CN103512656B - 用于光导型红外探测器阵列的分时供电和数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光导型红外探测器阵列的分时供电和数据采集系统，包括恒流源、输入多通道模拟开关、输出多通道模拟开关、数据采集处理单元和n只与光导型红外探测器一一对应的电桥式放大驱动单元；输入多通道模拟开关和输出多通道模拟开关的选通端可在驱动电平的作用下，同步选通同一路电桥式放大驱动单元，对测量单元同步供电和数据采集。本发明有效解决了光导型红外探测器和驱动电路在持续工作中的发热问题，克服了探测器温升引起的基线漂移，确保了动态范围，满足了测量系统长时间工作的要求。

Description

用于光导型红外探测器阵列的分时供电和数据采集系统

技术领域

本发明涉及探测器和数据采集领域，尤其涉及一种用于中红外光导型探测器阵列的分时供电和数据采集方法与装置。

背景技术

中红外光导型探测器如碲镉汞（HgCdTe）、锑化铟（InSb）、硫化铅（pbS）等在中红外激光检测方面发挥着重要作用。这些探测器组成阵列可用于对较大光斑的中红外激光时间空间分布进行测量。

现有测量中红外激光光斑的光电探测器阵列通常采用如图1所示的稳压供电的电桥式放大驱动单元6，包括放大器5和由测量臂22和参考臂21组成的平衡式电桥，测量臂22由偏置电阻1和探测器2组成，参考臂21由偏置电阻3和平衡电阻4组成，偏置电阻3和平衡电阻4的阻值需要根据探测器的暗电阻和工作电流进行选取，测量臂22和参考臂21的公共端分别接稳压源Vref和地。当被测量光束入射至光导探测器2时，引起探测器的电阻变化，破坏了电桥的平衡，使得放大器5的正负输入端之间产生压差ΔV=V1-V2，经放大器5后输出电压信号VO，且其输出与入射的光功率相关，实现了光功率的检测。

为了实现大面积的光束检测，常需要数十只至数百只光电探测器在空间上布成面阵或线阵结构，这时采用多通道数据采集系统，实现信号的采集和记录，其基本原理如图2所示，电压源加载到n通道并行工作的电桥式放大驱动单元6，其放大器5的输出端通过多通道模拟开关7分时导通，模数转换后记录和存储在数据采集处理单元8内，进而通过软件图像复原，得到光束光强的时空分布信息。

申请号为201110233174.9的中国专利“一种基于电桥原理的中红外探测电路参数设计方法”，就公开了这种技术探测方案，在秒级的短时间测量光斑时空分布中发挥了重要作用。然而当需要测量的时间较长，如几十秒甚至几分钟时，由于n路探测器和电桥式放大驱动单元同时长时间供电，电路产生的大量热量引起测量系统内部温度升高，而红外光导型探测器不仅对输入中红外光功率敏感，而且对所处环境温度也敏感，因此造成探测器驱动电路基线发生漂移，严重影响测量系统的动态范围。

发明内容

本发明提出了一种用于光导型红外探测器阵列的分时供电和数据采集系统，采用分时供电和分时采集的方法，有效克服了光导型红外探测器工作中引起的热效应。

本发明的技术内容如下：

用于光导型红外探测器阵列的分时供电和数据采集系统，包括恒流源、输入多通道模拟开关、输出多通道模拟开关、数据采集处理单元和n只与光导型红外探测器一一对应的电桥式放大驱动单元；

恒流源与输入多通道模拟开关的公共端相联；

电桥式放大驱动单元包括参考臂、测量臂和放大器，n只光导型红外探测器设置在对应电桥式放大驱动单元的测量臂上，n只电桥式放大驱动单元的参考臂和测量臂的公共端分别与对应的输入多通道模拟开关的多路端相联；

输出多通道模拟开关的n个多路端分别与对应电桥式放大驱动单元的放大器输出端相联；输出多通道模拟开关的公共端与数据采集处理单元相联；

输入多通道模拟开关和输出多通道模拟开关的选通端可在驱动电平的作用下，同步选通同一路电桥式放大驱动单元。

上述用于光导型红外探测器阵列的分时供电和数据采集系统中，电桥式放大驱动单元的测量臂包括偏置电阻和光导型红外探测器，偏置电阻的阻值大于10倍的光导型红外探测器内阻。

