CN104390709B - 热释电红外读出电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种热释电红外读出电路，包括：探测器，用于探测被测量目标的红外辐射，并将探测到的红外辐射转换为电信号；放大器，用于放大所述电信号，以便从放大器的输出得出被测量目标的红外辐射，其中，所述探测器采用介电常数随着温度变化而变化的相变热释电材料探测被测量目标的红外辐射。本发明实施例的热释电红外读出电路可以通过调节输入偏置电压来读取相变热释电材料的等效电容的变化，从而读取被测量目标的红外辐射，因此无需传统红外热释电读出电路中的斩波器，降低了功耗，也减小了体积和质量。

Description

热释电红外读出电路
技术领域
本发明涉及红外热释电探测器领域，尤其是涉及一种热释电红外读出电路。
背景技术
根据普朗克辐射定理，任何温度高于绝对零度的物体，其内部都会发生分子热运动，从而产生波长不等的红外辐射。红外辐射具有强度和波长直接与物体表面温度有关的重要特征，提供了物体的丰富的信息。但是红外辐射是一种不可见的电磁波，利用红外辐射来获取物体的信息的时候，需要将这种红外辐射转换为可测量的信号。
目前测量红外辐射一般采用传统热释电材料。
传统热释电材料利用自发极化随温度变化而变化的特性工作的，其距离温度远离工作温度，电容不随温度变化，工作时不需要加偏压。当温度保持恒定时，由于极化电荷与感应电荷相等，即使将其短路连接此时也不会产生短路电流。即是说，传统热释电材料响应的是温度的变化，静止图像虽然不同像元的目标温度不同，但是其目标温度是保持恒定的，即目标温度没有变化。因此传统红外热释电读出电路需要使用斩波器，利用斩波器与目标之间的温度差使得探测器感应到温度变化，这样才能将静止图像读出。然而，斩波器会消耗较大的功耗，而且不利于探测器的小型化，另一方面，当目标温度与斩波器温度差异较大时很可能因为感应电流太大而使输出饱和，影响成像质量。因此消除斩波器的读出电路研究成为了热点。
因此，亟需一种无需斩波器的热释电红外读出电路来解决上述问题。
发明内容
本发明解决的一个问题是提供一种热释电红外读出电路，其可以不使用斩波器就读取静止图像。
根据本发明的一个实施例，提供了一种热释电红外读出电路，包括：探测器，用于探测被测量目标的红外辐射，并将探测到的红外辐射转换为电信号；放大器，用于放大所述电信号，以便从放大器的输出得出被测量目标的红外辐射，其中，所述探测器采用介电常数随着温度变化而变化的相变热释电材料探测被测量目标的红外辐射。
可选地，所述探测器包括：相变热释电探测器像元，包含所述介电常数随着温度变化而变化的相变热释电材料，放置在被测量目标处，当被测量目标的红外辐射改变从而温度改变时，相变热释电探测器像元的等效电容值随之改变；相变热释电探测器参考像元，用于提供参考信号，当被测量目标的红外辐射改变从而温度改变时，相变热释电探测器参考像元的等效电容值不改变。
可选地，相变热释电探测器像元的一端接地，另一端与相变热释电探测器参考像元相连作为探测器的输入连接到放大器的输入端；相变热释电探测器参考像元的一端与上述相变热释电探测器像元的所述另一端相连作为放大器的输入端，相变热释电探测器参考像元的另一端连接偏置电压。
根据权利要求1所述的热释电红外读出电路，其特征在于，所述放大器包括第一运放、第二运放、积分电阻以及积分电容，其中，所述第一运放的同相输入端连接探测器的输出，第一运放的反相输入端与第一运放的输出端相连通过积分电阻连接到所述第二运放的反相输入端，所述积分电容分别连接所述第二运放的反相输入端和输出端，第二运放的同相输入端接参考电压。
