热探测器低频性能测试系统电路设计与实现

发布时间：2021-05-13

　　摘要：首先介绍国内外各红外热探测器测试技术发展状况，概括热释电探测器和黑体辐射原理，然后根据设计需求确定热探测器低频性能参数测试系统的总体方案，设计并实现了斩波器电机控制电路和热探测器电路，并对各电路模块和整机进行了测试。

　　关键词：热释电探测器;调制;放大电路;带通滤波器

　　引言

　　20世纪70年代后，热探测器作为一种新型探测器得以迅猛发展。热释电探测器是常用的热探测器，它的工作原理是热释电晶体接收到红外辐射后，导致其温度发生改变，从而使晶体表面产生电流的变化[1]。

　　1研究意义

　　热释电探测器是热探测器中广泛应用最受关注的探测器，其响应速率高于其他探测器，主要有以下优点：一是频率响应范围宽，远远高于其他探测器的频率响应。一般热探测器响应频率在1～100Hz之间，而热释电探测器工作频率接近MHz。二是探测率高，气动探测器稍高热释电器件，但热释电探测器还在不断完善，性能不断增强。三是光敏面面积大且均匀，可以不外接偏置电压。四是基本不随环境温度变化而变化。五是机械强度高，可靠性好，且制造起来相对于其他探测器较容易。

　　因为热释电探测器具有以上优点，目前已在红外热成像、红外摄像管、非接触测温、快速激光脉冲监测和红外遥感技术、亚毫米波测量等方面获得了应用[2]。

　　随着热探测器应用的不断深入，无论是探测器生产厂商还是应用公司都对热探测器性能测试提出了更高的要求。本论文主要目的是实现测试所生产的红外探测器的低频性能，其电路部分的要求包含设计了一个光电调制器的电机调速控制与显示电路和热探测器信号进行处理的放大滤波电路。

　　2热探测器测试系统国内外发展状况

　　热探测器利用热敏效应，由入射辐射引起温度的改变从而导致物质的物理性能发生改变，这种物质可以作为热探测器的制作材料。但实际上只有热电堆、测辐射热计、高莱池、热释电探测器四种探测器获得了广泛的应用。热探测器可工作于室温条件下，光谱响应特性宽，但是它最大的问题就是响应时间过长，约为毫秒数量级，这导致热探测器的应用有一定困难。但热释电探测器的产生，解决了此问题，因为它具有较好的响应率，逐步取代了其他探测器的应用，且机械性能好，比高莱池更坚固耐用[3]。

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　　国内对于热释电探测器制造及测试技术的研究还处于起步阶段，国内有关红外探测器性能参数测试研究在一些研究所和高校展开。像美国、法国、日本等红外探测器制造技术遥遥领先的国家，红外探测器测试系统都是自主研发的，而且还能对探测器和测试系统性能进行测试和评价。

　　3研究内容

　　“热探测器低频性能测试系统”，主要目的是实现测试所生产的红外探测器的低频性能，本课题的介绍是以热释电红外探测器为例展开的。测试系统测试原理是：黑体辐射源发出辐射能，通过斩波器和测试连接管，被热释电红外探测器探测到，并输出至示波器。使用机械调制器作为该系统的斩波器，调制黑体辐射源发出的辐射。该红外感应测试系统需要的调制频率在1～10Hz之间。通过单片机控制步进电机的驱动器，使电机按照所需要的调制频率对黑体进行调制。热释电探测器接收到调制的辐射信号，将辐射信号转化成电信号。由于辐射信号很小，需要设计一定的电路进行信号处理才能在示波器上显示清晰的波形。

　　4总体方案介绍

　　热探测器低频性能测试，系统由辐射源产生和热探测器测试两部分组成。辐射源产生部分由黑体辐射源和调制盘及电机控制电路构成。黑体(300K)发射出辐射能通过调制盘转动变成变化的辐射信号，由测试连接管传递给探测器，探测器输出交变地电信号。由于热释电探测器通常输出在几毫伏，不利于直接观察，故探测器电路处理由三部分构成，第一部分为初级前置放大电路，第二部分为滤波放大电路，第三电路级联放大器可使增益达到1000，满足后续A/D转换数字化电路和显示电路对信号强度的要求。

　　5热探测器电路设计

　　前置放大器的噪声主要由输入级贡献，因此系统主要有Johnson噪声、1/f噪声、放大器的电压和电流噪声等。热噪声是由材料中电荷载流子随机热运动而造成的。应该尽量减小探测器和前置放大器之间的距离来降低热噪声，噪声带宽减小应在前置放大电路后接低通滤波电路。

　　热释电探测器的阻抗匹配靠JFET来实现，因其具有输入阻抗大、输入电流小的特点。而高阻抗带来了额外的V-I噪声，故采用滤波电路除去。

　　采用一个1Hz的二阶高通滤波器和一个10Hz的四阶低通滤波器来实现1～10Hz的带通滤波器。

　　6整机测试

　　选取输入频率分别为1Hz、5Hz、10Hz时对整机进行测试，由此带通滤波电路的中心频率也对应为1Hz、5Hz、10Hz。

　　6.1输入频率为10Hz

　　黑体辐射源输出的信号经频率为10Hz的斩波器，经测试连接管，直接入射到热释电探测器上，探测器电路带通滤波器的中心频率为10Hz，示波器测试到最后的输出波形。

　　6.2输入频率为5Hz

　　黑体辐射源输出的信号经频率为5Hz的斩波器，经测试连接管，直接入射到热释电探测器上，探测器电路带通滤波器的中心频率为5Hz，示波器测试到最后的输出波形，波形稳定、无毛刺，有幅度变化。形成幅度变化的原因可能是该台测试设备中调制黑体辐射源的转盘没有在固定平面转动，而是有前后的摆动，导致通过转盘小孔的辐射通量随着时间而周期性变化。

　　6.3输入频率为1Hz

　　黑体辐射源输出的信号经频率为1Hz的斩波器，经测试连接管，直接入射到热释电探测器上，探测器电路带通滤波器的中心频率为1Hz，示波器测试到最后的输出波形，波形不稳定，波形峰值变化。经过分析之前设计的滤波器的问题，知道当滤波效果不太理想时，经过滤波放大的信号往往会有一个小于1Hz的低频分量加载在输出信号上，且该低频分量的频率不固定，在几百毫赫兹之间波动。

　　由以上测试结果可知，中心频率为5Hz和10Hz的带通滤波具有比较理想的结果，而中心频率为1Hz的带通滤波效果不太理想。因为加载在信号上的低频分量为几百mHz，比较接近1Hz，所以该低频分量在1Hz中心频率的滤波器中也有比较大的响应，从而使得滤波效果不太明显。初步分析，该低频分量可能是由于斩波器的转盘在转动的过程中对空气扰动，从而使得黑体辐射源形成的辐射热场在空间中分布不均匀导致。

　　7结语

　　随着现代信息技术的发展，热探测器已经广泛地应用到了各行各业中，无论是热探测器的制造厂家，还是应用热探测器的用户都需要了解热探测器的性能，其性能的好坏决定了应用效果的优劣，因此对热探测器做出准确测试具有重要的实际意义。本论文立足于低频的频率范围的实际应用需求，进行了测试系统的整体方案设计，旨在对热释电探测器低频性能测试系统电路设计，主要包括斩波器驱动电机控制电路和热探测器信号处理电路两部分。分析频率和探测器电路仿真的结果，并对整机进行测试。——论文作者：程娟