上述用于光导型红外探测器阵列的分时供电和数据采集系统中，电桥式放大驱动单元的放大器为AD620或INA118仪表放大器。

上述用于光导型红外探测器阵列的分时供电和数据采集系统中，输入多通道模拟开关和输出多通道模拟开关均选用74HCT4067芯片。

上述用于光导型红外探测器阵列的分时供电和数据采集系统中，光导型红外探测器为碲镉汞、锑化铟、硫化铅探测器。

上述用于光导型红外探测器阵列的分时供电和数据采集系统中，n为数个至数百个。

本发明具有以下的有益效果：

1、本发明采用对光导型红外探测器阵列的同步分时供电和分时采集的方法，有效解决了现有光导型红外探测器和驱动电路在持续工作中的发热问题，克服了探测器温升引起的基线漂移，确保了动态范围，满足了测量系统长时间工作的要求。

2、本发明采用对电桥式放大驱动单元恒流供电的方法，解决了在探测器低内阻情况下，探测器多通道模拟开关在不同通道导通时导通电阻不同而引起的测量结果的不一致性，确保测量的准确性。

3、本发明的分时供电及采集方法，可广泛应用于采用碲镉汞、锑化铟等光导型中红外光导型探测器的测控装置或系统中。

附图说明

图1为现有技术中稳压供电的电桥式放大驱动单元原理示意图；

图2为现有技术中稳压并行供电的多通道测量系统示意图；

图3为稳压分时供电、分时采集的多通道测量系统原理示意图；

图4为多通道模拟开关在低阻时导通电阻不平坦典型曲线；

图5为电桥式放大驱动单元在稳压供电时的等效电路图；

图6为本发明恒流供电的电桥式放大驱动单元原理示意图；

图7为本发明恒流分时供电、分时采集的多通道测量系统原理示意图；

附图标示如下：

1—测量臂偏置电阻；2—光导型红外探测器；3—参考臂偏置电阻；4—平衡电阻；5—放大器；6—电桥式放大驱动单元；7—输出多通道模拟开关；8—数据采集与处理单元；9—输入多通道模拟开关；10—模拟开关的导通电阻；11—电桥式放大驱动单元的等效电阻；12—恒流源；21—参考臂；22—测量臂。

具体实施方式

本发明提出了一种分时供电、分时采集的光导型红外探测器测量方法，二者保持严格的同步，只有当多通道开关选通该测量通道进行数据采集时，才同步给该探测器和电桥式驱动单元加电，这样可以大大减小热效应带来的问题。

根据图1和图2的现有技术，首先想到是采用如图3所示的稳压分时供电、分时采集的多通道测量系统。将稳压源通过多通道模拟开关分时加载在电桥式放大驱动单元上，并与数据采集处理单元同步选通某一路探测器。

多通道模拟开关包括公共端、多路端和选通端，对于n路的多通道模拟开关，类似于电器元件中的单刀多掷开关，公共端含有1个接线端点，多路端含有n个接线端点，选通端则包含若干个接线端子，通过二进制的电平加载实现某一路的选通，通常可通过软件编程实现不同顺序的选通。

但是当采用多通道模拟开关将电压分时加载至电桥式放大驱动单元时，多通道模拟开关的导通电阻不平坦度将成为一个需要考虑的问题。导通电阻的不平坦度是指采用多通道模拟开关不同通道导通时导通电阻不同，既使同一通道各次导通时导通电阻也不尽相同，称为导通电阻的不平坦度。见图4为文献“Philips Semiconductors Data Sheet”给出了典型的16路模拟开关74HC4067导通电阻不平坦度曲线。其中R_ON为导通电阻，Vis为通道输入模拟电压，Vcc为模拟开关的供电电压。可以看出，电源电压和各通道输入模拟电压幅度对模拟开关导通电阻有非常大的影响。

图5则给出了电桥式放大驱动单元在稳压供电时的等效电路图。当模拟开关选通某只探测器所在的电桥式放大驱动单元时，相当于在稳压源和电桥等效电阻11之间串接了一个模拟开关的导通电阻10。该导通电阻Ron通常为100Ω左右，伴随约10Ω的起伏。

由于常规中红外探测器的暗电阻为百欧姆级，以100Ω为例，电桥等效电阻11约2kΩ，则模拟开关上导通电阻10的分压将接近整个电桥供电电压的1/20，而模拟开关导通电阻10的起伏引起的分压比的变化接近0.5%，电压不稳引起电桥供电电流的起伏，将直接会给测量单元6输出电压造成额外的不确定性。要在不改变测量电路结构的前提下把这个不稳定性降到最低，必须减小模拟开关的分压比，一方面需要选择导通电阻极小的多通道模拟开关，目前为止价格高昂且非常难买到；另一方面需要大大提高电桥的等效电阻，在探测器内阻不变时提高偏置电阻，其代价是降低流过电桥的电流，进而降低探测器的光电转换灵敏度，使得光电探测器的输出信号过小。因此上述两个方法均不理想，需要从根本上改变电路结构来实现降低功耗的目标。