由于本发明的探测器采用介电常数随着温度变化而变化的相变热释电材料探测被测量目标的红外辐射。与传统热释电材料不同，相变热释电材料利用其介电常数随温度变化而变化的特性工作，其居里温度在工作温度附近，电容随着温度变化较大变化，工作时需要加偏压。正因为相变热释电材料电容随温度变化的特性，其电容与温度直接相关而非与温度的变化相关，使得读出其电容值从而从该电容值获得被测量目标的温度(被测量目标的温度反映被测量目标的红外辐射)，而不使用斩波器就读取静止图像成为了可能。本发明采用介电常数随着温度变化而变化的相变热释电材料，调节相变热释电材料的偏置电压来读取相变热释电材料的等效电容的变化，从而读取被测量目标的红外辐射，因此无需传统热释电红外读出电路中的斩波器，降低了功耗，也减小了体积和质量。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明一个实施例的热释电红外读出电路的结构示意图；
图2a是本发明一个实施例中热释电红外读出电路的探测器偏置电压的时序示意图；
图2b是本发明一个实施例中热释电红外读出电路的探测器输出电压的时序示意图；
图2c是本发明一个实施例中整个热释电红外读出电路的输出电压的时序示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施例作详细描述。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
图1示出了本发明的一个实施例中一种热释电红外读出电路，该电路包括探测器1和放大器2。
探测器1用于探测被测量目标的红外辐射，并将探测到的红外辐射转化为电信号。所述探测器采用介电常数随着温度变化而变化的相变热释电材料探测被测量目标的红外辐射。与传统热释电材料不同，相变热释电材料利用其介电常数随温度变化而变化的特性工作，其居里温度在工作温度附近，电容随着温度变化较大变化，工作时需要加偏压。正因为相变热释电材料电容随温度变化的特性，其电容与温度直接相关而非与温度的变化相关，使得读出其电容值从而从该电容值获得被测量目标的温度(被测量目标的温度反映被测量目标的红外辐射)，而不使用斩波器就读取静止图像成为了可能。
放大器2用于放大所述电信号，以便从放大器的输出得出被测量目标的红外辐射。利用相变热释电材料感测被测量目标的红外辐射，所输出的电信号非常小，根据不足以测量，因此要通过放大器2将电信号放大。
在一个实施例中，所述探测器1包括相变热释电探测器像元Cs和相变热释电探测器参考像元Cb。
相变热释电探测器像元Cs包含所述介电常数随着温度变化而变化的相变热释电材料，放置在被测量目标处，当被测量目标的红外辐射改变从而温度改变时，相变热释电探测器像元的等效电容值随之改变。
相变热释电探测器参考像元Cb用于提供参考信号，当被测量目标的红外辐射改变从而温度改变时，相变热释电探测器参考像元的等效电容值不改变。
相变热释电探测器像元Cs的一端接地，另一端与相变热释电探测器参考像元Cb相连作为探测器的输入连接到放大器的输入端。
相变热释电探测器参考像元Cb的一端与上述相变热释电探测器像元Cs的所述另一端相连作为放大器的输入端，相变热释电探测器参考像元Cb的另一端连接偏置电压Vbias(t)。此时，可知，相变热释电探测器像元Cs两端的分压Vs(t)，即探测器1的输出为：
图1只示出了探测器1的一种形式，但实际上还可以有其它形式，例如相变热释电探测器参考像元Cb、相变热释电探测器像元Cs反接，或Cb与其它电容并联再与Cs连接等。它们都在本发明的保护范围之内。
如图1所示，放大器2包括第一运放opamp1、第二运放opamp2、积分电阻Rint以及积分电容Cint。所述第一运放opamp1的同相输入端连接探测器1的输出，第一运放opamp1的反相输入端与第一运放的输出端相连通过积分电阻Rint连接到所述第二运放opamp2的反相输入端，所述积分电容Cint分别连接所述第二运放的反相输入端和输出端，第二运放opamp2的同相输入端接参考电压Vref。
假设单位增益运放为理想的，则放大器2的输出Vout(t)为：
式中，Vref为参考电压；Rint为积分电阻；Cint为积分电容；tint为积分时间。
将式(1)代入(2)，得与探测器等效电容的关系为：
由式(3)可知，当探测器相变热释电探测器像元Cs等效电容随着被测量目标的红外辐射进而随着被测量目标的温度而改变时，热释电红外读出电路的输出也随之改变。电路中不需要使用斩波器来产生热释电电流，即是说，本发明所提电路无需斩波器。
