探測(cè)器低頻性能測(cè)試系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

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摘要：首先介紹國(guó)內(nèi)外各紅外熱探測(cè)器測(cè)試技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，概括熱釋電探測(cè)器和黑體輻射原理，然后根據(jù)設(shè)計(jì)需求確定熱探測(cè)器低頻性能參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的總體方案，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了斬波器電機(jī)控制電路和熱探測(cè)器電路，并對(duì)各電路模塊和整機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。

關(guān)鍵詞：熱釋電探測(cè)器；調(diào)制；放大電路；帶通濾波器

引言

20世紀(jì)70年代后，熱探測(cè)器作為一種新型探測(cè)器得以迅猛發(fā)展。熱釋電探測(cè)器是常用的熱探測(cè)器，它的工作原理是熱釋電晶體接收到紅外輻射后，導(dǎo)致其溫度發(fā)生改變，從而使晶體表面產(chǎn)生電流的變化[1]。

1研究意義

熱釋電探測(cè)器是熱探測(cè)器中廣泛應(yīng)用最受關(guān)注的探測(cè)器，其響應(yīng)速率高于其他探測(cè)器，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：一是頻率響應(yīng)范圍寬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他探測(cè)器的頻率響應(yīng)。一般熱探測(cè)器響應(yīng)頻率在1～100Hz之間，而熱釋電探測(cè)器工作頻率接近MHz。二是探測(cè)率高，氣動(dòng)探測(cè)器稍高熱釋電器件，但熱釋電探測(cè)器還在不斷完善，性能不斷增強(qiáng)。三是光敏面面積大且均勻，可以不外接偏置電壓。四是基本不隨環(huán)境溫度變化而變化。五是機(jī)械強(qiáng)度高，可靠性好，且制造起來(lái)相對(duì)于其他探測(cè)器較容易。因?yàn)闊後岆娞綔y(cè)器具有以上優(yōu)點(diǎn)，目前已在紅外熱成像、紅外攝像管、非接觸測(cè)溫、快速激光脈沖監(jiān)測(cè)和紅外遙感技術(shù)、亞毫米波測(cè)量等方面獲得了應(yīng)用[2]。隨著熱探測(cè)器應(yīng)用的不斷深入，無(wú)論是探測(cè)器生產(chǎn)廠商還是應(yīng)用公司都對(duì)熱探測(cè)器性能測(cè)試提出了更高的要求。本論文主要目的是實(shí)現(xiàn)測(cè)試所生產(chǎn)的紅外探測(cè)器的低頻性能，其電路部分的要求包含設(shè)計(jì)了一個(gè)光電調(diào)制器的電機(jī)調(diào)速控制與顯示電路和熱探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行處理的放大濾波電路。

2熱探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

熱探測(cè)器利用熱敏效應(yīng)，由入射輻射引起溫度的改變從而導(dǎo)致物質(zhì)的物理性能發(fā)生改變，這種物質(zhì)可以作為熱探測(cè)器的制作材料。但實(shí)際上只有熱電堆、測(cè)輻射熱計(jì)、高萊池、熱釋電探測(cè)器四種探測(cè)器獲得了廣泛的應(yīng)用。熱探測(cè)器可工作于室溫條件下，光譜響應(yīng)特性寬，但是它最大的問(wèn)題就是響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，約為毫秒數(shù)量級(jí)，這導(dǎo)致熱探測(cè)器的應(yīng)用有一定困難。但熱釋電探測(cè)器的產(chǎn)生，解決了此問(wèn)題，因?yàn)樗哂休^好的響應(yīng)率，逐步取代了其他探測(cè)器的應(yīng)用，且機(jī)械性能好，比高萊池更堅(jiān)固耐用[3]。國(guó)內(nèi)對(duì)于熱釋電探測(cè)器制造及測(cè)試技術(shù)的研究還處于起步階段，國(guó)內(nèi)有關(guān)紅外探測(cè)器性能參數(shù)測(cè)試研究在一些研究所和高校展開(kāi)。像美國(guó)、法國(guó)、日本等紅外探測(cè)器制造技術(shù)遙遙領(lǐng)先的國(guó)家，紅外探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)都是自主研發(fā)的，而且還能對(duì)探測(cè)器和測(cè)試系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)。

3研究?jī)?nèi)容

“熱探測(cè)器低頻性能測(cè)試系統(tǒng)”，主要目的是實(shí)現(xiàn)測(cè)試所生產(chǎn)的紅外探測(cè)器的低頻性能，本課題的介紹是以熱釋電紅外探測(cè)器為例展開(kāi)的。測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試原理是：黑體輻射源發(fā)出輻射能，通過(guò)斬波器和測(cè)試連接管，被熱釋電紅外探測(cè)器探測(cè)到，并輸出至示波器。使用機(jī)械調(diào)制器作為該系統(tǒng)的斬波器，調(diào)制黑體輻射源發(fā)出的輻射。該紅外感應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)需要的調(diào)制頻率在1～10Hz之間。通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，使電機(jī)按照所需要的調(diào)制頻率對(duì)黑體進(jìn)行調(diào)制。熱釋電探測(cè)器接收到調(diào)制的輻射信號(hào)，將輻射信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。由于輻射信號(hào)很小，需要設(shè)計(jì)一定的電路進(jìn)行信號(hào)處理才能在示波器上顯示清晰的波形。