本发明采用对电桥式放大驱动单元分时恒流供电、并同步分时采集各路输出电压信号的方法，一方面实现了大大降低光斑测量装置功耗的目标，降低了测量装置内部温升，解决了长时间测量中基线漂移的问题，而且由于采用恒流供电模式，模拟开关因为与测量电桥串联，因此流过电桥的电流与模拟开关导通电阻大小无关，从而避免了模拟开关导通电阻不平坦性引起的测量误差。

图6为恒流供电的电桥式放大驱动单元原理示意图，与稳压供电的最主要区别是整个电桥采用恒流驱动而非稳压驱动。测量单元主要包括恒流驱动源输入I0、测量电桥和差分放大器5。其中，测量电桥由偏置电阻1和探测器2构成的测量臂22与偏置电阻3和平衡电阻4构成的参考臂21组成。差分放大器5用于把测量臂22输出的电压V1和参考臂21输出的电压V2之差放大到满足后续数据采集器需要的电压水平。

根据电桥工作原理可得：

VOi=G*(V1-V2)    (1)

V1=I1*R2    (2)

V2=I2*R4    (3)

β=I1/I2    (4)

I1+I2=I0    (5)

式中VOi为第i通道测量单元的输出电压；

G为差分放大器的增益；

I1为流过测量臂的电流；

I2为流过参考臂的电流；

R2为探测器（2）的暗电阻阻值；

R4为平衡电阻（4）的阻值；

β为分流比。

由于测量臂的偏置电阻1、参考臂的偏置电阻3和平衡电阻4都由低温漂的精密电阻构成，因此，测量过程中温度对这些电阻阻值的影响可以忽略不计，因此测量单元的输出电压仅与光电导探测器2的内阻有关。而光电导探测器2的内阻主要受所接收光功率和环境温度的影响，如果我们能够在测量过程中控制环境温度保持相对稳定，则探测器内阻就只由输入的光功率来决定。

为了尽可能降低因为探测器受光辐照引起的电桥分流比的变化，测量臂中偏置电阻）的阻值R1相对于探测器2的暗电阻R2应足够大，比如可以设定为

R1>10R2    (6)

这样当探测器内阻变化10%，其对测量臂22总的阻值影响不足1%。

为了充分利用恒流源的输出电流I0，降低测量单元功耗，参考臂的分流应该尽可能小，即参考臂的总的电阻阻值应尽可能大。当电桥处于平衡状态时，各元件阻值关系如下

Rref＝R3+R4    (7)

Rmea＝R1+R2    (8)

R1/R2＝R3/R4    (9)

Rref=k*Rmea    (10)

式中：

Rref为参考臂总的电阻阻值；

Rmea为测量臂总的电阻阻值；

R4为平衡电阻（4）的阻值。

当无光照时，调节R4使电桥处于平衡状态，测量电路可以获得最大的测量动态范围；

系数k为常数，越大表明相对于测量臂，参考臂的电阻阻值越大，在电桥中参考臂的分流越小，即恒流源输出的电流I0主要用于驱动光电导探测器（2），提高了恒流源的利用率和探测电路的响应灵敏度。比如可以设定为k=20，则参考臂的分流将低于电桥总供电电流的5%，即恒流源输出电流的95%将用于驱动光电探测器。

通过精密平衡调节（无光照时，电路输出为0）后，单路测量电路输出电压可以表示为：

VOi=P*S*I*G    (11)

式中，VOi为单路测量电路输出电压，单位V；

P为探测器接收的被测光功率，单位W；

S为光电导探测器响应灵敏度，单位Ω/W；

I为流过探测器的电流，单位A；

G为差分放大器的差分增益。

图7为分时恒流驱动与数据采集装置示意图。主要包括恒流源12、输入多通道模拟开关9、输出多通道模拟开关7、数据采集处理单元8和n只与光导型红外探测器2一一对应的电桥式放大驱动单元6；其中恒流源12与输入多通道模拟开关9的公共端相联，输入多通道模拟开关9的n个多路端分别与对应电桥式放大驱动单元6的参考臂21和测量臂22的公共端相联，输出多通道模拟开关7的n个多路端分别与对应电桥式放大驱动单元的放大器5输出端相联；数据采集处理单元8与输出多通道模拟开关7的公共端相联，且输入多通道模拟开关9和输出多通道模拟开关7的选通端可在驱动电平的作用下，同步选通同一只电桥式放大驱动单元6。

本发明采用分时恒流供电的方法，在保持每路探测器供电电流不变的前提下，总的电桥供电电流依然保持为I0，而非并行供电时的n*I0（其中n为测量通道数），因此整个测量电路的功耗及其引起的温升将大幅降低，基线漂移也将得到有效抑制。探测器驱动电流越大，测量系统功耗越大，但探测电桥的响应灵敏度却可以提高。对于我们常用光导型中波红外探测器，通常选择为1～10mA比较合适。

