(xù)斬波器，以保護(hù)紅外探測(cè)器器件不被燒毀。
3 自動(dòng)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
　　自動(dòng)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)的軟件部分采用VB6.0開發(fā)，具有數(shù)據(jù)采集與通迅、計(jì)算處理、過程控制、文件管理、數(shù)據(jù)存貯、打印和聯(lián)機(jī)幫助等功能，采用Windows窗口式中文界面。
　　軟件部分是整個(gè)校準(zhǔn)系統(tǒng)的靈魂，過程控制、自動(dòng)計(jì)算、數(shù)據(jù)保存和工作流程等都將由軟件管理，由主程序和若干子程序組成。主程序主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)初始化、主界面生成，以及數(shù)據(jù)管理和打印輸出等，子程序主要有以下幾個(gè)部分：
　　校準(zhǔn)參數(shù)輸入子程序：用來輸入被校傳感器的具體參數(shù)及校準(zhǔn)要求；
　　理論校準(zhǔn)模型計(jì)算子程序： 根據(jù)事先建立的理論模型進(jìn)行計(jì)算，可由計(jì)算機(jī)選擇相應(yīng)所需的激光器輸出參數(shù)，控制激光器的實(shí)際輸出；
　　紅外探測(cè)器靜態(tài)標(biāo)定過程控制子程序：由計(jì)算機(jī)控制連續(xù)激光器和斬波器改變輸出的功率，同時(shí)對(duì)紅外探測(cè)器和被校傳感器的溫度進(jìn)行采樣，生成靜標(biāo)采樣數(shù)據(jù)文件；
　　靜態(tài)標(biāo)定處理子程序：根據(jù)靜標(biāo)采樣數(shù)據(jù)文件，利用高階曲線擬合的方法，生成和顯示定標(biāo)曲線；
　　被校傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)控制子程序： 根據(jù)被校傳感器的具體參數(shù)及校準(zhǔn)要求，調(diào)整脈沖激光器脈沖寬度，輸出合適的脈沖激光進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，由記憶示波器同時(shí)記錄下二條溫度曲線；
　　數(shù)據(jù)采集與通訊子程序：對(duì)記憶示波器上的二條溫度曲線進(jìn)行采樣，并傳送到計(jì)算機(jī)，分別生成二個(gè)動(dòng)態(tài)采樣數(shù)據(jù)文件；
　　動(dòng)態(tài)特性計(jì)算子程序：根據(jù)二個(gè)動(dòng)態(tài)采樣數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行歸一化數(shù)據(jù)處理,分別計(jì)算二條曲線的傅氏變換，并且求取被校傳感器的頻響函數(shù)。
4 結(jié)束語(yǔ)
　　本動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)基本可以實(shí)現(xiàn)對(duì)具有ms級(jí)較快響應(yīng)瞬態(tài)高溫在2000-3000K的薄膜熱電偶動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，并且全過程將由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制可使動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化。在此基礎(chǔ)上，有望形成一套統(tǒng)一公認(rèn)的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)和方法,作為瞬態(tài)表面溫度傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)。