4總體方案介紹

熱探測(cè)器低頻性能測(cè)試，系統(tǒng)由輻射源產(chǎn)生和熱探測(cè)器測(cè)試兩部分組成。輻射源產(chǎn)生部分由黑體輻射源和調(diào)制盤(pán)及電機(jī)控制電路構(gòu)成。黑體（300K）發(fā)射出輻射能通過(guò)調(diào)制盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)變成變化的輻射信號(hào)，由測(cè)試連接管傳遞給探測(cè)器，探測(cè)器輸出交變地電信號(hào)。由于熱釋電探測(cè)器通常輸出在幾毫伏，不利于直接觀察，故探測(cè)器電路處理由三部分構(gòu)成，第一部分為初級(jí)前置放大電路，第二部分為濾波放大電路，第三電路級(jí)聯(lián)放大器可使增益達(dá)到1000，滿足后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字化電路和顯示電路對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的要求。

5熱探測(cè)器電路設(shè)計(jì)

前置放大器的噪聲主要由輸入級(jí)貢獻(xiàn)，因此系統(tǒng)主要有Johnson噪聲、1/f噪聲、放大器的電壓和電流噪聲等。熱噪聲是由材料中電荷載流子隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)而造成的。應(yīng)該盡量減小探測(cè)器和前置放大器之間的距離來(lái)降低熱噪聲，噪聲帶寬減小應(yīng)在前置放大電路后接低通濾波電路。熱釋電探測(cè)器的阻抗匹配靠JFET來(lái)實(shí)現(xiàn)，因其具有輸入阻抗大、輸入電流小的特點(diǎn)。而高阻抗帶來(lái)了額外的V-I噪聲，故采用濾波電路除去。采用一個(gè)1Hz的二階高通濾波器和一個(gè)10Hz的四階低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)1～10Hz的帶通濾波器。

6整機(jī)測(cè)試

選取輸入頻率分別為1Hz、5Hz、10Hz時(shí)對(duì)整機(jī)進(jìn)行測(cè)試，由此帶通濾波電路的中心頻率也對(duì)應(yīng)為1Hz、5Hz、10Hz。6.1輸入頻率為10Hz黑體輻射源輸出的信號(hào)經(jīng)頻率為10Hz的斬波器，經(jīng)測(cè)試連接管，直接入射到熱釋電探測(cè)器上，探測(cè)器電路帶通濾波器的中心頻率為10Hz，示波器測(cè)試到最后的輸出波形。

6.2輸入頻率為5Hz

黑體輻射源輸出的信號(hào)經(jīng)頻率為5Hz的斬波器，經(jīng)測(cè)試連接管，直接入射到熱釋電探測(cè)器上，探測(cè)器電路帶通濾波器的中心頻率為5Hz，示波器測(cè)試到最后的輸出波形，波形穩(wěn)定、無(wú)毛刺，有幅度變化。形成幅度變化的原因可能是該臺(tái)測(cè)試設(shè)備中調(diào)制黑體輻射源的轉(zhuǎn)盤(pán)沒(méi)有在固定平面轉(zhuǎn)動(dòng)，而是有前后的擺動(dòng)，導(dǎo)致通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)小孔的輻射通量隨著時(shí)間而周期性變化。

6.3輸入頻率為1Hz

黑體輻射源輸出的信號(hào)經(jīng)頻率為1Hz的斬波器，經(jīng)測(cè)試連接管，直接入射到熱釋電探測(cè)器上，探測(cè)器電路帶通濾波器的中心頻率為1Hz，示波器測(cè)試到最后的輸出波形，波形不穩(wěn)定，波形峰值變化。經(jīng)過(guò)分析之前設(shè)計(jì)的濾波器的問(wèn)題，知道當(dāng)濾波效果不太理想時(shí)，經(jīng)過(guò)濾波放大的信號(hào)往往會(huì)有一個(gè)小于1Hz的低頻分量加載在輸出信號(hào)上，且該低頻分量的頻率不固定，在幾百毫赫茲之間波動(dòng)。由以上測(cè)試結(jié)果可知，中心頻率為5Hz和10Hz的帶通濾波具有比較理想的結(jié)果，而中心頻率為1Hz的帶通濾波效果不太理想。因?yàn)榧虞d在信號(hào)上的低頻分量為幾百mHz，比較接近1Hz，所以該低頻分量在1Hz中心頻率的濾波器中也有比較大的響應(yīng)，從而使得濾波效果不太明顯。初步分析，該低頻分量可能是由于斬波器的轉(zhuǎn)盤(pán)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中對(duì)空氣擾動(dòng)，從而使得黑體輻射源形成的輻射熱場(chǎng)在空間中分布不均勻?qū)е隆?/p>

7結(jié)語(yǔ)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，熱探測(cè)器已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到了各行各業(yè)中，無(wú)論是熱探測(cè)器的制造廠家，還是應(yīng)用熱探測(cè)器的用戶都需要了解熱探測(cè)器的性能，其性能的好壞決定了應(yīng)用效果的優(yōu)劣，因此對(duì)熱探測(cè)器做出準(zhǔn)確測(cè)試具有重要的實(shí)際意義。本論文立足于低頻的頻率范圍的實(shí)際應(yīng)用需求，進(jìn)行了測(cè)試系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)，旨在對(duì)熱釋電探測(cè)器低頻性能測(cè)試系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，主要包括斬波器驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制電路和熱探測(cè)器信號(hào)處理電路兩部分。分析頻率和探測(cè)器電路仿真的結(jié)果，并對(duì)整機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

參考文獻(xiàn)

[1]賀成鳳.熱釋電探測(cè)器及其應(yīng)用[J].紅外技術(shù)，1994，16（3）：8-13.

[2]吳宗凡.紅外與激光技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1998.

[3]趙虎，簡(jiǎn)獻(xiàn)忠，居滋培.熱探測(cè)器性能測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2005（z1）：241-242.

作者：程娟 單位：武漢市儀表電子學(xué)校