基于半导体制冷器的微型黑体温控系统

吴红霞 张 博 江 峰 孙红胜 隋左宁 张玉国杨旺林 宋春晖

（1.北京振兴计量测试研究所,北京 100074；2.火箭军驻159厂军代表室，北京 100074）

1引言

黑体辐射源被广泛地应用于红外技术的各个领域，常用于红外载荷的定标，已经成为不可缺少的标准辐射源［1］。黑体的温度控制稳定性和温度均匀性是定标黑体能否满足定标需求的关键，它会直接影响载荷的实际工作性能、成像质量。本文根据实际项目需求，研究微型面源黑体的温度控制系统。

2 微型黑体组成

针对具体被控对象，选择合理的加热与制冷方法，才能进一步设计出工作性能良好的温度控制系统。根据微型黑体实际温度范围0℃～50℃、温度稳定性等设计要求，比较不同方式的最低温度、降温速率、稳定时间以及各自的结构、操作繁杂性等，同时为了满足体积、重量要求，微型定标黑体辐射源采用半导体制冷器（TEC）作为加热制冷器件。半导体制冷器是利用半导体材料的帕尔贴效应制成的，结构简单，无需制冷工质，无运动部件，通过改变电流方向即可实现制冷或加热，易于控制制冷或者加热功率的输出，可以满足本系统的要求［2］。

微型面源黑体由黑体组件及温度控制系统组成，其中黑体组件包括辐射板、接触面导热层、半导体制冷器、散热器、热控导热模块、连接线缆及附件等。温度控制系统对黑体组件的温度进行控制，如图1所示。

侧面散热器与安装接口板形成总体框架，绝热框可放入总体安装框架内。辐射板侧面有安装孔，传感器置于该安装孔内，需要保证传感器与辐射板的完善耦合，以保证温度测量精度和稳定性。利用防震密封胶将传感器的导线固定，确保电气连接牢固可靠。辐射板位于绝热框内，为了保证发射率，辐射板表面经过喷沙处理后喷涂高发射率黑漆。通电加热后，黑体辐射面温度升高，在载荷工作波段内产生符合要求的红外辐射，作为载荷辐射定标的标准辐射源。在辐射板背面依次敷设导热片、半导体制冷器、导热片。最后是顶部散热器和热控导热模块。

辐射板作为微型定标黑体的辐射面，产生一定辐射量值的红外辐射，作为载荷的标准辐射源；半导体制冷器实现辐射板的制冷或加热功能；四周加装散热器，确保系统散热效率满足要求；温度控制系统及通信模块通过连接线缆及附件与相应部件连接。

3 温度控制系统设计

3.1 温度控制系统原理

温控系统以铂电阻作为温度敏感元件，通过基于恒流源的测温电路测量黑体当前温度，经过A/D转换后传入单片机。通过单片机设定黑体温度，设定值与通过温度传感器测得的黑体当前温度值作差，经过差分放大器后传入温度控制器。由于半导体制冷器既能加热，又可制冷，通过改变电流的方向和大小，可以控制加热或制冷功率。因此通过半导体制冷器温度控制器调节PWM输出，控制半导体制冷器的电流方向和大小，从而对微型黑体辐射源加热或者制冷、实现快速升降温。系统的控制原理图如图2所示。

3.2 温度测试电路

本方案选用四线制PT100测量黑体辐射源的温度［3］。PT100铂电阻嵌入到黑体辐射板的传感器安装孔，经过恒流源驱动后，可以获取铂电阻两端的电压值，从而实时监测黑体温度。

温度测量电路如图3所示，将电压值传给微控制器前，需经过A/D转换器实现对模拟信号的采集。本方案采用14位ADC芯片AD7865对PT100进行数据采集，并与单片机进行通信和数据传输。AD7865为十四位并行高速A/D转换芯片，四路同步采样输入，四个跟随/保持放大器，单电源工作，宽输入范围，低功耗和输入过压保护等功能，通过编程可以设置一或最高至四通道的A/D转换，A/D工作时钟可以配置为内部或外部。

3.3 微处理器

本文采用的中央处理控制器是ATmega128。它是基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，具有128K字节的系统内可编程Flash，具有在写的过程中还可以读的能力，4K字节的E2PROM、4K字节的SRAM、53个通用I/O口线、32个通用工作寄存器、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器、两个USART、面向字节的两线接口TWI、8通道10位ADC。

