基于MSP430的瞬態高溫傳感器設計

李偉，郝曉劍，周漢昌

(中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051)

0 引言

高溫測量技術在冶金、航空、航天、化學等領域中具有十分廣泛的應用，對于瞬態高溫測量主要有輻射測溫和接觸測溫兩種方式，對于傳統使用接觸法的鉑銠絲熱電偶來測量瞬態高溫[1]，由于壽命短，響應時間慢，難以進行有效的實時檢測。由于藍寶石(α-A12O3)單晶光纖物理化學性能穩定, 機械強度好，硬度高、絕緣, 耐腐蝕，折射率大、在0.3～4.0μm波段范圍內透光性很好，熔點高達2045℃，藍寶石單晶光纖是目前在高溫環境下最適用的光波導材料之一[2-3]，采用藍寶石單晶光纖（直徑0.7mm）設計黑體腔溫度傳感器，其數據采集與顯示系統采用TI 公司的MSP430 系列超低功耗單片機作為核心控制元件，實現了數據的高速采集與顯示，基本可以滿足瞬態高溫測量的需求。

1 傳感器工作原理與系統組成

1.1 傳感器測溫原理

黑體腔高溫傳感器將接觸式和輻射式測溫相結合，以黑體輻射理論為基礎。根據Planck黑體輻射定律，當光纖黑體腔置于溫度為T的被測場，藍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；T為絕對溫度；c1=3.74183×10-16（W.m2）為第一輻射常數；c2=1.43879×10-2（mK）為第二輻射常數。

設干涉濾光片的光譜響應函數為f(λ)，光電探測器（低噪聲光電放大器）的光譜響應函數為D(λ)，考慮到更一般的情況設傳感頭的單色發射率為εA(λ)，干涉濾光片的中心波長為λ0，帶寬為Δλ，輻射光信號經光纖傳入硅光探測器后輸出的電壓為：

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

當干涉濾光片的帶寬很窄時，可以假設：η(λ)=η(λ0)，f(λ)=f(λ0)，D(λ)=D(λ0)，則 ：，由此式可以得出K是一個與溫度無關的常數，因此只需在單一溫度點下標定即可得出K值。

1.2 傳感器系統設計

藍寶石光纖測溫系統如圖1 所示。系統由藍寶石光纖黑體腔、低噪聲光電放大器、信號處理模塊、單片機、輸出顯示和計算機接口等組成。首先在單晶藍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溫度場，使探頭快速與被測溫度場達到熱平衡，再由黑體腔發出微光輻射信號經680nm干涉濾光片，通過低噪聲光電放大器（固態光電倍增管Solid-state Photomultiplier，SSPM）轉換為電信號，電信號經放大、A/D 轉換進入單片機進行數據處理，最后由LCD輸出測量結果，還可通過USB接口與計算機進行通信。

圖1 傳感器系統框圖

2 光纖黑體腔的構成

黑體腔探頭的設計是藍寶石光纖高溫傳感器研制的關鍵，探頭的結構、材料及鍍膜工藝決定著傳感器的測溫上限、動態響應以及使用壽命，也決定著探頭本身的熱輻射特性，從而影響到傳感器的測溫精度、重復性與穩定性。

由于膜層的熱輻射材料直接影響黑體腔的熱輻射性質，所以構成光纖黑體腔的薄膜材料應具備：熔點高，一般在3000℃以上；能承受高溫燒蝕的惡劣環境，并與光纖基體（藍寶石）有良好的附著力；高溫下的導熱系數、發射率等物化性能穩定，且抗氧化性好；高溫下具有較高的導熱系數和輻射發射率，且熱容量較小。最后利用磁控濺射技術將鉬作為膜層材料鍍制在藍寶石光纖上，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。

腔體形狀的選擇從腔口發射率和實際加工及經濟方面的考慮，有錐型腔、圓柱型腔、球型腔和帶孔圓柱筒型腔等[4]。黑體腔有效發射率的計算有積分方程理論、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）對黑體腔各種形狀的發射率進行計算。經計算，當腔體材料或涂層的發射率ε＞0.99時，其中以球型腔和帶孔圓柱筒型腔的發射率為最高圓柱型腔次之。針對藍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熱率，故探頭熱容量極小，所以探頭與被測熱源能迅速達到熱平衡。若光纖感溫腔的軸向長度足夠小，則可認為處于熱平衡下的感溫腔是一等溫腔。又因藍寶石晶體的折射率n=1.75，最后能從腔口出射的光輻射在傳輸時只能限制在沿光纖軸很小的立體角內，因此可近似認為沿光纖軸傳輸的是一維光。基于以上假設，當光纖感溫層材料發射率ε大于0.5時，感溫腔結構尺寸L/R大于20時，腔口有效發射率ε0就非常接近1。因此黑體腔的最佳長度應滿足L（腔體長度）與R（腔體半徑）之比在20左右。

