探測器低頻性能測試系統(tǒng)電路設計實現(xiàn)

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摘要：首先介紹國內(nèi)外各紅外熱探測器測試技術發(fā)展狀況，概括熱釋電探測器和黑體輻射原理，然后根據(jù)設計需求確定熱探測器低頻性能參數(shù)測試系統(tǒng)的總體方案，設計并實現(xiàn)了斬波器電機控制電路和熱探測器電路，并對各電路模塊和整機進行了測試。

關鍵詞：熱釋電探測器；調(diào)制；放大電路；帶通濾波器

引言

20世紀70年代后，熱探測器作為一種新型探測器得以迅猛發(fā)展。熱釋電探測器是常用的熱探測器，它的工作原理是熱釋電晶體接收到紅外輻射后，導致其溫度發(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

熱釋電探測器是熱探測器中廣泛應用最受關注的探測器，其響應速率高于其他探測器，主要有以下優(yōu)點：一是頻率響應范圍寬，遠遠高于其他探測器的頻率響應。一般熱探測器響應頻率在1～100Hz之間，而熱釋電探測器工作頻率接近MHz。二是探測率高，氣動探測器稍高熱釋電器件，但熱釋電探測器還在不斷完善，性能不斷增強。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。五是機械強度高，可靠性好，且制造起來相對于其他探測器較容易。因為熱釋電探測器具有以上優(yōu)點，目前已在紅外熱成像、紅外攝像管、非接觸測溫、快速激光脈沖監(jiān)測和紅外遙感技術、亞毫米波測量等方面獲得了應用[2]。隨著熱探測器應用的不斷深入，無論是探測器生產(chǎn)廠商還是應用公司都對熱探測器性能測試提出了更高的要求。本論文主要目的是實現(xiàn)測試所生產(chǎn)的紅外探測器的低頻性能，其電路部分的要求包含設計了一個光電調(diào)制器的電機調(diào)速控制與顯示電路和熱探測器信號進行處理的放大濾波電路。

2熱探測器測試系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展狀況

熱探測器利用熱敏效應，由入射輻射引起溫度的改變從而導致物質(zhì)的物理性能發(fā)生改變，這種物質(zhì)可以作為熱探測器的制作材料。但實際上只有熱電堆、測輻射熱計、高萊池、熱釋電探測器四種探測器獲得了廣泛的應用。熱探測器可工作于室溫條件下，光譜響應特性寬，但是它最大的問題就是響應時間過長，約為毫秒數(shù)量級，這導致熱探測器的應用有一定困難。但熱釋電探測器的產(chǎn)生，解決了此問題，因為它具有較好的響應率，逐步取代了其他探測器的應用，且機械性能好，比高萊池更堅固耐用[3]。國內(nèi)對于熱釋電探測器制造及測試技術的研究還處于起步階段，國內(nèi)有關紅外探測器性能參數(shù)測試研究在一些研究所和高校展開。像美國、法國、日本等紅外探測器制造技術遙遙領先的國家，紅外探測器測試系統(tǒng)都是自主研發(fā)的，而且還能對探測器和測試系統(tǒng)性能進行測試和評價。

3研究內(nèi)容

“熱探測器低頻性能測試系統(tǒng)”，主要目的是實現(xiàn)測試所生產(chǎn)的紅外探測器的低頻性能，本課題的介紹是以熱釋電紅外探測器為例展開的。測試系統(tǒng)測試原理是：黑體輻射源發(fā)出輻射能，通過斬波器和測試連接管，被熱釋電紅外探測器探測到，并輸出至示波器。使用機械調(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。該紅外感應測試系統(tǒng)需要的調(diào)制頻率在1～10Hz之間。通過單片機控制步進電機的驅(qū)動器，使電機按照所需要的調(diào)制頻率對黑體進行調(diào)制。熱釋電探測器接收到調(diào)制的輻射信號，將輻射信號轉(zhuǎn)化成電信號。由于輻射信號很小，需要設計一定的電路進行信號處理才能在示波器上顯示清晰的波形。

4總體方案介紹

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

5熱探測器電路設計

前置放大器的噪聲主要由輸入級貢獻，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熱運動而造成的。應該盡量減小探測器和前置放大器之間的距離來降低熱噪聲，噪聲帶寬減小應在前置放大電路后接低通濾波電路。熱釋電探測器的阻抗匹配靠JFET來實現(xiàn)，因其具有輸入阻抗大、輸入電流小的特點。而高阻抗帶來了額外的V-I噪聲，故采用濾波電路除去。采用一個1Hz的二階高通濾波器和一個10Hz的四階低通濾波器來實現(xiàn)1～10Hz的帶通濾波器。

6整機測試

選取輸入頻率分別為1Hz、5Hz、10Hz時對整機進行測試，由此帶通濾波電路的中心頻率也對應為1Hz、5Hz、10Hz。6.1輸入頻率為10Hz黑體輻射源輸出的信號經(jīng)頻率為10Hz的斬波器，經(jīng)測試連接管，直接入射到熱釋電探測器上，探測器電路帶通濾波器的中心頻率為10Hz，示波器測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經(jīng)頻率為5Hz的斬波器，經(jīng)測試連接管，直接入射到熱釋電探測器上，探測器電路帶通濾波器的中心頻率為5Hz，示波器測試到最后的輸出波形，波形穩(wěn)定、無毛刺，有幅度變化。形成幅度變化的原因可能是該臺測試設備中調(diào)制黑體輻射源的轉(zhuǎn)盤沒有在固定平面轉(zhuǎn)動，而是有前后的擺動，導致通過轉(zhuǎn)盤小孔的輻射通量隨著時間而周期性變化。

6.3輸入頻率為1Hz

黑體輻射源輸出的信號經(jīng)頻率為1Hz的斬波器，經(jīng)測試連接管，直接入射到熱釋電探測器上，探測器電路帶通濾波器的中心頻率為1Hz，示波器測試到最后的輸出波形，波形不穩(wěn)定，波形峰值變化。經(jīng)過分析之前設計的濾波器的問題，知道當濾波效果不太理想時，經(jīng)過濾波放大的信號往往會有一個小于1Hz的低頻分量加載在輸出信號上，且該低頻分量的頻率不固定，在幾百毫赫茲之間波動。由以上測試結果可知，中心頻率為5Hz和10Hz的帶通濾波具有比較理想的結果，而中心頻率為1Hz的帶通濾波效果不太理想。因為加載在信號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，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)盤在轉(zhuǎn)動的過程中對空氣擾動，從而使得黑體輻射源形成的輻射熱場在空間中分布不均勻?qū)е隆?/p>

7結語

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

參考文獻

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

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

[3]趙虎，簡獻忠，居滋培.熱探測器性能測試系統(tǒng)的開發(fā)[J].儀器儀表學報，2005（z1）：241-242.

作者：程娟 單位：武漢市儀表電子學校