碘分子鑒頻器溫度測量系統(tǒng)設計

王雪平，王繼紅，林兆祥，邵軍宜

(1.中南民族大學 激光光譜實驗室，湖北 武漢430074;2.中國科學院 空間科學與應用研究中心，北京100190)

0 引 言

激光雷達是一種先進的大氣探測手段，近年來受到國內(nèi)外廣泛的關注。國內(nèi)正在研制的眾多先進激光雷達中，利用多普勒頻移原理構建的高精度測風激光雷達因其對各部件性能的要求極為苛刻，目前尚未業(yè)務化運行。1983 年，Shimizu 等人提出利用原子(分子)吸收線具有陡峭邊緣的特點做鑒頻器，實現(xiàn)大氣參數(shù)的測量，后來She 等人采用鋇原子濾波器開展了溫度剖面和消光系數(shù)測量研究。1996 年，中國海洋大學劉智深采用532 nm 激光器和碘分子濾波器進行了風剖面的探測。與鋇原子濾波器(工作在大約950 ℃)相比，碘分子濾波器工作溫度較低，更易于實現(xiàn)與控制，近年來，許多學者采用碘分子吸收線作為測風激光雷達鑒頻器件。根據(jù)經(jīng)典的吸收光譜理論，氣體分子吸收譜線的寬度和偏移與其環(huán)境的溫度和壓力密切相關。研究表明:采用碘分子吸收線作為鑒頻器件的測風激光雷達系統(tǒng)要實現(xiàn)高精度高穩(wěn)定測量，碘分子吸收池的溫控精度通常需要達到0.01 ℃［1～2］。

在眾多溫度傳感器中，因集成溫度傳感器AD590 與Pt1000熱敏電阻器都具有測量精度高、測溫范圍廣等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)和生活中得到廣泛的應用［3～5］。為了滿足“子午工程”北京延慶激光雷達臺站高精度測風激光雷達改造的需求，本文根據(jù)這兩種傳感器的特點，開展了相關探溫電路設計和誤差分析研究，最終選取了一種適合高精度測風激光雷達鑒頻器的溫度測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了溫度范圍在25～45 ℃之間時，測量精度達到0.01 ℃的要求。

1 探溫電路分析比較

基于AD590 與Pt 1000 溫度測量系統(tǒng)整體結構一樣，都主要包括信號獲取、差分放大、A/D 轉(zhuǎn)換等部分，對于大部分A/D 轉(zhuǎn)換器而言，其輸入電壓幅度為0～5 V，所以，首先將獲取到的信號經(jīng)過差分放大到合適的范圍，再通過A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

1.1 基于AD590 探溫電路

AD590 是單片集成兩端感溫電流源。在4～30 V 的電壓范圍內(nèi)，其輸出電流與絕對溫度成比例，比例系數(shù)為1 μA/K，0℃輸出電流為273μA，測溫范圍為－55～+150℃，且線性度好，精度高，抗干擾能力強［6］。

基于AD590 探溫電路如圖1 所示，電路可以細分為五部分:供電電路、信號獲取電路、電壓跟隨電路、差分放大電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路。10V 高穩(wěn)定高精度電壓源U1(VRE100CA)為AD590 和2.73 V 基準電壓電路供電;AD590 與10 kΩ 的電阻器R 串聯(lián)，獲得與溫度呈線性相關的電壓信號B，溫度每變化1 ℃，電壓值變化10 mV［7］;通過線性變阻器RP2 分壓得到2.73 V 基準電壓信號A，2.73 V基準電壓信號相當于AD590 在0 ℃時與電阻器R 串聯(lián)的電壓值273 μA×10 kΩ=2.73 V;放大器U2(AD8629)內(nèi)部有兩組放大器U2A 與U2B，其分別作為信號A 與B 的電壓跟隨器，將U2 出來的兩路信號接入到儀表放大器U3(AD621)的正負端，經(jīng)過差分放大10 倍(G=10)得到與溫度呈正比的電壓信號，如果溫度變化范圍為0～50 ℃，輸出電壓值變化范圍為0～5 V。A/D 轉(zhuǎn)換器U4(MAX7705)將差分放大后的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

