CN103076088A - 一种宽温环境下中红外光信号强度的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种宽温环境下中红外光信号强度的测量方法，首先建立测量装置，包括中红外光导探测器、驱动电路和信号采集记录仪，其中驱动电路包括仪表放大器单元和恒流源单元；其次测量得到中红外光导探测器在应用环境温度下的暗电阻值和响应率值，并确定驱动电路中配平电阻和放大倍数参数；最后再根据电压信号及监测的工作温度，计算得到中红外光信号强度。本发明根据每只探测器在宽温范围端点的暗电阻值、工作电压等参数，获得配平电阻和电路放大倍数的最优解，提高了恒流源式中红外探测电路的输出信号幅度和测量动态范围，具有步骤简洁、实现方便的特点，可用于中红外探测电路的批量设计。

Description

一种宽温环境下中红外光信号强度的测量方法

技术领域

本发明涉及一种中红外光信号强度的测量方法，尤其是采用光导型中红外探测器测量中红外光强变化的测量方法。

背景技术

光导型中红外探测器如碲镉汞、锑化铟等在测量红外光强参数时，常采用恒流源结合仪表放大器的测量方法，但是当测量环境温度变化较大时，由于中红外探测器的固有特性，探测器的暗电阻和响应率均随温度变化而改变，当环境温度变化时，光导型探测器暗电阻的变化将引起探测电路输出本底电压的漂移。当探测器工作在一个宽温环境下，即周边温度变化范围较大时，本底电压漂移是电路参数设计时必须考虑的问题。

现有技术中抑制本底电压漂移，一方面是选择合适的配平温度点，另一方面是降低仪表放大器的放大倍数。受光导型探测器响应率的限制，探测器输出信号通常比较微弱，为了获得足够的信号幅度，需要提高前置仪表放大器的放大倍数，故现有的按照某个固定温度点进行恒流源电路的配平方法，很难做到在较宽温度变化范围内，输出信号的最大幅值能够恰好满足后续记录系统的最大量程，也就是说当探测器工作在宽温区的两个端点时，探测器的本底信号并非恰好工作在测量系统所允许的探测器本底电平的上下限，没有使输出信号达到允许的最大值，从而缩小了测量系统的动态范围，增加了测量不确定度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决现有宽温条件下中红外光强测量中存在的测量输出信号幅值小、动态范围不够等问题，提高系统的测量不确定度。

本发明的技术解决方案是：

一种宽温环境下中红外光信号强度的测量方法，包括以下步骤：

【1】搭建中红外光信号强度的测量装置，所述的测量装置包括中红外光导探测器、驱动电路和信号采集记录仪；

其中驱动电路包括仪表放大器单元和恒流源单元，恒流源单元由测量臂和配平臂组成，测量臂包括恒流源，恒流源的正端接偏置电压源，负端同时与探测器的一端和仪表放大器的反向输入端相连，探测器的另一端接地；配平臂包括偏置电阻和配平电阻，偏置电阻一端接偏置电压源，另一端同时与配平电阻的一端和仪表放大器的正向输入端相连，配平电阻的另一端接地；信号记录仪与仪表放大器的输出端联接；

【2】测量得到中红外光导探测器在测量装置应用的环境温度下的暗电阻值R_t和响应率值S_t；

【3】确定偏置电阻的阻值、配平电阻的阻值和仪表放大器的放大倍数：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_1=V_{\mathrm{bias}}/I_1\\ G=\frac{V_{\mathrm{bk}\_\max }-V_{\mathrm{bk}\_\min }}{I_D(R_{t\_\min }-R_{t\_\max })}\\ R_2=\frac{V_{\mathrm{bias}}}{I_D}\frac{R_1(V_{\mathrm{bk}\_\max }-V_{\mathrm{bk}\_\min })}{V_{\mathrm{bk}\_\max }{R}_{t\_\min }-V_{\mathrm{bk}\_\min }{R}_{t\_\max }}\end{array}\right.$

