一种提高空间遥感相机宽温度场测温精度方法

石志成，李 坤

（北京空间机电研究所 北京 100094）

一种提高空间遥感相机宽温度场测温精度方法

石志成，李 坤

（北京空间机电研究所 北京 100094）

文中从空间光学遥感相机控温系统对宽温度场、高精度的温度测量需求出发，分析了基于NTC型热敏电阻测温电路的测温精度。当温差范围为120℃，在12bit量化的条件下，该电路无法全程满足测温精度要求。在此基础上，本文提出了一种基于NTC型热敏电阻和压控放大器的变增益测温电路，并对该电路的工作原理以及达到的测量效果进行了分析，在120℃温差范围内，该电路的测温精度均能满足±0.1℃，结果表明该方法能够有效的提高系统测温精度。

空间遥感；测温精度；宽温度场；变增益控制

空间光学遥感相机根据应用需求的不同，其运行的空间轨道和所经历的空间温度环境也有所差异。一般来说在日照区和阴影区交替运行时温度变化接近100℃。而空间光学遥感相机本身作为一个高度精密的仪器设备，对控温精度、稳定度的要求是极为苛刻的，只有这样才能降低温度变化对光机系统稳定性的影响，减小形变导致的光学系统畸变，确保成像质量。

随着光学遥感器对空间分辨率、信噪比等指标的提升追求，作为实现设计需求的温度环境保障条件的要求也日益严苛，某些高精度的场合要求控温精度为±0.1℃[1]，布设的控温点多达几十路至一二百路。要保证如此之多的控温路数和高精度的控温，选择何种形式的测温方式和测温度精度显得至关重要。

1 空间遥感领域测温方法

空间遥感领域的测温主要采用接触式测温方式，测温传感器一般包括热电偶、NTC热敏电阻、铂电阻、二极管和集成测温芯片5大类。这几类传感器从测温范围、测温精度、电路复杂程度几个方面的比较情况如下[2-4]：

1）热电偶：测温范围-270～2 800℃；测温精度±0.125℃；复杂程度：需要设计补偿电路，电路复杂；

2）NTC热敏电阻：测温范围-200～1 200℃；测温精度±0.1℃；复杂程度：两线制接口简单；

3）铂电阻：测温范围-200～850℃（Pt100）；测温精度优于±0.01℃；复杂程度：四线制，相对复杂；

4）测温二极管：测温范围-200～200℃；测温精度±0.1℃；复杂程度：需要恒流驱动，电路复杂；

5）集成芯片测温：测温范围-55～125℃；测温精度±0.5℃；复杂程度：芯片集成度高，电路简单。

从当前遥感卫星平台所搭载的遥感相机种类、数量、复杂程度来看，对热控系统所选用的温度测量需求具备以下特点：1）测温范围不超过-100～100℃；2）测量精度不低于±0.1℃；3）测量路数100以上。其中测量路数要求比较多，决定了整体的测量接口电路不能过于复杂，否则会带来产品体积、重量和功耗的增加。基于该背景需求，结合各种传感器特性分析，认为NTC型热敏电阻是作为当前和今后光学遥感领域热传感器使用的首选。

2 NTC型热敏电阻测温电路与精度分析

采用热敏电阻进行测温，典型的测量电路有两种，一种是恒流源驱动形式，一种是电压驱动方式[5]。无论是恒流源驱动形式还是电压驱动形式，其测试原理都是通过检测温度变化时热敏电阻两端的电压变化[6-7]，再根据测得的电压值反推热敏电阻当前的电阻值，通过标定公式或数据查表的方式得出热敏电阻粘贴处的环境温度。

从电路的处理方式上看，恒流驱动电路需要为每一路测量热敏电阻单独提供恒流源，当测量路数较多时，电路规模会比较大。而电压驱动电路是采用电阻分压的方式实现的，接口电路比较简单，适用于测温路数较多时使用，比较切合空间遥感相机的测温需求。

图1 热敏电阻测量电路

图1所示电压型热敏电阻测量电路。Uo是该电路的输出电压，反映了热敏电阻R的阻值变化，计算方法如公式（1）。公式中Ui是参考电压。Ri是分压电阻。

Ri取值如果过小会导致流过热敏电阻的电流过大，导致热敏电阻自热，影响测量准确度。Ri取值如果过大，会导致电路分压比过大，影响测量分辨率[8-10]。在供电电压为5 V的电路中，通常Ui为5 V，Ri的取值为10 kΩ。

热敏电阻阻值R和温度T的关系如下，公式中a、b、c分别是热敏电阻常数，由器件手册给出。

通过公式（1）和公式（2），可以建立电压-温度关系。以FM61型某一标称热敏电阻为例，分压电阻Ri取10 kΩ，参考基准电压Ui为5 V，常数a为-4.423 72，b为4 110.600 94，c为-98 189.350 07。表1列出了在-30～90℃温度范围内的温度与测量电路检测到的电压值对应理论值，由于数据较多，仅列出部分数据。从列出的数据中可以看出随着温度的升高，输出电压值逐渐减小，从-30℃至0℃，Uo变化1.4 V，从50℃至80℃，Uo变化仅0.477 V，Uo变化趋势变缓。

