光纖溫度傳感器在 電磁兼容測試和EED裝置的電流測量應用

摘要
電磁輻射到軍械上是危險的，潛在的電磁輻射對**品或電子爆炸裝置有不利影響，自從50 年代以來這就是眾所周知的
問題。為了避免不必要的爆炸或電起爆裝置（EID）從發射電磁能量增殖，這對于所有的防衛機構來說是必不可少的。伴
隨著功率輸出和發射設備頻率范圍的持續增加，減小此威脅變得至關重要。
為了確保大炮和軍火系統保持**，在適當維護條件下，測量電子爆炸裝置（ EED）上電磁能量影響的測試設備有很大
發展。幾年后基于光纖技術的新一代儀器取代了使用熱電偶或紅外探測的系統。光纖傳感器（ FOS）具有高精度和高準
確性，非常靈敏，提供的響應時間可滿足高效的EED。由于電絕緣的特性，光纖傳感器對電磁干擾（EMI）完全**，在
感應環境中可表現出來。由于此有利的參數，基于光纖技術的傳感器現已成為HERO/RADHAZ 測試的標準。然而，什么
是該技術必要的條件以提供EED 裝置可靠的輻射評估仍然沒有明確，怎樣去完全發揮此技術優勢以完全獲益呢？
1. **和靈巧的傳感器
1.1 技術
HERO/RADHAZ 測試方法在此節會描述，它基于一個非常靈敏和**的光纖感應技術SCBG（半導體能帶隙）技術。基于
SCBG 的光纖傳感器設計于測量EED 橋線絲或類似裝置的電磁誘導溫度上升。SCBG 是一個成熟的技術，使用簡單而耐用
的
光譜測量技術。技術原理是溫度依靠于光傳輸到GaAs 晶體。簡單的說，對于低于一個特殊波長過渡區域（叫能帶隙）的
所有光波長，GaAs 晶體是一個不透明的材料；相反的，對于高于此能帶隙的所有波長，GaAs 晶體是一個可透過的材料。
波長過渡區域，也就是能帶隙光譜位置是溫度的函數。為了監控溫度而測量能帶隙光譜位置的改變就是SCBG 技術的原理。
SCBG 技術的原理圖如圖1 所示。光纖溫度傳感器由黏在光纖頂部的微小GaAs 晶體組成。光從信號解調器注
射到光纖，導向GaAs 晶體。隨后低于能帶隙光譜位置的光波被吸收，而那些高于能帶隙的波長則反射回信號解調器。
反射回信號解調器的光進入到一個小型的光譜分析儀（OSA），把光空間分解成波長成份。一個光學探測器的線性CCD 陣
列測量這些波長的光強度，CCD 陣列的每一個像素相當于一個特殊的校準波長。因此，整個探測器陣列提供反射回GaAs
晶體的光譜強度分布。
1.2 必備的條件
對EMI 完全**
由于HERO/RADHAZ 的特性要求和應用，比如EED 電磁兼容測試和評估。傳感器必須對EMI 完全**，而SCBG 技術提
供了完
全的EMI **。
對光纜移動，震動和操控的抵抗力
為了提供可靠和**的結果，傳感器必須表現出非測量影響或光纖移動的敏感性。同樣的，傳感器不應該對機械震動敏
感，對光纖彎曲和光纖連接/斷開也是如此。這些性能支持超過一個連接頭而傳感器的靈敏度和精度沒有任何降低。
外部干擾會產生重大輸出讀取誤差和無用的測量結果，比如使用光纖干涉測量技術為例。SCBG 技術的光譜測量原理提供
了對此影響的完全**。例如，可使用多個連接頭而對測量精度沒有任何影響。此外，傳感器可在高震動環境下使用，
比如戰斗機的建立。
適應性
傳感器應該很容易裝配到基于EED 所有類型的橋線電阻絲上。SCBG 技術提供了一個微小的傳感器（150 x 150 x 100 um3 或
更小），以適合非常小的空間或EEDs 緊湊設計。為了達到*小的阻礙，傳感器裸露部分和光纜封裝材料應該很容易適用于
測試環境。
2. 可靠的EED 裝配方法
成功的HERO/RADHAZ 測試依靠于總體的裝配質量。光纖傳感器如果沒有正確的安裝在EED 的橋線電阻絲上是毫無用處
的。
2.1 構建
在比頭發絲還細的脆弱橋線電阻絲上安裝傳感器，這個橋線絲有時候隱藏在一個非常小的EED 底部，這就要求有適當的
工具和正確的裝配方法。使用一個包括簡單微調儀，放大鏡和支撐物的安裝臺是堅固的裝配所必須的。
一個適合的裝配臺避免操作時間的浪費，大大減少了傳感器錯誤安裝到EED 上的機率。但*重要的是，使用一個正確設
計的EED 支撐物裝配（叫EED 適配器）是必需的，它能讓EED 與傳感器能固定在一起。
安裝臺允許放入傳感器的感應部分，也就是GaAs 晶體，與EED 的橋線絲進行熱量聯系。傳感器被固定著以便維持作用于
橋線絲上的微小壓力（請看下面的裝配細節）。
2.2 裝配
為了*大化的敏感性，傳感器頂部（也就是晶體）必須與橋線絲有熱量聯系（傳導）。砷化鎵晶體可以直接放到橋線絲上，
而不會改變其固有的電和磁特性。
然而，在橋線絲上提供一個適當的拉力是很重要的。過度的拉力會損壞晶體（例如晶體從光纖頂部脫離），如果橋線絲接
觸到EED 外罩，還有產生熱庫效應。
2.3 適應性
電子爆炸裝置有各種形狀和模型. 從標準的MK1 到精密的客戶化的EED，傳感器必須適應EED 裝置而不改變其電特性和電
磁敏感性。
傳感器應該很容易裝到標準和普通的EED 上，
像MK1 和PR-2。右邊的圖示為一個正確設計