其中：

G为仪表放大器的放大倍数；

I_D为恒流源输出电流，即探测器工作电流；

V_bias为偏置电压；

R₁为配平臂上的偏置电阻；

R₂为配平电阻；

R_{t_max}为工作温度上限时探测器的暗电阻值；

R_{t_min}为工作温度下限时探测器的暗电阻值；

I₁为配平臂上工作电流；

【4】根据步骤【3】的结果搭建驱动电路，并采用测量装置测量中红外光束，同时监测探测器（3）的工作温度；

【5】根据信号采集记录仪记录的电压信号及监测的工作温度，计算得到中红外光信号强度：

V_t=G·P·S_t

其中：

P为光强幅值；

V_t为在对应温度t时的电压信号幅值；

S_t为中红外光导探测器在对应温度t时的响应率。

上述光导型中红外探测器输出信号测量方法中，中红外光导探测器为碲镉汞、锑化铟、硫化铅或锡化铅。

上述光导型中红外探测器输出信号测量方法中，信号采集记录仪为示波器或多通道数据采集系统。

本发明具有的有益效果如下：

1、本发明探测器在测量中红外光强参数的同时，实时的监测探测器工作温度，并结合响应率随温度变化特性，予以校正，提高了测量不确定度。

2、本发明在恒流源单元中设置了配平电阻和偏置电阻，方便将输出电路中的信号本底电压调节至较小幅值，提高了测量动态范围。

3、本发明根据每只探测器在宽温范围端点的暗电阻值等参数，获得配平电阻和电路放大倍数的最优解，提高了恒流源式中红外探测电路的输出信号幅度，提高了测量动态范围和测量不确定度。

4、本发明具有步骤简洁，计算方便的特点，可以用于批量中红外探测电路配平电阻和电路放大倍数参数的确定。

附图说明

图1为本发明基于恒流源原理的中红外探测电路图；

图2为典型的碲镉汞探测器暗电阻随温度变化曲线；

图3为典型的碲镉汞探测器响应率相对值随温度变化曲线。

附图标记为：1-偏置电压源；2-恒流源；3-中红外光导探测器；4-偏置电阻；5-配平电阻；6-仪表放大器。

具体实施方式

本发明采用的中红外光信号强度的测量装置包括中红外光导探测器3、驱动电路和信号采集记录仪；驱动电路如图1所示，包括仪表放大器单元和恒流源单元，恒流源单元由测量臂和配平臂组成，测量臂包括恒流源2和中红外光导探测器3，恒流源的正端接偏置电压源1，负端同时与探测器3的一端和仪表放大器6的反向输入端相连，探测器3的另一端接地；配平臂包括偏置电阻4和配平电阻5，偏置电阻4一端接偏置电压源1，另一端同时与配平电阻5的一端和仪表放大器6的正向输入端相连，配平电阻5的另一端接地；信号记录仪的输入端与仪表放大器6的输出端联接，另一端共地。

探测器3的输出信号可表示为

$V_{\mathrm{out}}=G(V_{\mathrm{bias}}\frac{R_2}{R_2+R_1}-I_D{R}_t)$

其中V_bias为偏置电压，R₁为配平臂上偏置电阻，R₂为配平电阻，I_D为恒流源输出电流即探测器工作电流，R_t为探测器在该温度下的电阻值，G为仪表放大器的放大倍数。

如图2和图3所示，受碲镉汞等中红外探测器温度特性的影响，当工作环境温度变化时，探测器的暗电阻和响应率将随温度单调变化，且不同的探测器的变化趋势差异较大。则当环境温度变化时，探测器暗电阻的变化将引起探测电路输出本底电压的漂移。

为克服现有的批量探测器应用中，选用恒定工作温度点配平的电路参数设计方法存在的问题，本发明的具体步骤为：

一、确定电路的常规参数和设计要求：

1）确定探测电路工作的环境温度上限t_max、下限t_min和相应的本底电压V_{bk_max}、V_{bk_min}；

2）确定偏置电压V_bias

每种探测器的最佳工作电流由厂家给出，比如碲镉汞探测器的最佳工作电流为4mA，根据最佳工作电流设计合适的恒流源。V_bias用于为恒流源提供工作电压，电压值主要取决于恒流源要求的工作电压，一般有较宽的选择范围。

3）配平臂上的偏置电阻R₁

设置配平臂上工作电流I₁，估算配平臂上偏置电阻的阻值，估算公式为R₁=V_bias/I₁；配平臂由配平电阻R₂和偏置电阻R₁组成，配平臂的电流要求远大于仪表放大器的偏置电流。仪表放大器的偏置电流在10nA级别，故配平臂的偏置电流可以设置在μA量级。对多通道测量系统而言，配平臂上设置较低的偏置电流可以有效降低系统功耗。确定配平臂的电流之后即可估算出配平臂上偏置电阻的阻值R₁。

二、计算配平电阻R₂和放大倍数G：

根据探测器工作温度上限和下限的暗电阻值以及相应的本底电压建立如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{bk}\_\max }=G(V_{\mathrm{bias}}\frac{R_2}{R_1+R_2}-I_D{R}_{t\_\max })\\ V_{\mathrm{bk}\_\min }=G(V_{\mathrm{bias}}\frac{R_2}{R_1+R_2}-I_D{R}_{t\_\min })\end{array}\right.$

其中V_{bk_max}和V_{bk_min}分别表示工作温度上限和下限时的本底电压值，R_{t_max}和R_{t_min}分别表示工作温度上限和下限时的探测器暗电阻值，R₁为配平臂上偏置电阻，R₂为配平电阻，I_D为恒流源输出电流即探测器工作电流，G为仪表放大器的放大倍数。

