基于MSP430的瞬态高温传感器设计

2011-06-13李伟郝晓剑周汉昌

电子测试 2011年2期

李伟，郝晓剑，周汉昌

(中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原 030051)

0 引言

高温测量技术在冶金、航空、航天、化学等领域中具有十分广泛的应用，对于瞬态高温测量主要有辐射测温和接触测温两种方式，对于传统使用接触法的铂铑丝热电偶来测量瞬态高温[1]，由于寿命短，响应时间慢，难以进行有效的实时检测。由于蓝宝石(α-A12O3)单晶光纤物理化学性能稳定, 机械强度好，硬度高、绝缘, 耐腐蚀，折射率大、在0.3～4.0μm波段范围内透光性很好，熔点高达2045℃，蓝宝石单晶光纤是目前在高温环境下最适用的光波导材料之一[2-3]，采用蓝宝石单晶光纤（直径0.7mm）设计黑体腔温度传感器，其数据采集与显示系统采用TI 公司的MSP430 系列超低功耗单片机作为核心控制元件，实现了数据的高速采集与显示，基本可以满足瞬态高温测量的需求。

1 传感器工作原理与系统组成

1.1 传感器测温原理

黑体腔高温传感器将接触式和辐射式测温相结合，以黑体辐射理论为基础。根据Planck黑体辐射定律，当光纤黑体腔置于温度为T的被测场，蓝宝石光纤黑体腔单色辐射通量为：

式中a为腔口黑体腔的面积； λ为辐射光波长；T为绝对温度；c1=3.74183×10-16（W.m2）为第一辐射常数；c2=1.43879×10-2（mK）为第二辐射常数。

设干涉滤光片的光谱响应函数为f(λ)，光电探测器（低噪声光电放大器）的光谱响应函数为D(λ)，考虑到更一般的情况设传感头的单色发射率为εA(λ)，干涉滤光片的中心波长为λ0，带宽为Δλ，辐射光信号经光纤传入硅光探测器后输出的电压为：

式中，η（λ）为光信号在光纤中的传输损耗，包括其它光学元件的插入损耗引起的辐射能损失，显然η（λ）＜1。K为转换系数，R(T)为传感器的辐射通量。

当干涉滤光片的带宽很窄时，可以假设：η(λ)=η(λ0)，f(λ)=f(λ0)，D(λ)=D(λ0)，则：，由此式可以得出K是一个与温度无关的常数，因此只需在单一温度点下标定即可得出K值。

1.2 传感器系统设计

蓝宝石光纤测温系统如图1 所示。系统由蓝宝石光纤黑体腔、低噪声光电放大器、信号处理模块、单片机、输出显示和计算机接口等组成。首先在单晶蓝宝石光纤的一端形成封闭的圆柱形黑体腔作为传感器探头并将其置入被测温度场，使探头快速与被测温度场达到热平衡，再由黑体腔发出微光辐射信号经680nm干涉滤光片，通过低噪声光电放大器（固态光电倍增管Solid-state Photomultiplier，SSPM）转换为电信号，电信号经放大、A/D 转换进入单片机进行数据处理，最后由LCD输出测量结果，还可通过USB接口与计算机进行通信。

图1 传感器系统框图

2 光纤黑体腔的构成

黑体腔探头的设计是蓝宝石光纤高温传感器研制的关键，探头的结构、材料及镀膜工艺决定着传感器的测温上限、动态响应以及使用寿命，也决定着探头本身的热辐射特性，从而影响到传感器的测温精度、重复性与稳定性。

由于膜层的热辐射材料直接影响黑体腔的热辐射性质，所以构成光纤黑体腔的薄膜材料应具备：熔点高，一般在3000℃以上；能承受高温烧蚀的恶劣环境，并与光纤基体（蓝宝石）有良好的附着力；高温下的导热系数、发射率等物化性能稳定，且抗氧化性好；高温下具有较高的导热系数和辐射发射率，且热容量较小。最后利用磁控溅射技术将钼作为膜层材料镀制在蓝宝石光纤上，再在钼的外面镀上氧化锆膜层（防止钼在高温下氧化），膜层厚度为微米级。

腔体形状的选择从腔口发射率和实际加工及经济方面的考虑，有锥型腔、圆柱型腔、球型腔和带孔圆柱筒型腔等[4]。黑体腔有效发射率的计算有积分方程理论、多重反射理论、蒙特卡洛方法等，采用Gouffe理论（基于多重反射理论）对黑体腔各种形状的发射率进行计算。经计算，当腔体材料或涂层的发射率ε＞0.99时，其中以球型腔和带孔圆柱筒型腔的发射率为最高圆柱型腔次之。针对蓝宝石光纤采用圆柱型腔作为黑体腔的腔型。

