一種提高空間遙感相機寬溫度場測溫精度方法

石志成，李 坤

（北京空間機電研究所 北京 100094）

一種提高空間遙感相機寬溫度場測溫精度方法

石志成，李 坤

（北京空間機電研究所 北京 100094）

文中從空間光學遙感相機控溫系統對寬溫度場、高精度的溫度測量需求出發，分析了基于NTC型熱敏電阻測溫電路的測溫精度。當溫差范圍為120℃，在12bit量化的條件下，該電路無法全程滿足測溫精度要求。在此基礎上，本文提出了一種基于NTC型熱敏電阻和壓控放大器的變增益測溫電路，并對該電路的工作原理以及達到的測量效果進行了分析，在120℃溫差范圍內，該電路的測溫精度均能滿足±0.1℃，結果表明該方法能夠有效的提高系統測溫精度。

空間遙感；測溫精度；寬溫度場；變增益控制

空間光學遙感相機根據應用需求的不同，其運行的空間軌道和所經歷的空間溫度環境也有所差異。一般來說在日照區和陰影區交替運行時溫度變化接近100℃。而空間光學遙感相機本身作為一個高度精密的儀器設備，對控溫精度、穩定度的要求是極為苛刻的，只有這樣才能降低溫度變化對光機系統穩定性的影響，減小形變導致的光學系統畸變，確保成像質量。

隨著光學遙感器對空間分辨率、信噪比等指標的提升追求，作為實現設計需求的溫度環境保障條件的要求也日益嚴苛，某些高精度的場合要求控溫精度為±0.1℃[1]，布設的控溫點多達幾十路至一二百路。要保證如此之多的控溫路數和高精度的控溫，選擇何種形式的測溫方式和測溫度精度顯得至關重要。

1 空間遙感領域測溫方法

空間遙感領域的測溫主要采用接觸式測溫方式，測溫傳感器一般包括熱電偶、NTC熱敏電阻、鉑電阻、二極管和集成測溫芯片5大類。這幾類傳感器從測溫范圍、測溫精度、電路復雜程度幾個方面的比較情況如下[2-4]：

1）熱電偶：測溫范圍-270～2 800℃；測溫精度±0.125℃；復雜程度：需要設計補償電路，電路復雜；

2）NTC熱敏電阻：測溫范圍-200～1 200℃；測溫精度±0.1℃；復雜程度：兩線制接口簡單；

3）鉑電阻：測溫范圍-200～850℃（Pt100）；測溫精度優于±0.01℃；復雜程度：四線制，相對復雜；

4）測溫二極管：測溫范圍-200～200℃；測溫精度±0.1℃；復雜程度：需要恒流驅動，電路復雜；

5）集成芯片測溫：測溫范圍-55～125℃；測溫精度±0.5℃；復雜程度：芯片集成度高，電路簡單。

從當前遙感衛星平臺所搭載的遙感相機種類、數量、復雜程度來看，對熱控系統所選用的溫度測量需求具備以下特點：1）測溫范圍不超過-100～100℃；2）測量精度不低于±0.1℃；3）測量路數100以上。其中測量路數要求比較多，決定了整體的測量接口電路不能過于復雜，否則會帶來產品體積、重量和功耗的增加。基于該背景需求，結合各種傳感器特性分析，認為NTC型熱敏電阻是作為當前和今后光學遙感領域熱傳感器使用的首選。

2 NTC型熱敏電阻測溫電路與精度分析

采用熱敏電阻進行測溫，典型的測量電路有兩種，一種是恒流源驅動形式，一種是電壓驅動方式[5]。無論是恒流源驅動形式還是電壓驅動形式，其測試原理都是通過檢測溫度變化時熱敏電阻兩端的電壓變化[6-7]，再根據測得的電壓值反推熱敏電阻當前的電阻值，通過標定公式或數據查表的方式得出熱敏電阻粘貼處的環境溫度。

從電路的處理方式上看，恒流驅動電路需要為每一路測量熱敏電阻單獨提供恒流源，當測量路數較多時，電路規模會比較大。而電壓驅動電路是采用電阻分壓的方式實現的，接口電路比較簡單，適用于測溫路數較多時使用，比較切合空間遙感相機的測溫需求。