根据上面方程组，可以求得配平电阻和放大倍数的解析表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}G=\frac{V_{\mathrm{bk}\_\max }-V_{\mathrm{bk}\_\min }}{I_D(R_{t\_\min }-R_{t\_\max })}\\ R_2=\frac{V_{\mathrm{bias}}}{I_D}\frac{R_1(V_{\mathrm{bk}\_\max }-V_{\mathrm{bk}\_\min })}{V_{\mathrm{bk}\_\max }{R}_{t\_\min }-V_{\mathrm{bk}\_\min }{R}_{t\_\max }}\end{array}\right.$

采用图1的电路以及上述步骤得到电路参数后，搭建驱动电路，并采用测量装置测量中红外光束，同时监测探测器的工作温度；根据信号采集记录仪记录的电压信号及监测的工作温度，并依据下式计算得到中红外光信号强度：

V_t=G·P·S_t

其中：

P为光强幅值；

V_t为在对应温度t时的电压信号幅值；

S_t为中红外光导探测器在对应温度t时的响应率。

本发明恒流源单元中设置了配平电阻和偏置电阻，方便将输出电路中的信号本底电压调节至较小幅值，提高了测量动态范围；同时根据每只探测器在宽温范围端点的暗电阻值，获得配平电阻和电路放大倍数的最优解，提高了恒流源式中红外探测电路的输出信号幅度，提高了测量动态范围和测量不确定度，具有步骤简洁，计算方便的特点，可以用于批量中红外探测电路配平电阻和电路放大倍数参数的确定。

本方法并不局限于图1所示的电路连接方式，比如探测臂可以连接仪表放大器的IN+端，而配平臂连接仪表放大器的IN-端。在这种连接方式下，本方法仍然适用。本发明适用的探测器除了碲镉汞、锑化铟外，同样适用于其它光导型探测器如硫化铅、锡化铅等。以上变化，均在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种宽温环境下中红外光信号强度的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

【1】搭建中红外光信号强度的测量装置，所述的测量装置包括中红外光导探测器（3）、驱动电路和信号采集记录仪；

所述的驱动电路包括仪表放大器单元和恒流源单元，恒流源单元由测量臂和配平臂组成，测量臂包括恒流源（2），恒流源的正端接偏置电压源（1），负端同时与中红外光导探测器（3）的一端和仪表放大器（6）的反向输入端相连，中红外光导探测器（3）的另一端接地；配平臂包括偏置电阻（4）和配平电阻（5），偏置电阻（4）一端接偏置电压源（1），另一端同时与配平电阻（5）的一端和仪表放大器（6）的正向输入端相连，配平电阻（5）的另一端接地；

所述的信号记录仪与仪表放大器（6）的输出端联接；

【2】测量得到中红外光导探测器（3）在工作温度范围内的暗电阻值R_t和响应率值S_t；

【3】确定偏置电阻R₁的阻值、配平电阻R₂的阻值和仪表放大器的放大倍数G：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_1=V_{\mathrm{bias}}/I_1\\ G=\frac{V_{\mathrm{bk}\_\max }-V_{\mathrm{bk}\_\min }}{I_D(R_{t\_\min }-R_{t\_\max })}\\ R_2=\frac{V_{\mathrm{bias}}}{I_D}\frac{R_1(V_{\mathrm{bk}\_\max }-V_{\mathrm{bk}\_\min })}{V_{\mathrm{bk}\_\max }{R}_{t\_\min }-V_{\mathrm{bk}\_\min }{R}_{t\_\max }}\end{array}\right.$

其中：

G为仪表放大器的放大倍数；

I_D为恒流源输出电流，即探测器工作电流；

V_bias为偏置电压；

V_{bk_max}为驱动电路输出最高本底电压值；

V_{bk_min}为驱动电路输出最低本底电压值；

R₁为配平臂上的偏置电阻；

R₂为配平电阻；

R_{t_max}为工作温度上限时探测器的暗电阻值；

R_{t_min}为工作温度下限时探测器的暗电阻值；

I₁为配平臂上工作电流；

【4】根据步骤【3】的结果搭建驱动电路，并采用测量装置测量中红外光束，同时监测探测器（3）的工作温度；

【5】根据信号采集记录仪记录的电压信号及监测的工作温度，计算得到中红外光信号强度：

V_t=G·P·S_t

其中：

P为光强幅值；

V_t为在对应温度t时的电压信号幅值；

S_t为中红外光导探测器在对应温度t时的响应率。

2.根据权利要求1所述的光导型中红外探测器输出信号测量方法，其特征在于：所述的中红外光导探测器（3）为碲镉汞、锑化铟、硫化铅或锡化铅。

3.根据权利要求1所述的光导型中红外探测器输出信号测量方法，其特征在于：所述的信号采集记录仪为示波器或多通道数据采集系统。

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