由于感温膜层具有较高的导热率，故探头热容量极小，所以探头与被测热源能迅速达到热平衡。若光纤感温腔的轴向长度足够小，则可认为处于热平衡下的感温腔是一等温腔。又因蓝宝石晶体的折射率n=1.75，最后能从腔口出射的光辐射在传输时只能限制在沿光纤轴很小的立体角内，因此可近似认为沿光纤轴传输的是一维光。基于以上假设，当光纤感温层材料发射率ε大于0.5时，感温腔结构尺寸L/R大于20时，腔口有效发射率ε0就非常接近1。因此黑体腔的最佳长度应满足L（腔体长度）与R（腔体半径）之比在20左右。

3 光辐射探测与处理模块

微光信号探测也是此传感器的关键技术之一，微光探测器的性能也影响着该传感器的动态响应特性。该探测模块由Ireland的A35HD-TO18 SSPM和与之配套的跨阻放大器组成，该模块主要进行微光信号的探测和放大，有较好的信噪比并可同时检测交流和直流信号。其中SSPM接收面积约为1mm2，并可与蓝宝石光纤直接耦合，简化了光电转换模块的结构设计，使得模块体积缩小。该SSPM由于采用面阵排列并工作于Geiger模式，因此该SSPM具有很高的内部增益（4×105）和快速的响应特性（响应时间小于1ns）。图2为该探测器的光子探测效率，可见在可见光范围内具有较高的探测效率。根据维恩定律得知温度越高，其辐射强度最大波长越短，所以此SSPM符合高温测试需求。

图2 光子探测效率与波长的关系

4 显示与通信系统设计

由光电探测器输出的电信号经过放大处理，进入A/D转换为数字信号输出并显示。经单片机处理可直接得出被测温度，其时间——电压信号波形存储在存储装置中。通过USB接口与计算机进行通信来进行下一步的数据处理。单片机作为信号处理的核心，完成控制、计算、输出和通信等功能。采用MSP430F169作为控制芯片[6-8]。系统的显示部分采用S6B0724芯片，可以直接与单片机进行8位并行或串行通信，具有很高的灵活性。选择CP2101芯片使USB通信接口设计变得十分容易。

4.1 单片机与显示接口设计

由于此单片机与LCD均采用3.3V的工作电压，因此单片机与LCD之间的接口不存在电平匹配问题，由于显示器只需要接受指令，所以不需要大功率驱动，因此单片机可以直接与LCD连接。单片机I/ O引脚丰富，为了提高显示速度，采用并行接口，单片机的P4口与P5口的3根线分别作为数据线和控制线与LCD相连接，接口电路如图3所示。

图3 MSP430与LCD接口示意图

4.2 USB通信接口设计

USB通信接口电路如图4所示。CP2101的SUSPEND与SUSPEND引脚接到MSP430F13X的普通串口上。这两个引脚为USB的挂起和恢复信号，此功能便于CP2101器件以及外部电路的电源管理。当在总线上检测到挂起信号时，CP2101进入挂起模式，可以节省电能。此时CP2101会发出SUSPEND与SUSPEND信号。为了避免SUSPEND与SUSPEND在复位期间处于高电平，使用10kΩ的下拉电阻确保SUSPEND在复位期间处于低电平。CP2101的USB功能控制器管理USB和UART间所有的数据传输，以及由USB主控制器发出的命令请求以及用于控制UART功能的命令等。CP2101的UART接口处理所有的RS232信号，包括控制和握手信号。CP2101的VBUS与VREGIN引脚必须始终连到USB的VBUS信号上。在VREGIN的输入端加去耦电容(1μF与0.1μF并联)[5]。

图4 USB通信接口电路

5 软件设计

USB接口程序设计包括3部分： USB设备驱动程序、主机应用程序、单片机程序。3者互相配合才能完成可靠、快速的数据传输。其中USB设备驱动程序Cygnal 公司已经提供。所以只需要编写其它两部分：单片机MSP430F169的串行通信程序，即对波特率、数据位、校验位、有无奇偶校验等通信协议的设计及单片机串行通信功能控制器的设置；主机对CP2101的通信程序，这部分要在VC++环境中调用API函数实现。

6 实验及结论

为了验证系统的性能，以激光器为瞬态高温热源对其进行测试。激光器采用Diamond K-500 OEM型CO2激光器系统。固定瞬态表面超高温传感器，调节激光器输出激光脉冲的脉宽为35μs ，周期是100μs ，出光时间为60ms。用聚焦透镜将激光器输出的能量汇聚到传感头上以产生瞬态高温（约1500℃），得到如图5所示波形，从波形图可以看出，其响应时间约35ms，符合瞬态测温要求，达到了预期的目的。由于光纤高温传感器具有测温范围广、精度高和响应快等优点，它将在化工、能源、冶金和科学研究中得到广泛的应用。