本发明装置中采用恒流供电模式，则流过测量单元的电流仅由恒流源的输出特性相关，基本与模拟开关的导通电阻无关，因而从根本上避免了模拟开关导通电阻起伏引起的测量不确定性。

由于多通道模拟开关选通的测量单元通道由输入地址A1～Am决定，因此为了实现对某一通道测量单元的测量，在通过输入多通道模拟开关9为该通道选通驱动电流的同时，该通道的输出电压也同步通过相同的选通地址经输出多通道模拟开关7，输出到采集处理单元8，进行模数转换，并把转换后的数据通过计算机或DSP等进行分析处理，获得所需要的结果。

实施例：

用16路光导型中红外HgCdTe探测器测量圆形激光光斑，光斑尺寸φ40mm，单元探测器光敏面为2*2mm，我们设计了52*52mm的探测器板用于安装固定16路探测器。为了防止光电探测器因强光辐照发生饱和甚至损坏，各单元探测器前固定有衰减片，以便把入射激光功率调整到探测器量程范围内。

设光导型HgCdTe探测器在室温23℃时暗电阻阻值R2为100Ω，测量臂偏置电阻阻值R1设置为2kΩ，则即使在较强光功率辐照下，探测器内阻阻值达到80Ω，测量臂总的阻值Rmea从2.1kΩ变到2.08kΩ，基本保持不变。参考臂中，为了尽可能减小分流，偏置电阻设为40kΩ，为了在无光的室温测量情况下，电桥输出电压为0，则平衡电阻调整为2kΩ。这样配置，可以确保在足够强光辐照前后，测量电桥参考臂和测量臂的分流比基本保持恒定。

放大器选用高输入阻抗的AD620或INA118仪表放大器，两个多通道模拟开关均选用74HCT4067，通道数为16，供电电压+5V，导通电阻典型值为110Ω，导通电阻的不平坦度为9Ω。选通地址控制端控制逻辑与TTL电平兼容，可直接与常用DSP或计算机的输出电平相连接。恒流源输出电流为2mA，则测量电桥上的端电压约为4.2V，满足模拟开关74HCT4067的选通要求。

数据采集处理单元包括以8052处理器为内核的ADuC842单片机和台式计算机，最高采样率为160kHz，单片机一方面产生4位地址供给模拟开关和进行通道切换，另一方面控制数据采集与处理单元进行模数转换和数据的分析、处理并把结果显示在台式计算机屏幕上。

Claims (5)

1.用于光导型红外探测器阵列的分时供电和数据采集系统，其特征在于：包括恒流源(12)、输入多通道模拟开关(9)、输出多通道模拟开关(7)、数据采集处理单元(8)和n只与光导型红外探测器(2)一一对应的电桥式放大驱动单元(6)；

所述的恒流源(12)与输入多通道模拟开关(9)的公共端相联；

所述的电桥式放大驱动单元(6)包括参考臂(21)、测量臂(22)和放大器(5)，所述n只光导型红外探测器(2)设置在对应电桥式放大驱动单元(6)的测量臂上，所述n只电桥式放大驱动单元(6)的参考臂(21)和测量臂(22)的公共端分别与对应的输入多通道模拟开关(9)的多路端相联；

所述输出多通道模拟开关(7)的n个多路端分别与对应电桥式放大驱动单元(6)的放大器(5)输出端相联；所述输出多通道模拟开关(7)的公共端与数据采集处理单元(8)相联；

所述输入多通道模拟开关(9)和输出多通道模拟开关(7)的选通端可在驱动电平的作用下，同步选通同一路电桥式放大驱动单元(6)；

所述电桥式放大驱动单元(6)的测量臂(22)包括偏置电阻(1)和光导型红外探测器(2)，所述偏置电阻(1)的阻值大于10倍的光导型红外探测器(2)的内阻。

2.根据权利要求1所述的用于光导型红外探测器阵列的分时供电和数据采集系统，其特征在于：所述的电桥式放大驱动单元的放大器(5)为AD620或INA118仪表放大器。

3.根据权利要求1所述的用于光导型红外探测器阵列的分时供电和数据采集系统，其特征在于：所述的输入多通道模拟开关(9)和输出多通道模拟开关(7)均选用74HCT4067芯片。

4.根据权利要求1至3任意之一所述的用于光导型红外探测器阵列的分时供电和数据采集系统，其特征在于：所述的光导型红外探测器(2)为碲镉汞、锑化铟、硫化铅探测器。

5.根据权利要求1至3任意之一所述的用于光导型红外探测器阵列的分时供电和数据采集系统，其特征在于：n为数个至数百个。