光纤温度传感器在HERO电磁兼容测试和EED装置的电流测量应用

                   光纤温度传感器在HERO 电磁兼容测试和EED装置的电流测量应用

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摘要
电磁辐射到军械上是危险的，潜在的电磁辐射对军工品或电子爆炸装置有不利影响，自从50年代以来这就是众所周知的
问题。为了避免不必要的爆炸或电起爆装置（EID）从发射电磁能量增殖，这对于所有的防卫机构来说是必不可少的。伴
随着功率输出和发射设备频率范围的持续增加，减小此威胁变得至关重要。
为了确保大炮和军火系统保持安全，在适当维护条件下，测量电子爆炸装置（ EED）上电磁能量影响的测试设备有很大
发展。几年后基于光纤技术的新一代仪器取代了使用热电偶或红外探测的系统。光纤传感器（ FOS）具有高精度和高准
确性，非常灵敏，提供的响应时间可满足高效的EED。由于电绝缘的特性，光纤传感器对电磁干扰（EMI）完全免疫，在
感应环境中可表现出来。由于此有利的参数，基于光纤技术的传感器现已成为HERO/RADHAZ 测试的标准。然而，什么
是该技术必要的条件以提供EED装置可靠的辐射评估仍然没有明确，怎样去完全发挥此技术优势以完全获益呢？

1. 精确和灵巧的传感器
1.1 技术
HERO/RADHAZ 测试方法在此节会描述，它基于一个非常灵敏和精确的光纤感应技术SCBG（半导体能带隙）技术。基于
SCBG的光纤传感器设计于测量EED桥线丝或类似装置的电磁诱导温度上升。SCBG是一个成熟的技术，使用简单而耐用的
光谱测量技术。技术原理是温度依靠于光传输到GaAs晶体。简单的说，对于低于一个特殊波长过渡区域（叫能带隙）的
所有光波长，GaAs晶体是一个不透明的材料；相反的，对于高于此能带隙的所有波长，GaAs晶体是一个可透过的材料。
波长过渡区域，也就是能带隙光谱位置是温度的函数。为了监控温度而测量能带隙光谱位置的改变就是SCBG技术的原理。
SCBG 技术的原理图如图1 所示。光纤温度传感器由黏在光纤顶部的微小GaAs 晶体组成。光从信号解调器注
射到光纤，导向GaAs 晶体。随后低于能带隙光谱位置的光波被吸收，而那些高于能带隙的波长则反射回信号解调器。
反射回信号解调器的光进入到一个小型的光谱分析仪（OSA），把光空间分解成波长成份。一个光学探测器的线性CCD 阵
列测量这些波长的光强度，CCD 阵列的每一个像素相当于一个特殊的校准波长。因此，整个探测器阵列提供反射回GaAs
晶体的光谱强度分布。一个典型的光谱强度分布曲线如图1 所示：

能带隙光谱位置从光谱强度分布可计算出来，转换成绝对温度的读取。相对于类似应用中所用的干涉测量技术，SCBG
光谱测量技术对机械震动和光纤移动不敏感，是HERO和RADHAZ应用所必须的。
不需要校准因数的绝对和相对测量
SCBG技术提供绝对和相对温度测量，在使用传感器之前不需要在测量系统中输入校准因数。传感器可以混合和匹配系
统所有的测量通道而不需要对特定通道做校准。这些特点的好处有很多：
• 消除手动进入系统， 因此减少了人工相关错误的风险
• 在测试过程中，避免了由于校准因数与传感器不匹配而引起的不正确结果
• 传感器到传感器的一致性
• 使用一个简单的连接和测量特点大大提高了系统构建时间和效率
使用者很容易从绝对和相对温度测量之间转换，实际温度和参考温度点是不相同的。
1.2 必备的条件
对EMI完全免疫
由于HERO/RADHAZ的特性要求和应用，比如EED电磁兼容测试和评估。传感器必须对EMI完全免疫，而SCBG技术提供了完
全的EMI免疫。
对光缆移动，震动和操控的抵抗力
为了提供可靠和精确的结果，传感器必须表现出非测量影响或光纤移动的敏感性。同样的，传感器不应该对机械震动敏
感，对光纤弯曲和光纤连接/断开也是如此。这些性能支持超过一个连接头而传感器的灵敏度和精度没有任何降低。
外部干扰会产生重大输出读取误差和无用的测量结果，比如使用光纤干涉测量技术为例。SCBG技术的光谱测量原理提供

