瞬态表面温度自动动态校准系统

摘要：瞬态表面温度动态校准技术一直是十分令人关注的问题。本文介绍一种自动动态校准系统的结构和原理以及软件设计，该系统可实现对表面温度传感器动态特性的自动校准。
关键词：温度传感器；动态特性；自动校准系统
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
　　在瞬态表面温度测量中，温度随时间迅速变化，用于测量的传感器由于感温件的热惯性和有限热传导,将使输出的温度信号与实际被测的温度信号存在或多或少的差别,即所谓的动态响应误差。动态测量要求尽量减少这类系统误差，对这一问题的解决一般采用对温度传感器进行动态校准的方法。动态校准的目的在于利用已知迅速变化的温度信号来探明各类温度传感器的动态响应误差或动态特性，用来对测温结果进行修正使之更接近真实的温度信号，达到减少动态响应误差的目的。
　　动态校准的基本方案如下：借助脉冲激光加热在被校传感器温度表面产生一准阶跃脉冲温度信号，同时以被校传感器和红外探测器对此迅速变化温度信号进行测量对比。红外探测器的频响特性远优于被校传感器，可将红外探测器的响应作为被校传感器的输入信号，而被校传感器的响应作为本身的输出信号，以前者来校准后者的频响且获得动态响应误差的修正曲线。
　　本文介绍一种基于上述基本方案的自动动态校准系统，该系统可实现对表面温度传感器的动态特性的自动校准.

2 自动动态校准系统的结构和原理
　　自动动态校准系统的原理如下：
　　首先，通过计算机输入被校传感器的具体参数及校准要求，根据事先建立的理论模型进行计算，可由计算机选择相应所需的激光器输出参数，控制激光器的实际输出。
　　接下来，由计算机控制连续激光器和斩波器输出一定能量的连续激光，垂直辐照于被校传感器的表面上。使被校传感器达到一平衡温度后，以被校传感器作为标准传感器，用来对红外探测器进行静态标定，获得红外探测器的工作特性曲线。
　　最后，由计算机控制脉冲激光器（作为热源）输出一定能量与宽度的脉冲激光，脉冲激光被表面吸收升温，且向内传热。被校传感器响应到表面处的温度变化，经前置放大器1在记忆示波器上记录。同时被校传感器表面产生红外辐射经椭球面反射镜聚焦成像，由红外探测器检测到表面温度变化，经前置放大器2在记忆示波器上同时记录下来。记忆示波器上记录的二条温度变化曲线分别采样输入计算机，经计算机进行数据处理，可求取这二条曲线的傅氏变换的比值数就得到被校传感器的频响函数即动态特性。
　　被校传感器和红外探测器是对称放置在作为聚焦系统的椭球面反射镜的两个主轴共轭焦点上。为避免在二者之间的直接辐射热传递，加入一热隔器。反射镜经过研磨精加工且镀上金属膜如金、银、铝，这样可以提高红外辐射的反射率。经过研究与实验表明：采用椭球面镜其共轭聚焦特性较好，这对提高红外探测器的灵敏度和信噪比以及校准精度十分有意义。
　　选择红外探测器的灵敏波长为3-5mm，对于大多数情况关心的表面温度范围（966K-580K）的最大辐射波长。这可以有效地避免由传感器表面散射的激光（连续激光波长为10.6mm、脉冲激光波长为694nm）以及在通常实验环境可见光或经外背景产生的红外干扰，这样又有效地提高红外探测器的信噪比和校准精度。另外，红外探测器要选择在室温下工作时具有几十个ns级响应，并且其性能好与稳定。
　　为满足各种温度特别是大容量传感器加热到高温的要求，脉冲激光器要求脉冲宽度可以在50ns-30mm内调整，脉冲激光被传感器表面吸收时，温升可以看作准阶跃函数，这足够用来校准大多数现有mm级快速响应的表面温度传感器。另外，脉冲能量保证适当。
　　以连续激光器作为热源对红外探测器进行静态标定是此校准系统的独特之处，在于保证了静态和动态时相同的条件，提高了校准精度。对薄膜热电偶传感器（其频响一般为ms级）动态校准时，红外探测器频响（达几十ns级）远高于被校传感器，用其静标代替动标是可信的。
　　在大孔径聚焦下，连续激光将温度传感器加热到高温时，处于共轭位置的红外探测器可达到与热源（被校传感器表面）几乎相等的平衡温度，因此必须加入连续斩波器，以保护红外探测器器件不被烧毁。
3 自动动态校准系统的软件设计
　　自动动态校准系统的软件部分采用VB6.0开发，具有数据采集与通迅、计算处理、过程控制、文件管理、数据存贮、打印和联机帮助等功能，采用Windows窗口式中文界面。
　　软件部分是整个校准系统的灵魂，过程控制、自动计算、数据保存和工作流程等都将由软件管理，由主程序和若干子程序组成。主程序主要负责系统初始化、主界面生成，以及数据管理和打印输出等，子程序主要有以下几个部分：
　　校准参数输入子程序：用来输入被校传感器的具体参数及校准要求；
　　理论校准模型计算子程序： 根据事先建立的理论模型进行计算，可由计算机选择相应所需的激光器输出参数，控制激光器的实际输出；
　　红外探测器静态标定过程控制子程序：由计算机控制连续激光器和斩波器改变输出的功率，同时对红外探测器和被校传感器的温度进行采样，生成静标采样数据文件；
　　静态标定处理子程序：根据静标采样数据文件，利用高阶曲线拟合的方法，生成和显示定标曲线；
　　被校传感器动态校准控制子程序： 根据被校传感器的具体参数及校准要求，调整脉冲激光器脉冲宽度，输出合适的脉冲激光进行动态校准，由记忆示波器同时记录下二条温度曲线；
　　数据采集与通讯子程序：对记忆示波器上的二条温度曲线进行采样，并传送到计算机，分别生成二个动态采样数据文件；
　　动态特性计算子程序：根据二个动态采样数据文件，进行归一化数据处理,分别计算二条曲线的傅氏变换，并且求取被校传感器的频响函数。
4 结束语
　　本动态校准系统基本可以实现对具有ms级较快响应瞬态高温在2000-3000K的薄膜热电偶动态校准，并且全过程将由计算机自动控制可使动态校准实现智能化、自动化。在此基础上，有望形成一套统一公认的动态校准系统和方法,作为瞬态表面温度传感器动态校准的标准。