圖1 基于AD590 溫度測量系統(tǒng)電路Fig 1 Temperature measurement system circuit based on AD590

1.2 基于Pt1000 探溫電路

Pt1000 熱敏電阻器是利用金屬Pt 的電阻值隨溫度變化而變化的物理特性而制成的熱敏元件，其在0 ℃時阻值為1 000 Ω，其溫度電阻特性是［8］

式中 Rt為t ℃時的電阻值，R0為0 ℃時的電阻值，TCR=0.003 851 時的系數(shù)值為:A=3.908 02×10－3℃－1，B =－5.802×10－7℃－2，C =－4.273 50×10－12℃－4。

基于Pt1000 的溫度測量電路如圖2 所示，也可以分為四部分:供電電路、信號獲取電路、差分放大電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路。2.5V 高穩(wěn)定高精度電壓源U1(VRE3025)為U2提供輸入電壓，同時為U4 提供參考電壓;用放大器U2A(AD8629)搭建恒流源電路為Pt 1000 提供2.5 V/10 kΩ=0.25 mA驅(qū)動電流;用放大器U2B(AD8629)搭建2.75 V 基準電壓電路，2.75 V 基準電壓信號相當于Pt 1000 在0 ℃時與恒流源串聯(lián)時的電壓值(1+10)kΩ×0.25 mV=2.75 V;將Pt1000 與恒流源串聯(lián)獲得的電壓信號與U2B 出來的信號接入到差分放大器U3(AD621)的正負端，經(jīng)過差分放大后10 倍(G=10)得到與溫度相關的電壓信號，如果溫度變化范圍為0～100 ℃，電壓值大約變化:0～1 V(0.25 mA×Rt)。A/D 轉(zhuǎn)換器U4(MAX7705)將差分放大后的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

圖2 基于Pt1000 溫度測量系統(tǒng)電路Fig 2 Temperature measurement system circuit based on Pt1000

1.3 探溫電路分析選取

為了保證探溫系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定性，這兩種系統(tǒng)均選用目前市場上穩(wěn)定性較佳的電子元器件，其中，系統(tǒng)供電電源選用朝陽工業(yè)級電源(±12 V，0.5A 和5 V，2.5A，電源精度為±0.1%，紋波系數(shù)小于1 mV);電阻器R，R1，R2，R3，RP2 均選用軍工級電阻器，其誤差為0.01%，溫漂系數(shù)為1×10－6/℃;U2 選用亞德諾公司的AD8629 芯片，其失調(diào)電壓為1 μV、溫度漂移為2 nV/℃，其對電路特性的影響小于0.000 1 ℃;U3 選用儀表放大器AD621，其非線性度小于10×10－6，溫度漂移為1×10－6/℃;U4 選用雙通道、16 位A/D 轉(zhuǎn)換芯片MAX7705，其非線性誤差小于0.003%;圖2 中U1 選用APEX 公司的高精度的基準電壓源芯片VRE100CA，其精度為0.01%，溫度系數(shù)為1×10－6;圖3 中U1 選用APEX 公司的VRE3025 芯片，其精度為0.01%，最小溫度漂移系數(shù)為0.6×10－6/℃。根據(jù)上述元器件的性能指標，分別對圖2 與圖3 電路進行了誤差分析，計算結果表明，當溫度范圍在25 ～45 ℃之間時，基于AD590 與Pt1000探溫電路理論上計算誤差分別為0.005，0.002 ℃;且AD590 外形相比Pt1000 較大，在所制作的碘分子恒溫槽裝置中安裝不方便。綜上比較，最終選取Pt 1000 做檢測器件制作了探溫電路。

