熱釋電紅外探測(cè)器性能測(cè)試與分析

熱釋電紅外探測(cè)器性能測(cè)試與分析

1紅外探測(cè)器性能綜合測(cè)試系統(tǒng)紅外探測(cè)器是紅外系統(tǒng)的重要部件。探測(cè)器的性能直接決定著紅外系統(tǒng)的性能。因此，對(duì)整個(gè)測(cè)量方法的測(cè)試是每個(gè)紅茶工人必須面對(duì)的問(wèn)題。要了解探測(cè)器的綜合性能必須分別對(duì)探測(cè)器的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試,當(dāng)批量測(cè)試時(shí),測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng),工作量大。為了解決這一問(wèn)題,本文研制了一個(gè)紅外探測(cè)器性能綜合測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)為微機(jī)控制全自動(dòng)光電測(cè)試系統(tǒng),采用數(shù)據(jù)采集卡與微機(jī)接口,D/A對(duì)光源進(jìn)行數(shù)字調(diào)制,A/D對(duì)探測(cè)器輸出的信號(hào)進(jìn)行采集,微機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化處理、存盤(pán)、打印報(bào)表等,操作簡(jiǎn)單。方便了紅外工作者在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)探測(cè)器的選取,為系統(tǒng)的整體性能提供了保障。2理論和技術(shù)基礎(chǔ)2.1極化強(qiáng)度的影響熱釋電探測(cè)器是利用某些材料的熱釋電效應(yīng)探測(cè)輻射能量的器件。熱釋電效應(yīng)是部分單軸對(duì)稱(chēng)點(diǎn)群的晶體所具有的一種物理特性,該類(lèi)材料在溫度發(fā)生變化時(shí),其內(nèi)部自發(fā)極化強(qiáng)度發(fā)生改變,會(huì)在材料表面釋放電荷。利用這種效應(yīng)制作的熱釋電探測(cè)器與量子型紅外探測(cè)器相比特點(diǎn)如下:1)無(wú)選擇性;2)室溫下工作,無(wú)須制冷,體積小;3)制作工藝簡(jiǎn)單,成本低廉。盡管熱釋電探測(cè)器存在著探測(cè)率低、響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn),但隨著材料性能的改善、制作工藝的成熟,多元陣列探測(cè)器的出現(xiàn),這些缺點(diǎn)得到了極大的改善,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,已成為一種重要的紅外探測(cè)器。2.2器件熱時(shí)間常數(shù)k熱釋電探測(cè)器接收到的階躍輻射功率可以表示為W(t)={W00t≥0t＜0(1)W(t)={W00t≥0t＜0(1)當(dāng)t≥0時(shí),器件溫升ΔT所滿足的熱平衡方程為ξdΔΤdt+GΔΤ=ηW0(2)ξdΔTdt+GΔT=ηW0(2)式中:ξ為器件的熱容量,G為熱導(dǎo),η為光敏面的吸收率。解此方程,并利用初始條件ΔT|t=0=0,則得ΔΤ=ηW0G(1-e-t/τΤ)(3)ΔT=ηW0G(1?e?t/τT)(3)式中:τT=ξ/G為器件的熱時(shí)間常數(shù)。由于器件溫升是均勻的,因此dˉΔΤdt=dΔΤdt=ηW0ξe-t/τΤ(4)dΔTˉˉˉˉˉˉdt=dΔTdt=ηW0ξe?t/τT(4)在階躍輻照下,熱釋電訊號(hào)電壓V滿足方程:CdVdt+1RV=AλdEdt(5)式中:C=C′(器件電容)+C″(前置放大器輸入電容),1R=1R′+1R″,R′為器件電阻,R″為前置放大器輸入電阻。由初始條件t=0時(shí),V=0,從上式可解得前置放大器輸入端的訊號(hào)電壓V=AλˉΔΤCe-t/RCt∫0et/RCdˉΤdt′dt′(6)將(1)式中的t換成t′并代入(6)式,則得V=ηW0lC(λCE)τΤτeτΤ-τe(e-t/τΤ-e-t/τe)(7)由以上分析可知,熱釋電探測(cè)器在矩形波的調(diào)制下,輸出脈沖信號(hào)如圖1。3測(cè)量系統(tǒng)3.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。3.2探測(cè)器放大電路系統(tǒng)光源為480℃紅外點(diǎn)光源,發(fā)出波長(zhǎng)為4～8μm波段的紅外光,經(jīng)雙反射鏡后匯聚于探測(cè)器上。點(diǎn)狀光源便于光學(xué)成像處理,提高了能量的利用率,采用雙反射鏡在短光程內(nèi)將光源發(fā)出的光匯聚于探測(cè)器的靈敏元上。