圖1 熱敏電阻測量電路

圖1所示電壓型熱敏電阻測量電路。Uo是該電路的輸出電壓，反映了熱敏電阻R的阻值變化，計算方法如公式（1）。公式中Ui是參考電壓。Ri是分壓電阻。

Ri取值如果過小會導致流過熱敏電阻的電流過大，導致熱敏電阻自熱，影響測量準確度。Ri取值如果過大，會導致電路分壓比過大，影響測量分辨率[8-10]。在供電電壓為5 V的電路中，通常Ui為5 V，Ri的取值為10 kΩ。

熱敏電阻阻值R和溫度T的關系如下，公式中a、b、c分別是熱敏電阻常數，由器件手冊給出。

通過公式（1）和公式（2），可以建立電壓-溫度關系。以FM61型某一標稱熱敏電阻為例，分壓電阻Ri取10 kΩ，參考基準電壓Ui為5 V，常數a為-4.423 72，b為4 110.600 94，c為-98 189.350 07。表1列出了在-30～90℃溫度范圍內的溫度與測量電路檢測到的電壓值對應理論值，由于數據較多，僅列出部分數據。從列出的數據中可以看出隨著溫度的升高，輸出電壓值逐漸減小，從-30℃至0℃，Uo變化1.4 V，從50℃至80℃，Uo變化僅0.477 V，Uo變化趨勢變緩。

表1 熱敏電阻測量分度與檢測電壓對應關系表

當電路所使用的ADC轉換器件精度為12 bit時，可知其有效數據位為11位，采集到的有效數據最小分層為2.4 mV，根據公式（3）可以計算出溫度區間為[-30℃，90℃]區間內的測溫精度，繪制精度曲線如圖2所示。

圖2 定增益測溫電路測量精度曲線

從圖2可以看出，當溫度超過50℃時，定增益分壓電路測量精度已經達不到0.1℃了，也就是說采用當前電路參數條件不能夠滿足給定溫度范圍內的測量精度要求。對于提高模擬數字轉換精度最常用的方式就是選用更高精度的ADC器件[11-13]，如果將上述電路選用的ADC器件的量化位數從12 bit提升至14 bit，則理論上在全溫度范圍內都能夠滿足測溫精度0.1℃的要求。但同時不可忽略的問題是，采用14 bit量化5 V電壓時，最小的量化步長達到了0.3 mV，舍棄最低位的情況下也達到了0.6 mV。而實際上PCB電路本身的噪聲控制以及所選用的供電電源穩定度、紋波特性等帶來的誤差影響，實際測量準確度能達到1 mV已經相當困難了[14-15]。文中在ADC量化位數不變的情況下，通過設計一款變增益運算放大電路使之滿足全溫域的控溫精度需求。

3 變增益測溫電路設計與精度分析

采用變增益測溫電路實現全溫度域測溫精度的提升，其基本原理如圖3所示。

圖3 變增益放大電路原理示意圖

該電路較之前增加了壓控增益放大電路和DAC轉換電路，壓控增益放大電路的作用是將采集的原始電壓進行變增益放大后送入ADC轉換電路。DAC轉換電路的作用是輸出用于控制增益放大器放大倍數的電壓參考。要實現變增益控制首先要確定進行增益切換的準則，由于本系統中參考電壓為5 V，A/D變換電路為5 V供電，我們可以將壓控增益放大的檔位設置成1倍、2倍、4倍、8倍等，具體對應關系如表2所示。

表2 檔位與切換判斷對應關系表

經過增益放大后的電壓值Ut與Uo的關系如下：

基于該電路實現一個完整的熱敏電阻溫度測量的步驟如下：

1）將壓控增益放大器設置成第一檔，即1倍放大倍數模式，被測溫度遙測量經低檔放大后進入ADC轉換電路進行12 bit量化；

2）A/D轉換完成后，MCU讀取測得的電壓值Ut，與預先設置的增益檔位切換判據進行比對，如果測量結果剛好落在第一檔，則此次采集數據即可作為最終采集數據進行電壓溫度還原處理；如果采集數據落在其他檔位區間內，MCU輸出數字控制量，將DAC轉換電路輸出一個穩定的模擬電壓Uc；

3）壓控增益放大器在Uc電壓的控制下，將自身的增益放大倍數調整到該檔位所對應的數值；

4）ADC轉換電路按照調整后的放大倍率再次完成轉換后，MCU讀取量化后的數據，將此數據除以調整后的增益放大倍數，還原出初始電壓Uo，再根據Uo的數據反推或查表得出實際熱敏電阻對應的測溫點的溫度數據。

上述處理過程，將低電壓測量區間的增益放大倍數增大，相當于將被測電壓區間進行了展寬處理，增加了ADC轉換電路可以辯別的采樣點數量，從而提升了該區間的測量精度。上表中劃分的電壓區間以及對應的放大倍數可以根據實際情況進行具體的調整設置。

