基于K型热电偶的瞬态高温测试调理

[摘要]针对导弹爆炸场瞬态高温度测试系统的特定要求,设计了一套基于K型热电偶的单电源传感器调理电路。该电路以单电源仪表放大器INAI55.模拟开关MAX4638、二阶有源压控低通滤波器为核心,实现了对热电偶输出信号的可控放大。以及滤波去噪。经过验证该调理电路配合采集电路,可记录完整的爆炸场温度变化。
　　温度测试在工业自动化测试领域，一直是工程师研究的重要课题。根据温度传感器使用方式的不同,温度测试方法可以分为接触法和非接触法。接触法是使传感器与被测介质接触，感受被测介质的温度变化。当测试环境对接触式测温传感器有一定的损坏或腐蚀等,或传感器会影响测试环境温度场分布时，就需要用到非接触式温度测试仪。常用的接触式测温度法有:玻璃液体测温、压力式测温热电偶测温热电阻测温等。常用的非接触式温度测试仪有:红外测温仪等。选用的是接触式K型热电偶测温法。
　　由于K型热电偶的输出电压非常小(最高时几十毫伏),如果将热电偶直接与AD相连，转换后的有效信号,会被传感器自身的纹波所掩埋,因此在转换数字信号前，必须对热电偶的输出信号进行放大、滤波等。
针对镍铬-镍硅K型热电偶的特性,设计并实验验证了一款调理电路。利用单电源仪表放大器INA155.模拟开关MAX4638.二阶压控滤波,实现了对信号的三级放大，最终输出电压瞒住AD转换器的输入要求。经实验证明,该电路具有单电源、可调发达倍数.精度高稳定性好等优点。
1.热电偶测温原理
 
　　热电偶是一种感温元件，它把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理如图1所示:两种不同材料的均质导体A、B组成的闭合回路,当1.2两端存在温度差时，回路中就会产生电流，此时两端之间就存在塞贝克电动势-热电动势,这种现象也被称为塞贝克效应。
　　两种不同成份的均质导体为热电极,温度较高的-端为热端，温度较低的一端为冷端,冷端通常处于某个恒定的温度。在热电偶回路中接入第三种金属材料,将该材料接到热电偶冷端。只要两个接点的温度相同,热电偶产生的热电势将保持不变，即不受第三种材料接入的影响。因此,在热电偶测温时,可通过冷端补偿线接至测量仪表,测出热电动势后,对比传感器分度表,即可知道被测介质的温度。
　　针对爆炸场高温高冲击高压的特殊环境,采集瞬时温度的动态变化,要求温度传感器具有极快的瞬态温度响应。
2调理电路设计
　　信号调理电路主要由:电源转换电路仪表放大器一级放大电路、模拟开关二级放大电路.二阶压控三级放大滤波电路组成。总体设计原理图如图2所示。
 
2.1电源转换电路
　　电源转换电路包括供电电压转换和基线电压转换电路。供电电压为5V,而电池电压为8V，因此，电路使用π型滤波器和轨到轨低功耗电源转换芯片LP2985,实现了8V转5V电源转换电路。设计原理图如图3所示。
 
　　与以往设计不同，在电路中加入了1V基线,这样当热电偶输出负压时，后续电路也能捕捉到热电偶的完整的温度曲线电路即可测相对低温。基线电压转换电路如图4所示。通过调节同相输入端的两个电阻来调节基线电压，需用的电阻为7kΩ和1kΩ,输出电压为500mV,经过二阶滤波电路放大，最终基线为1V。
 
2.2仪表放大器--级放大电路设计
　　一款采用了轨到轨输出的.低电压、单电源、低成本的CMOS仪表放大器。该芯片可用作医疗仪器放大器、工业传感器放大器(如电桥、TRD、热电偶等).低成本的自动化仪表、还可用于通信.语音处理、测试设备中。
它的主要特性如下:
输入阻抗非常高,达到10MS或者3pF;
温漂比较小:±5uV/℃;
共模抑制比较高:INA155的CMRR≥80DB;
增益可调:输出增益在10~50之间,增益通过调节一只外接电阻实现,增益调整方便;
带宽较宽:增益为50时带宽为110kHz,增益为10时带宽为550kHzP。
电路采用两级运放,运算公式为:
 
　　选用的K型热电偶的输出电压范围--6.5mV~54.9mV,而且调理电路输出电压要求在0~2.5V范围,Rc选用70kΩ电阻，即仪表放大器放大15倍。REF引脚接入500mV直流信号，使仪表放大器输出带有500mV偏置电压。
2.3模拟开关二级放大电路设计
　　可调放大倍数是一大特点,而实现此功能的就是模拟开关。MAX4638是8选1模拟多路复用器,它使用+1.8V至+5.5V单电源供电;可以处理轨到轨模拟信号;开关切换时间仅为7ns。选用模拟开关MAX4638,实现同相比例运算电路反馈电阻的选择,从而实现了不同的放大增益。另外,在此运放的同相和反相输入端都加入了500mV的直流信号,这样在热电偶输出负信号时，也可保证电路输出电压为正，这样才能满足后续电路AD的要求。
2.4二阶压控低通滤波放大电路设计
　　三级放大电路采用二阶压控滤波电路,同时实现了信号的放大和低通滤波,使输出信号满足后续电路的要求。如图2所示,电路既引入了负反馈,又引入了正反馈。当信号频率趋于零时，由于C1的电抗趋于无穷大,因而正反馈很弱:当信号频率趋于无穷大时,由于C2的电抗趋于零，因而Up(s)趋于零。因此,只要正反馈引入得当,就既可能在f=fo时使电压放大倍数数值增大，又不会因正反馈过强而产生自激振荡。设C1=C2=C。传递函数为:
 
　　只有当Aup(s)小于3时,电路才能稳定工作而不产生自激振荡。
　　R1=R2因此Aup(s)=2,满足要求。
3实验结果分析
　　设计制成板后调试电路可分为以下几部分:电源管理调试,基线电压调试;一、二、三级放大电路调试,滤波电路调试。经过实际测量,电路板电源稳定，基线平稳噪声小。用信号发生器给电路输入正弦信号,调节不同的放大倍数,实测最大放大倍数(10倍)时输出电压与理论值误差小于百分之一(低频)。同时改变频率(信号发生器输入振幅4mV正弦波，无偏置，10倍放大倍数),实测不同频率下的峰峰值如表1所示。
 
　　实验理论峰峰值为2.2V,由表看出在ƒ=100kHz时输出峰峰值为1.96V,增益为0.768,满足设计要求。将电路板接K型热电偶和采集电路,用半导体激光器进行高温瞬态校准后，在导弹爆炸场实测数据如图5所示。
 
4结束语
　　针对镍铬-镍硅K型热电偶的输出特性，利用INA155.MAX4638等设计了一套单电源,性能稳定可靠的调理电路。经实际测试该电路噪声较小,在不同的放大倍数下均能达到较高的精度。该调理电路配合一定的采集电路即可组成一套测温仪，另外只要将MAX4638用来调节放大倍数的8个电阻替换掉，也可实现不同型号的热电偶,同样功能的信号调理。