ATmega128单片机有两个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。本方案采用RS422串口。LTC1690驱动或接收RS422串口数据，5V供电，具有自动防故障功能，确保当无输入、输入短接或因为无信号终止时，接收输出端为高，且不需附加器件。驱动的输出端和接收的输入端均支持全双工，如图4所示。

采用LTC1658将数字信号转换为模拟信号，比较放大器由两级构成，第1级采用零漂移的仪器放大器LTC2053。第2级是LTC1923内置的误差放大器EA。LTC1923内部主控制回路包括1个误差放大器、1个PWM比较器和2套互补输出驱动。误差放大器的正相输入是前一级运放的输出，在其反相输入FB和输出端EAOUT之间接一个RC网络，可以对回路的控制速度和稳定性进行补偿。误差放大器的输出与LTC1923内部振荡器产生的三角波的大小关系控制着PWM比较器输出的占空比［4］。误差放大器的输出同时被TEC电压钳位电路控制，实现对逐个脉冲限流的功能。

3.4 TEC控制器

采用专用开关模式温控芯片LTC1923实现对TEC的控制。LTC1923提供了一系列的保护和监测功能。如：用一个电流感应电阻取样TEC的电流，若所得电压值大于以下三个电压值SS引脚上电压的1.5倍、ILIM引脚上电压的1.5倍或1.5V中的最小值，则满足限流条件，立即关断所有外部MOSFET。

驱动电路的4路互补输出驱动一个全桥开关电路，为TEC提供双向电流。电桥驱动电路采用TND315S。全桥电路选用互补N/P沟道MOS场效应管FDS6675，FDS4488。它提供了导通电阻和门极电容之间较好的折中，有利于减少开关损耗和导通损耗。

4 微型黑体系统试验结果及测量不确定度评定

4.1 试验结果

在常温常压下使用红外热像仪对微型面源黑体的温度特性进行测试，主要测试实际工作温度范围、升降温时间、温度稳定性以及均匀性［5］。在黑体辐射面内均等分取九个测试点，求取九个数据的平均值，则最大值与平均值的差即为黑体均匀性［6］。黑体测温位置选取如图5所示。

试验结果表明微型面源黑体在设置温度0℃～50℃范围内工作正常；当黑体由当前温度升高5℃时，所需时间小于1.5min，当黑体由当前温度降低5℃时，所需时间小于2min。分别设置黑体温度为10℃、20℃、30℃、40℃、50℃，其温度稳定性均优于0.02℃/h，温度均匀性均优于0.09℃。

4.2 测量不确定度评定

4.2.1 各输入量的标准不确定度分量的评定

红外热像仪测温准确度引入的不确定度评定：红外热像仪测温准确度引入的不确定度引用红外热像仪计量证书中扩展不确定度评定U=0.22℃（k=2），即u1=0.11℃。温度测量重复性引入的不确定度u2的评定，取各温度点测量重复性最大不确定度为该项不确定度：u2=0.05℃。均匀性测量重复性引入的不确定度u3的评定，取各温度点均匀性测量重复性最大不确定度为该项不确定度：u3=0.03℃。

4.2.2 合成标准不确定度及扩展不确定度的评定

各输入量估计值可认为彼此不相关，合成标准不确定度公式：

则温度稳定性的合成标准不确定度：

温度均匀性的合成标准不确定度：

温度稳定性的扩展不确定度为：

温度均匀性的扩展不确定度为：

5 结束语

本文针对辐射面积为15mm×15mm的微型面源黑体设计了温控系统。系统采用四线制铂电阻采集黑体辐射源的实时温度，通过TEC专用控制芯片LTC1923实现对PWM输出的控制，从而使得TEC加热或制冷，达到控制微型黑体辐射源温度的目的。试验结果表明，黑体辐射源的工作温度范围、温度稳定性、温度均匀性、升降温时间均满足实际项目需求。

［1］ 徐恒，韩义中，杨永军.黑体辐射源的发展［J］.计测技术，2009，29（5）：1～3.

［2］ 曹海源.小型高精度红外黑体辐射源的设计［J］.电光与控制，2013，20（12）.

［3］ 于胜云.红外辐射源标温控及性能测试方法［J］.红外与激光工程，2011，40（2）.

［4］ 李俊涛.基于H桥驱动电路的半导体制冷片恒温控制系统［J］.北华大学学报：自然科学版，2010（10）.

［5］ 戴映红，吴剑锋，张亚洲，等.大口径低温黑体标定装置研制［J］.宇航计测技术，2012，32（5）：49～52.

［6］ 戴景民.多光谱辐射测温理论与应用［M］.北京：高等教育出版社，2002，4.