2 軟件設計

本文采用Mini2440 開發(fā)板控制MAX7705，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。其中，CPU 處理器為S3C2440A，主頻400 MHz。其GPIO 接口CLKOUT0 與MAX7705 的CLKIN引腳相接，通過時鐘分頻為MAX7705 提供2.4576 MHz 時鐘信號;12CSCL，12CSDA，NSS－SPI，SPICLK，SPIMISO，SPIMOS 引腳分別與MAX7705 的SCLK，DOUT，DIN 引腳相連，通過對MAX7705 寄存器讀寫操作實現(xiàn)CPU 與A/D 轉(zhuǎn)換器MAX7705 之間的通信，MAX7705 寄存器設置與讀數(shù)流程如圖3 所示。根據(jù)MAX7705 芯片特性，為其提供5 V 工作電壓和2.5 V 參考電壓。同時采用限幅平均濾波法對數(shù)據(jù)進行處理，采集速率設置為10 SPS。

圖3 MAX7705 寄存器設置與讀數(shù)流程圖Fig 3 Flow chart of MAX7705 register setting and data read-out

3 檢測結果

為了檢驗所制作的基于Pt 1000 的探溫系統(tǒng)的探測誤差，首先對此系統(tǒng)進行了溫度定標實驗［9］。用控溫儀將碘分子恒溫槽溫度分別控制在11 個溫度點(根據(jù)“子午工程”北京延慶激光雷達臺站高精度測風激光雷達改造的需求:溫度控制在38.00 ℃左右，因此，本文僅對25～45 ℃之間的數(shù)據(jù)進行了溫度標定和誤差分析)，待恒溫槽溫度穩(wěn)定后，對每組數(shù)據(jù)進行10 min 數(shù)據(jù)采集(采集速率為10 SPS)，取這6 000 次測量結果的平均值，整個測試都在溫度控制在(25±1)℃的實驗室進行。控溫儀測量結果與基于Pt1000 探溫系統(tǒng)輸出結果線性擬合得到溫度與電壓關系如圖4 所示。

圖4 溫度—電壓線性擬合曲線Fig 4 Linear fitting curve of temperature vs voltage

由圖4 可以看出:基于Pt1000 熱敏電阻器溫度測量系統(tǒng)所測電壓值與實際溫度值有較好的線性關系，溫度—電壓線性擬合方程為:T =102.831 14VOUT+0.001 698。

恒溫槽測量誤差如圖5 所示，當溫度范圍在25～45 ℃時，探溫系統(tǒng)的隨機誤差小于0.006 ℃，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性小于0.002 ℃，說明基于Pt1000 的探溫系統(tǒng)精度基本滿足要求，后續(xù)控溫電路可以在此測量基礎上繼續(xù)設計，進而實現(xiàn)高精度溫控，為基于碘分子鑒頻器的激光雷達系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定的溫度環(huán)境。

4 結 論

圖5 溫度誤差曲線Fig 5 Temperature error curve

對基于AD590 和Pt1000 的測溫電路進行系統(tǒng)設計和誤差分析，并構建了一種適合高精度測風激光雷達鑒頻器的溫度測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用APEX 公司的高精度穩(wěn)壓芯片為測溫電路提供基準電壓，從源頭上提高了系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性;Pt1000 采用三線制接法，有效消除了導線電阻與自熱效應的影響［10］;在信號處理部分，選用差分方式減去在0 ℃時的基準信號，降低了對A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)要求;其恒流源與A/D 轉(zhuǎn)換器共用參考基準，有效消除了參考基準不穩(wěn)定產(chǎn)生的誤差;并在程序中采用限幅平均濾波法，有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾，并對周期性干擾有良好的抑制作用。對于該系統(tǒng)的定標實驗結果表明:測量精度達到0.01 ℃，對為后續(xù)溫控系統(tǒng)設計奠定了基礎。

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