了对此影响的完全免疫。例如，可使用多个连接头而对测量精度没有任何影响。此外，传感器可在高震动环境下使用，
比如战斗机的建立。
适应性
传感器应该很容易装配到基于EED所有类型的桥线电阻丝上。SCBG技术提供了一个微小的传感器（150 x 150 x 100 um3 或
更小），以适合非常小的空间或EEDs紧凑设计。为了达到最小的阻碍，传感器裸露部分和光缆封装材料应该很容易适用于
测试环境。
2. 可靠的EED装配方法
成功的HERO/RADHAZ测试依靠于总体的装配质量。光纤传感器如果没有正确的安装在EED的桥线电阻丝上是毫无用处的。
2.1 构建
在比头发丝还细的脆弱桥线电阻丝上安装传感器，这个桥线丝有时候隐藏在一个非常小的EED底部，这就要求有适当的
工具和正确的装配方法。使用一个包括简单微调仪，放大镜和支撑物的安装台是坚固的装配所必须的。
一个适合的装配台避免操作时间的浪费，大大减少了传感器错误安装到EED上的机率。但最重要的是，使用一个正确设
计的EED支撑物装配（叫EED适配器）是必需的，它能让EED与传感器能固定在一起。
安装台允许放入传感器的感应部分，也就是GaAs晶体，与EED的桥线丝进行热量联系。传感器被固定着以便维持作用于
桥线丝上的微小压力（请看下面的装配细节）。
2.2 装配
为了最大化的敏感性，传感器顶部（也就是晶体）必须与桥线丝有热量联系（传导）。砷化镓晶体可以直接放到桥线丝上，
而不会改变其固有的电和磁特性。
然而，在桥线丝上提供一个适当的拉力是很重要的。过度的拉力会损坏晶体（例如晶体从光纤顶部脱离），如果桥线丝接
触到EED外罩，还有产生热库效应。下面的图片阐明了一个典型EED装配台所需的最少设备：
安装台如右图所示，它提供了把传感器有效地安装
到EED桥线丝上所必需的控制部分。
双目镜，支架，和显微操作器都是需要的。
图2 EED 安装台概况

2.3 适应性
电子爆炸装置有各种形状和模型. 从标准的MK1到精密的客户化的EED，传感器必须适应EED装置而不改变其电特性和电
磁敏感性。
传感器应该很容易装到标准和普通的EED上，
像MK1和PR-2。右边的图示为一个正确设计
的适配器，用于保持光纤和EED装置，提供
必须的装配坚固性。
图7 PR-2 EED装配
传感器的几何形状需要适应不同的EED桥线
电阻丝设计，达到最小的阻碍。
例如，图8a 所示一个桥线丝绕着圆柱体形成
线圈，使用人员遇到的障碍就是必须把光纤
平行放置到圆柱体上。
一个专门设计的传感器是用它的晶体安装到
光纤的侧边上。
图8b就是使用此应用。
图8a 缠绕的桥线丝
图8b 晶体安装在光纤的边上
3. 精确的EED感应电流响应测量
3.1 很容易进行精确校准
当遇到电磁辐射时，一个EED仪器（也就是EED/传感器装配）不得不在提供感应电流响应测量之前做校准。
校准曲线建立了EED桥线电阻的注入电流与通过温度传感器所测出的桥线电阻温度增加之间的关系。
表9显示了数字校准数据，曲线图则显示了一个MK1 EED仪器的校准曲线。这些图表清楚的说明了校准曲线有非常好的理
论平方法则精度伴随着EED装置的响应，桥线电阻丝温度的增加与通过它的电流成二次方比例。这个比例是恒定不变的，
叫电流的平方敏感度Sc，Sc从曲线很容易校准，在特定案例中等于0.004758℃/mA2

图9 校准结果
一个特定的EED一旦确定了Sc，就很容易建立控制和读取仪器（RadSens信号解调器）以输出不同的单位，比如毫安，低
于无火阈值（No Fire Threshold)的分贝和微瓦，增加标准温度单位（绝对或相对温度）。请看以下所示。
3.2 EED注入电流在不同单位下的响应(mA'' dB'' uW)
以下是EED注入电流响应的例子。使用一个OTG-R光纤温度传感器（为EED测试而设计）装配到一个Mark-1(MK1)电子爆炸
装置（EED）上。MK-1 EED有一个300mA的无火阈值和1.2欧的电阻。MK1/OTG-R装配被连接到RadSens信号解调器的一个
PSR-100测量模块。校准曲线提供电流平方敏感度Sc， 在此案例中Sc 等于0.004758℃/mA2。通过RadSens仪器的
Ethernet/LAN接口，数据被真实收集，采样频率1KHz
毫安下的电流响应
通过设置RadSens仪器的输出为mA''
电流响应为毫安被测量出来。
右图显示了MK1电流响应为mA
和预期的一样，响应是非常线性的。
图10 电流响应mA

低于无火阈值分贝下的电流响应
通过设置RadSens仪器的输出为