的適配器，用于保持光纖和EED 裝置，提供
必須的裝配堅固性。
3. **的EED 感應電流響應測量
3.1 很容易進行**校準
當遇到電磁輻射時，一個EED 儀器（也就是EED/傳感器裝配）不得不在提供感應電流響應測量之前做校準。
校準曲線建立了EED 橋線電阻的注入電流與通過溫度傳感器所測出的橋線電阻溫度增加之間的關系。
3.2 EED 注入電流在不同單位下的響應(mA, dB, uW)
以下是EED 注入電流響應的例子。使用一個OTG-R 光纖溫度傳感器（為EED 測試而設計）裝配到一個Mark-1(MK1)電子
爆炸
裝置（EED）上。MK-1 EED 有一個300mA 的無火閾值和1.2 歐的電阻。MK1/OTG-R 裝配被連接到RadSens 信號解調器的
一個
PSR-100 測量模塊。校準曲線提供電流平方敏感度Sc， 在此案例中Sc 等于0.004758℃/mA2。通過RadSens 儀器的
Ethernet/LAN 接口，數據被真實收集，采樣頻率1KHz
毫安下的電流響應
通過設置RadSens 儀器的輸出為mA,
電流響應為毫安被測量出來。
右圖顯示了MK1 電流響應為mA
和預期的一樣，響應是非常線性的。
3.4 自適應噪聲去除過濾器
從可觀察的物理量比如溫度的信號獲取，這總是與一些噪聲相聯系。通過進行電子模擬到數字濾波，噪聲的強度會很大
地減小。
如今，數字濾波器可以不通過模擬濾波而獲得特征，它是信號處理應用的優選。信號解調器100%的數字電路和數字處理
能力可以執行幾乎所有類型的數字濾波器。
大多數普通的數字濾波器是運行平均濾波的，以去除測量信號的噪聲成份。此數字濾波器的輸出為平均值N，N 越大意味
著噪聲消除越好。平均濾波器是去除噪聲的*好濾波器，然而此濾波器會伴隨兩個主要的缺點。**個是此濾波器不是
基于因果關系的，因此它總是產生信號延時（相當于N/2 采樣時間）。所以更高的噪聲消除性能伴隨著更長的延時。**
個缺點是濾波器減弱了信號的高頻部分；換言之濾波器跟蹤不到快速的信號變化。如下解釋，選擇自適應濾波器可以消
除這些缺點。
高性能數字噪聲去除的自適應濾波器可以大大改善信號解調器的分辨率，沒有折衷響應時間。自適應期間意味著濾波器
能實時自我適應到各種信號解調器，選擇*佳的濾波參數。自適應濾波器在此表現出一個真正的因果關系濾波器，在信
號里不會引入額外的延時。同時此濾波器通過重要命令能夠減少噪聲，它仍然能響應信號高頻部分*小衰減的快速信號
變化。對于那些常見的數字濾波器，一個自適應濾波器被認為與一個分離的一階低通濾波器一樣，能連續地自我調整濾
波時間。
3.5 嵌入式電流源和自動校準軟件
在做任何測量之前，校準EEDs 設備是強制執行的。當處理高質量的EED 裝置時，校準會是一個長時間和費勁的任務。一
個嵌入式電流源與自動校準軟件的組合提供了測試技巧，它是非常有效的EED 校準工具。用此方法每個EED 儀器可以始終
如一的校準，只需很小的努力和錯誤風險。
一旦使用者確定了所需電流校準點的數量，特別設計的software 就可以進行校準和自動校準電流平方敏感度Sc，像3.1 章
所描述的一樣。校準結果將會被顯示為數字或圖表形式，并通過excel 或其它格式保存。
4. 所有功能于一身的儀器
如今，當涉及到復雜的監測和測量應用時，一個真正的趨勢是朝著所有功能于一身的儀器而發展。HERO/RADHAZ 測試所
需要*小數量的儀器是每一個關注此領域的人所渴望得到的。
每一步測量都使用不同的儀器（信號解調器，數據獲取，數據處理，分析和管理等）會增加錯誤風險和結果的不一致。
一個所有功能于一身的儀器應該提供以下特點:
?? 在采樣頻率高達1000 Hz 下的數字信號處理和條件
?? 車載電腦以實時獲取和轉移數據
?? 友好的用戶界面以便為重要的結果顯示成數字和圖形
?? 整體的校準工具和軟件
?? 內部的數據過濾和分析
?? 整體的數據存儲以便本地數據管理
?? PC 以太網接口實時數據下載和遠程控制
友好的用戶繪圖界面可以在不同的數字和繪圖形式下實時顯示測量結果，順著測量統計資料，測試人員可以馬上確認繼
續測試，問題反饋還是有意外的結果.

結論
成為一個成功的HERO 測試員要求遵守明確的章程。如果不遵循靈敏和可靠的結果所需的基本要素，即使是*新的光纖感
應技術解決方案也不能幫助您太多。這個解決方案要求**和靈巧的傳感器，容易安裝到任何類型的EED。適應于**
級別的材料，感應方案應該提供**的校準特性和不同單位的測量結果。
它必須能提供靈活的數據處理，實時讀取和提供高效的噪聲過濾特性以得到*佳結果。有內置的數據管理功能，一個隨
時準備使用的解決方案應該提供友好的用戶界面而不需要增加模/數轉換器，軟件編程或計算機系統。
掌控所有這些步驟是HERO/RADHAZ 測試靈活和可靠的結果所必需的。由于這種符合性驗證，要求它不僅僅是一個測量工
具，它需要確認毫無疑問，不會發生電子爆炸裝置不想要的爆炸或故障。