摘要：瞬態表面溫度動態校準技術一直是十分令人關注的問題。本文介紹一種自動動態校準系統的結構和原理以及軟件設計，該系統可實現對表面溫度傳感器動態特性的自動校準。
關鍵詞：溫度傳感器；動態特性；自動校準系統
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
　　在瞬態表面溫度測量中，溫度隨時間迅速變化，用于測量的傳感器由于感溫件的熱慣性和有限熱傳導,將使輸出的溫度信號與實際被測的溫度信號存在或多或少的差別,即所謂的動態響應誤差。動態測量要求盡量減少這類系統誤差，對這一問題的解決一般采用對溫度傳感器進行動態校準的方法。動態校準的目的在于利用已知迅速變化的溫度信號來探明各類溫度傳感器的動態響應誤差或動態特性，用來對測溫結果進行修正使之更接近真實的溫度信號，達到減少動態響應誤差的目的。
　　動態校準的基本方案如下：借助脈沖激光加熱在被校傳感器溫度表面產生一準階躍脈沖溫度信號，同時以被校傳感器和紅外探測器對此迅速變化溫度信號進行測量對比。紅外探測器的頻響特性遠優于被校傳感器，可將紅外探測器的響應作為被校傳感器的輸入信號，而被校傳感器的響應作為本身的輸出信號，以前者來校準后者的頻響且獲得動態響應誤差的修正曲線。
　　本文介紹一種基于上述基本方案的自動動態校準系統，該系統可實現對表面溫度傳感器的動態特性的自動校準.

2 自動動態校準系統的結構和原理
　　自動動態校準系統的原理如下：
　　首先，通過計算機輸入被校傳感器的具體參數及校準要求，根據事先建立的理論模型進行計算，可由計算機選擇相應所需的激光器輸出參數，控制激光器的實際輸出。
　　接下來，由計算機控制連續激光器和斬波器輸出一定能量的連續激光，垂直輻照于被校傳感器的表面上。使被校傳感器達到一平衡溫度后，以被校傳感器作為標準傳感器，用來對紅外探測器進行靜態標定，獲得紅外探測器的工作特性曲線。
　　最后，由計算機控制脈沖激光器（作為熱源）輸出一定能量與寬度的脈沖激光，脈沖激光被表面吸收升溫，且向內傳熱。被校傳感器響應到表面處的溫度變化，經前置放大器1在記憶示波器上記錄。同時被校傳感器表面產生紅外輻射經橢球面反射鏡聚焦成像，由紅外探測器檢測到表面溫度變化，經前置放大器2在記憶示波器上同時記錄下來。記憶示波器上記錄的二條溫度變化曲線分別采樣輸入計算機，經計算機進行數據處理，可求取這二條曲線的傅氏變換的比值數就得到被校傳感器的頻響函數即動態特性。
　　被校傳感器和紅外探測器是對稱放置在作為聚焦系統的橢球面反射鏡的兩個主軸共軛焦點上。為避免在二者之間的直接輻射熱傳遞，加入一熱隔器。反射鏡經過研磨精加工且鍍上金屬膜如金、銀、鋁，這樣可以提高紅外輻射的反射率。經過研究與實驗表明：采用橢球面鏡其共軛聚焦特性較好，這對提高紅外探測器的靈敏度和信噪比以及校準精度十分有意義。
　　選擇紅外探測器的靈敏波長為3-5mm，對于大多數情況關心的表面溫度范圍（966K-580K）的最大輻射波長。這可以有效地避免由傳感器表面散射的激光（連續激光波長為10.6mm、脈沖激光波長為694nm）以及在通常實驗環境可見光或經外背景產生的紅外干擾，這樣又有效地提高紅外探測器的信噪比和校準精度。另外，紅外探測器要選擇在室溫下工作時具有幾十個ns級響應，并且其性能好與穩定。
　　為滿足各種溫度特別是大容量傳感器加熱到高溫的要求，脈沖激光器要求脈沖寬度可以在50ns-30mm內調整，脈沖激光被傳感器表面吸收時，溫升可以看作準階躍函數，這足夠用來校準大多數現有mm級快速響應的表面溫度傳感器。另外，脈沖能量保證適當。
　　以連續激光器作為熱源對紅外探測器進行靜態標定是此校準系統的獨特之處，在于保證了靜態和動態時相同的條件，提高了校準精度。對薄膜熱電偶傳感器（其頻響一般為ms級）動態校準時，紅外探測器頻響（達幾十ns級）遠高于被校傳感器，用其靜標代替動標是可信的。
　　在大孔徑聚焦下，連續激光將溫度傳感器加熱到高溫時，處于共軛位置的紅外探測器可達到與熱源（被校傳感器表面）幾乎相等的平衡溫度，因此必須加入連續斬波器，以保護紅外探測器器件不被燒毀。
3 自動動態校準系統的軟件設計
　　自動動態校準系統的軟件部分采用VB6.0開發，具有數據采集與通迅、計算處理、過程控制、文件管理、數據存貯、打印和聯機幫助等功能，采用Windows窗口式中文界面。
　　軟件部分是整個校準系統的靈魂，過程控制、自動計算、數據保存和工作流程等都將由軟件管理，由主程序和若干子程序組成。主程序主要負責系統初始化、主界面生成，以及數據管理和打印輸出等，子程序主要有以下幾個部分：
　　校準參數輸入子程序：用來輸入被校傳感器的具體參數及校準要求；
　　理論校準模型計算子程序： 根據事先建立的理論模型進行計算，可由計算機選擇相應所需的激光器輸出參數，控制激光器的實際輸出；
　　紅外探測器靜態標定過程控制子程序：由計算機控制連續激光器和斬波器改變輸出的功率，同時對紅外探測器和被校傳感器的溫度進行采樣，生成靜標采樣數據文件；
　　靜態標定處理子程序：根據靜標采樣數據文件，利用高階曲線擬合的方法，生成和顯示定標曲線；
　　被校傳感器動態校準控制子程序： 根據被校傳感器的具體參數及校準要求，調整脈沖激光器脈沖寬度，輸出合適的脈沖激光進行動態校準，由記憶示波器同時記錄下二條溫度曲線；
　　數據采集與通訊子程序：對記憶示波器上的二條溫度曲線進行采樣，并傳送到計算機，分別生成二個動態采樣數據文件；
　　動態特性計算子程序：根據二個動態采樣數據文件，進行歸一化數據處理,分別計算二條曲線的傅氏變換，并且求取被校傳感器的頻響函數。
4 結束語
　　本動態校準系統基本可以實現對具有ms級較快響應瞬態高溫在2000-3000K的薄膜熱電偶動態校準，并且全過程將由計算機自動控制可使動態校準實現智能化、自動化。在此基礎上，有望形成一套統一公認的動態校準系統和方法,作為瞬態表面溫度傳感器動態校準的標準。