按照上述變增益設置方法，結合表1中各溫度所對應的測量電壓值，得出了溫度與變增益檔位倍數之間的動態配置關系為：-30℃＜T≤17℃，為1倍；18℃＜T≤43℃，為2倍；43℃＜T≤69℃，為4倍；-69℃＜T≤90℃，為8倍。并基于這種變增益配置，依據第2節介紹的方式計算精度，繪制出圖4所示的測溫精度曲線。

4 結束語

通過對空間光學遙感相機溫度測量電路放大環節的閉環變增益控制，實現了對測量電壓低幅值區間的展寬采樣，提升了該區間的測溫精度，滿足了遙感相機整個測溫范圍的寬域高精度測溫需求。此外，該方法的提出還有效地規避了使用高量化位數的ADC提高測溫精度所帶來的電路噪聲控制、電源品質控制和電磁兼容控制等難題，為其他同類應用電路的設計提供了借鑒。

圖4 變增益控制的測溫精度曲線

[1]李國強，耿利寅，童葉龍.航天器銣鐘的一種精密控溫系統[J].航天器工程，2011，20（4）:93-98.

[2]張宏建，蒙建波.自動檢測技術與裝置[M].北京：化學工業出版社，2004.

[3]Luca Mari beyond.The representational viewpoint:a new formalization of measurement[J].Measurement，2000（27）:71-84.

[4]Aarona Kim M-Space interferometry mission thermal design[J]-Interferometry in Space，2003（4852）：49-58.

[5]鄭華耀.檢測技術[M].2版.北京：機械工業出版社，2010.

[6]ZHANG Wen-dong，DONG Hai-feng，Research on multi-parameter transducer and integrated measurement system[C].AD report，1453-1457.

[7]ZHEN Li-ping，SI Shao-wei.Infrared temperature Measurement System Based on MSP430[C].2011 Third International conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation.421-424.

[8]YANG Yuan-xi，JING Yi-fan，ZENG An-min-Adaptive parameter estimation and inner and external precision [J]-Acta Geodaetica et Cartographica Sinica，2014，43（5）:441-445.

[9]李國強，姚根和，賈宏.精密恒溫固態控制器的研制[J].航天返回與遙感，2009，30（1）:48-52.

[10]陳磊侃.基于模糊自適應控制的自燃溫度測試儀的研制[D].中國計量學院，2014:46-50.

[11]任國興，王曉影，杜立彬.基于AD7799的熱敏電阻高精度測溫系統 [J].電子設計工程，2010，18（11）:81-84.

[12]付秀敏.航天器自主控溫系統設計[D].西安：西安電子科技大學，2011:45-52.

[13]范寒柏，謝漢華.基于NTC熱敏電阻的三種高精度測溫系統研究 [J].傳感器學報，2010，23（11）: 1576-1579.

[14]倪秀輝，張琳琳，任國興.基于MSP430的熱敏電阻高精度測溫設計[J].儀表技術與傳感器，2009，183（3）:100-103.

[15]孫志強，周孑民，張宏健.熱電偶測溫系統的不確定度評定與分析 [J].傳感器技術學報，2007，20（5）:1061-1063.

Method for improving temperature measurement accuracy of wide temperature-field space remote sensing camera

SHI Zhi-cheng，LI Kun
（Beijing Institute of Space Mechanics&Electricity，Beijing 100094，China）

In this paper，the temperature measurement accuracy of the NTC （Negative temperature coefficient）thermistor circuit is analyzed which is based on the requirements of wide temperature-field and high precision space optics remote sensing camera.When the temperature difference range is 120℃，the circuit can not meet the requirements of the whole process in the quantization condition of 12 bit.On this basis，this paper presents a variable-gain temperature measurement circuit based on NTC thermistor and VCA （voltage controlled amplifier）.The principle of the circuit and the improvement of the measurement results are analyzed，in 120℃difference range，the measurement precision of the circuit can meet±0.1℃.The results show that the method can effectively improve the accuracy of temperature measurement.

spaceremote-sensing；temperaturemeasurement；widetemperature-field；variablegain control

TN722.7

：A

：1674-6236（2017）08-0046-04

2016-06-12稿件編號：201606091

國家自然科學基金面上項目（61573197）

石志成（1978—），男，黑龍江肇東人，碩士，高級工程師。研究方向：航天飛行器設計。