表1 热敏电阻测量分度与检测电压对应关系表

当电路所使用的ADC转换器件精度为12 bit时，可知其有效数据位为11位，采集到的有效数据最小分层为2.4 mV，根据公式（3）可以计算出温度区间为[-30℃，90℃]区间内的测温精度，绘制精度曲线如图2所示。

图2 定增益测温电路测量精度曲线

从图2可以看出，当温度超过50℃时，定增益分压电路测量精度已经达不到0.1℃了，也就是说采用当前电路参数条件不能够满足给定温度范围内的测量精度要求。对于提高模拟数字转换精度最常用的方式就是选用更高精度的ADC器件[11-13]，如果将上述电路选用的ADC器件的量化位数从12 bit提升至14 bit，则理论上在全温度范围内都能够满足测温精度0.1℃的要求。但同时不可忽略的问题是，采用14 bit量化5 V电压时，最小的量化步长达到了0.3 mV，舍弃最低位的情况下也达到了0.6 mV。而实际上PCB电路本身的噪声控制以及所选用的供电电源稳定度、纹波特性等带来的误差影响，实际测量准确度能达到1 mV已经相当困难了[14-15]。文中在ADC量化位数不变的情况下，通过设计一款变增益运算放大电路使之满足全温域的控温精度需求。

3 变增益测温电路设计与精度分析

采用变增益测温电路实现全温度域测温精度的提升，其基本原理如图3所示。

图3 变增益放大电路原理示意图

该电路较之前增加了压控增益放大电路和DAC转换电路，压控增益放大电路的作用是将采集的原始电压进行变增益放大后送入ADC转换电路。DAC转换电路的作用是输出用于控制增益放大器放大倍数的电压参考。要实现变增益控制首先要确定进行增益切换的准则，由于本系统中参考电压为5 V，A/D变换电路为5 V供电，我们可以将压控增益放大的档位设置成1倍、2倍、4倍、8倍等，具体对应关系如表2所示。

表2 档位与切换判断对应关系表

经过增益放大后的电压值Ut与Uo的关系如下：

基于该电路实现一个完整的热敏电阻温度测量的步骤如下：

1）将压控增益放大器设置成第一档，即1倍放大倍数模式，被测温度遥测量经低档放大后进入ADC转换电路进行12 bit量化；

2）A/D转换完成后，MCU读取测得的电压值Ut，与预先设置的增益档位切换判据进行比对，如果测量结果刚好落在第一档，则此次采集数据即可作为最终采集数据进行电压温度还原处理；如果采集数据落在其他档位区间内，MCU输出数字控制量，将DAC转换电路输出一个稳定的模拟电压Uc；

3）压控增益放大器在Uc电压的控制下，将自身的增益放大倍数调整到该档位所对应的数值；

4）ADC转换电路按照调整后的放大倍率再次完成转换后，MCU读取量化后的数据，将此数据除以调整后的增益放大倍数，还原出初始电压Uo，再根据Uo的数据反推或查表得出实际热敏电阻对应的测温点的温度数据。

上述处理过程，将低电压测量区间的增益放大倍数增大，相当于将被测电压区间进行了展宽处理，增加了ADC转换电路可以辩别的采样点数量，从而提升了该区间的测量精度。上表中划分的电压区间以及对应的放大倍数可以根据实际情况进行具体的调整设置。

按照上述变增益设置方法，结合表1中各温度所对应的测量电压值，得出了温度与变增益档位倍数之间的动态配置关系为：-30℃＜T≤17℃，为1倍；18℃＜T≤43℃，为2倍；43℃＜T≤69℃，为4倍；-69℃＜T≤90℃，为8倍。并基于这种变增益配置，依据第2节介绍的方式计算精度，绘制出图4所示的测温精度曲线。

4 结束语

通过对空间光学遥感相机温度测量电路放大环节的闭环变增益控制，实现了对测量电压低幅值区间的展宽采样，提升了该区间的测温精度，满足了遥感相机整个测温范围的宽域高精度测温需求。此外，该方法的提出还有效地规避了使用高量化位数的ADC提高测温精度所带来的电路噪声控制、电源品质控制和电磁兼容控制等难题，为其他同类应用电路的设计提供了借鉴。

图4 变增益控制的测温精度曲线

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Method for improving temperature measurement accuracy of wide temperature-field space remote sensing camera

SHI Zhi-cheng，LI Kun
（Beijing Institute of Space Mechanics&Electricity，Beijing 100094，China）

In this paper，the temperature measurement accuracy of the NTC （Negative temperature coefficient）thermistor circuit is analyzed which is based on the requirements of wide temperature-field and high precision space optics remote sensing camera.When the temperature difference range is 120℃，the circuit can not meet the requirements of the whole process in the quantization condition of 12 bit.On this basis，this paper presents a variable-gain temperature measurement circuit based on NTC thermistor and VCA （voltage controlled amplifier）.The principle of the circuit and the improvement of the measurement results are analyzed，in 120℃difference range，the measurement precision of the circuit can meet±0.1℃.The results show that the method can effectively improve the accuracy of temperature measurement.

spaceremote-sensing；temperaturemeasurement；widetemperature-field；variablegain control

TN722.7

：A

：1674-6236（2017）08-0046-04

2016-06-12稿件编号：201606091

国家自然科学基金面上项目（61573197）

石志成（1978—），男，黑龙江肇东人，硕士，高级工程师。研究方向：航天飞行器设计。