探測器低頻性能測試系統電路設計實現

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摘要：首先介紹國內外各紅外熱探測器測試技術發展狀況，概括熱釋電探測器和黑體輻射原理，然后根據設計需求確定熱探測器低頻性能參數測試系統的總體方案，設計并實現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，導致其溫度發生改變，從而使晶體表面產生電流的變化[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測試所生產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制器的電機調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熱探測器測試系統國內外發展狀況

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的物理性能發生改變，這種物質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，國內有關紅外探測器性能參數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都是自主研發的，而且還能對探測器和測試系統性能進行測試和評價。

3研究內容

“熱探測器低頻性能測試系統”，主要目的是實現測試所生產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。測試系統測試原理是：黑體輻射源發出輻射能，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。使用機械調制器作為該系統的斬波器，調制黑體輻射源發出的輻射。該紅外感應測試系統需要的調制頻率在1～10Hz之間。通過單片機控制步進電機的驅動器，使電機按照所需要的調制頻率對黑體進行調制。熱釋電探測器接收到調制的輻射信號，將輻射信號轉化成電信號。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，系統由輻射源產生和熱探測器測試兩部分組成。輻射源產生部分由黑體輻射源和調制盤及電機控制電路構成。黑體（300K）發射出輻射能通過調制盤轉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，第三電路級聯放大器可使增益達到1000，滿足后續A/D轉換數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，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頻率為10Hz的斬波器，經測試連接管，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頻率為5Hz的斬波器，經測試連接管，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制黑體輻射源的轉盤沒有在固定平面轉動，而是有前后的擺動，導致通過轉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頻率為1Hz的斬波器，經測試連接管，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，波形不穩定，波形峰值變化。經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盤在轉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導致。

7結語

隨著現代信息技術的發展，熱探測器已經廣泛地應用到了各行各業中，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，進行了測試系統的整體方案設計，旨在對熱釋電探測器低頻性能測試系統電路設計，主要包括斬波器驅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：國防工業出版社，1998.

[3]趙虎，簡獻忠，居滋培.熱探測器性能測試系統的開發[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