3 光輻射探測與處理模塊

微光信號探測也是此傳感器的關鍵技術之一，微光探測器的性能也影響著該傳感器的動態響應特性。該探測模塊由Ireland的A35HD-TO18 SSPM和與之配套的跨阻放大器組成，該模塊主要進行微光信號的探測和放大，有較好的信噪比并可同時檢測交流和直流信號。其中SSPM接收面積約為1mm2，并可與藍寶石光纖直接耦合，簡化了光電轉換模塊的結構設計，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具有很高的內部增益（4×105）和快速的響應特性（響應時間小于1ns）。圖2為該探測器的光子探測效率，可見在可見光范圍內具有較高的探測效率。根據維恩定律得知溫度越高，其輻射強度最大波長越短，所以此SSPM符合高溫測試需求。

圖2 光子探測效率與波長的關系

4 顯示與通信系統設計

由光電探測器輸出的電信號經過放大處理，進入A/D轉換為數字信號輸出并顯示。經單片機處理可直接得出被測溫度，其時間——電壓信號波形存儲在存儲裝置中。通過USB接口與計算機進行通信來進行下一步的數據處理。單片機作為信號處理的核心，完成控制、計算、輸出和通信等功能。采用MSP430F169作為控制芯片[6-8]。系統的顯示部分采用S6B0724芯片，可以直接與單片機進行8位并行或串行通信，具有很高的靈活性。選擇CP2101芯片使USB通信接口設計變得十分容易。

4.1 單片機與顯示接口設計

由于此單片機與LCD均采用3.3V的工作電壓，因此單片機與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動，因此單片機可以直接與LCD連接。單片機I/ O引腳豐富，為了提高顯示速度，采用并行接口，單片機的P4口與P5口的3根線分別作為數據線和控制線與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通信接口設計

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。這兩個引腳為USB的掛起和恢復信號，此功能便于CP2101器件以及外部電路的電源管理。當在總線上檢測到掛起信號時，CP2101進入掛起模式，可以節省電能。此時CP2101會發出SUSPEND與SUSPEND信號。為了避免SUSPEND與SUSPEND在復位期間處于高電平，使用10kΩ的下拉電阻確保SUSPEND在復位期間處于低電平。CP2101的USB功能控制器管理USB和UART間所有的數據傳輸，以及由USB主控制器發出的命令請求以及用于控制UART功能的命令等。CP2101的UART接口處理所有的RS232信號，包括控制和握手信號。CP2101的VBUS與VREGIN引腳必須始終連到USB的VBUS信號上。在VREGIN的輸入端加去耦電容(1μF與0.1μF并聯)[5]。

圖4 USB通信接口電路

5 軟件設計

USB接口程序設計包括3部分： USB設備驅動程序、主機應用程序、單片機程序。3者互相配合才能完成可靠、快速的數據傳輸。其中USB設備驅動程序Cygnal 公司已經提供。所以只需要編寫其它兩部分：單片機MSP430F169的串行通信程序，即對波特率、數據位、校驗位、有無奇偶校驗等通信協議的設計及單片機串行通信功能控制器的設置；主機對CP2101的通信程序，這部分要在VC++環境中調用API函數實現。

6 實驗及結論

為了驗證系統的性能，以激光器為瞬態高溫熱源對其進行測試。激光器采用Diamond K-500 OEM型CO2激光器系統。固定瞬態表面超高溫傳感器，調節激光器輸出激光脈沖的脈寬為35μs ，周期是100μs ，出光時間為60ms。用聚焦透鏡將激光器輸出的能量匯聚到傳感頭上以產生瞬態高溫（約1500℃），得到如圖5所示波形，從波形圖可以看出，其響應時間約35ms，符合瞬態測溫要求，達到了預期的目的。由于光纖高溫傳感器具有測溫范圍廣、精度高和響應快等優點，它將在化工、能源、冶金和科學研究中得到廣泛的應用。

圖5 傳感器系統響應波形

[1]朱麟章.高溫測量原理與應用[M].北京:科學出版社,1991:1-2.

[2]葉林華.傳感器與傳能用藍寶石單晶光纖的生長與光學特性[J],紅外與毫米波學報,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[M].北京:科學出版社,1961:11.

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

[6]沈建華,楊艷琴,翟驍曙.MSP430 系列16 位超低功耗單片機原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004.

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

[8]魏小龍.MSP430 系列單片機接口技術及系統設計實例[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.