數(shù)據(jù)采集卡與微機(jī)接口輸出矩形波電壓調(diào)制光源,調(diào)制頻率為1Hz,矩形波占空比為1∶4。熱釋電探測(cè)器工作于室溫。熱釋電探測(cè)器輸出的信號(hào)必須進(jìn)行交流放大以便后續(xù)信號(hào)的采集和處理,采用交流放大避免了直流放大的零點(diǎn)漂移。由集成運(yùn)放LM324構(gòu)成兩級(jí)可調(diào)增益前置放大電路將探測(cè)器輸出信號(hào)放大到采集卡所要求的電平上,前放應(yīng)具有低噪聲、高增益、高輸入阻抗、低輸出阻抗、寬頻帶的特性,還應(yīng)保證其工作于線性區(qū)和具有良好的抗干擾能力。LM324是Motorola公司生產(chǎn)的精密四運(yùn)算放大器,輸出級(jí)有短路保護(hù)裝置,內(nèi)接頻率補(bǔ)償電路,四個(gè)運(yùn)放之間有良好的匹配性能和隔離性能,可以滿足以上要求。因?yàn)樘綔y(cè)器輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍較大,所以在采集卡上另加一級(jí)程控放大器,放大倍數(shù)由微機(jī)控制。采集卡PC7428為北京宏拓控制技術(shù)公司生產(chǎn),A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間≤10μm,轉(zhuǎn)換誤差≤0.02%(電壓滿量程),輸入阻抗≥1MΩ,可滿足對(duì)前置放大器輸出信號(hào)采樣頻率、采樣精度的要求,采集卡輸出電流不足以驅(qū)動(dòng)光源,所以外加一級(jí)隔離放大器。數(shù)據(jù)采集卡每隔一定的時(shí)間對(duì)前置放大器的輸出進(jìn)行采樣,對(duì)時(shí)間的控制是由軟件實(shí)現(xiàn)的。使用MicrosoftVisualC++嵌入?yún)R編語(yǔ)言可以精確定時(shí)。采樣頻率必須符合采樣定理。采樣結(jié)束后進(jìn)行信號(hào)處理,濾除高頻干擾后,讀出峰值電壓。系統(tǒng)對(duì)探測(cè)器的特性參數(shù)均采用峰-峰值標(biāo)定。系統(tǒng)軟件部分是由MicrosoftVisualC++開(kāi)發(fā)完成的。利用Windows消息處理、多線程、MFC文檔視窗結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)擴(kuò)展庫(kù)及VC內(nèi)嵌匯編直接讀寫(xiě)硬件的特點(diǎn),可以靈活高效的進(jìn)行程序編寫(xiě)。4探測(cè)器的靈敏度、采集卡和測(cè)點(diǎn)布置系統(tǒng)對(duì)上海尼賽拉傳感器有限公司生產(chǎn)的PM622型雙靈敏元熱釋電紅外探測(cè)器進(jìn)行了測(cè)試,探測(cè)器出廠時(shí)的型號(hào)指標(biāo)為:1Hz調(diào)制頻率,72.5dB放大倍數(shù)下,輸出信號(hào)大于2.5V,平衡度小于15%。本系統(tǒng)測(cè)試條件為:環(huán)境溫度:室溫,靈敏元面積:2.0mm×1.0mm,工作電壓:5V,源極電阻R=26.8kΩ,放大倍數(shù):50dB。光源在矩形波電壓調(diào)制下發(fā)射出紅外光,分別匯聚于探測(cè)器的兩個(gè)靈敏元上。圖3為采集卡輸出幅值依次增高的矩形波電壓驅(qū)動(dòng)光源,前置放大器輸出的波形,圖4為探測(cè)器對(duì)階躍輻射的響應(yīng)曲線,圖5為靈敏元A和B分別對(duì)光源電壓的響應(yīng)率曲線。由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析:1)在上述條件下經(jīng)測(cè)試可知,PM622型雙靈敏元傳感器靈敏度≥0.1V,相對(duì)光源電壓的線性區(qū)間為0.2～3.5V,當(dāng)光源電壓大于3.5V以后,探測(cè)器漸趨飽和。2)探測(cè)器的平衡度≥10%,對(duì)于平衡度較大的探測(cè)器,在使用時(shí)可以調(diào)節(jié)光路或用線性補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)滿足要求。3)經(jīng)重復(fù)性測(cè)試可知,探測(cè)器的特性參數(shù)隨時(shí)間的漂移≤1%。5熱釋電探測(cè)器性能測(cè)試本文針對(duì)熱釋電探測(cè)器的特性,論述了紅外探測(cè)器綜合性能參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和具體環(huán)節(jié),