也就是说，通过热释电红外读出电路的输出Vout(t)可以得知相变热释电探测器像元Cs等效电容，进而得知被测量目标的温度及相应红外辐射。
图1只是示出了放大器2的一种形式，实际上，本领域技术人员已知，放大器2还可以有其它多种形式，例如积分电阻和积分电容的位置和数量等，都是可以变化的。它们都落在本发明的保护范围之内。
图2a-c示出了本发明的一个实施例中热释电红外读出电路的时序示意图，其中，图2a是本发明一个实施例中热释电红外读出电路的探测器偏置电压的时序示意图，图2b是本发明一个实施例中热释电红外读出电路的探测器输出电压的时序示意图，图2c是本发明一个实施例中整个热释电红外读出电路的输出电压的时序示意图。
假设，偏置电压Vbias(t)在电路复位时(tres时间段)接地，即与探测器等效电容Cs的接地端电位相同；而在电路积分时(tint时间段)和信号读取时(tsh时间段)接2倍参考电压2Vref。
当目标红外辐射与当前探测器自身相当时，探测器等效电容Cs与参考等效电容Cb相等，探测器输出电压Vs(t)则恰好等于参考电压Vref。此时积分电阻Rint两端电压相等，不产生积分电流，电路的积分输出为Vref。
当目标红外辐射使得探测器等效电容Cs大于参考等效电容Cb时，探测器输出电压Vs(t)则小于参考电压Vref。此时积分电阻Rint两端电压不相等，产生流出积分电容Cint的积分电流，电路的积分输出大于Vref。
当目标红外辐射使得探测器等效电容Cs小于参考等效电容Cb时，探测器输出电压Vs(t)则大于参考电压Vref。此时积分电阻Rint两端电压不相等，产生流入积分电容Cint的积分电流，电路的积分输出小于Vref。
通过这个实例，可以发现本发明实施例的热释电红外读出电路无需使用斩波器，也可以实现热释电红外读出电路的信号读取，利用的正是相变热释电材料介电常数随温度变化而变化的特性工作，其居里温度在工作温度附近，电容随着温度变化较大变化的特点。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种热释电红外读出电路，包括：
探测器(1)，用于探测被测量目标的红外辐射，并将探测到的红外辐射转换为电信号；
放大器(2)，用于放大所述电信号，以便从放大器的输出得出被测量目标的红外辐射，
其中，所述探测器采用介电常数随着温度变化而变化的相变热释电材料探测被测量目标的红外辐射；
所述探测器工作时序由外接偏置电压Vbias(t)控制，偏置电压Vbias(t)为时间t的函数，
其中，所述探测器(1)包括：
相变热释电探测器像元(Cs)，包含所述介电常数随着温度变化而变化的相变热释电材料，放置在被测量目标处，当被测量目标的红外辐射改变从而温度改变时，相变热释电探测器像元的等效电容值随之改变；
相变热释电探测器参考像元(Cb)，用于提供参考信号，当被测量目标的红外辐射改变从而温度改变时，相变热释电探测器参考像元的等效电容值不改变。
2.根据权利要求1所述的热释电红外读出电路，其特征在于：
相变热释电探测器像元(Cs)的一端接地，另一端与相变热释电探测器参考像元(Cb)相连作为探测器的输入连接到放大器的输入端；
相变热释电探测器参考像元(Cb)的一端与上述相变热释电探测器像元(Cs)的所述另一端相连作为放大器的输入端，相变热释电探测器参考像元(Cb)的另一端连接偏置电压(Vbias(t))。
3.根据权利要求1所述的热释电红外读出电路，其特征在于，所述放大器包括第一运放(opamp1)、第二运放(opamp2)、积分电阻(Rint)以及积分电容(Cint)，其中，
所述第一运放的同相输入端连接探测器的输出，第一运放的反相输入端与第一运放的输出端相连通过积分电阻连接到所述第二运放的反相输入端，所述积分电容分别连接所述第二运放的反相输入端和输出端，第二运放的同相输入端接参考电压。
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