CN1054311A - 付里叶变换红外分光计的探测器 - Google Patents

Abstract

一种探测器，包括热电探测器，具有用于保持热 电探测器温度恒定的热电加热/冷却元件的温度控 制机构，温度传感器，和与温度传感器给出的信号响 应以控制热电加热/冷却元件的电源的温度控制器， 以及在温度控制器内用于接通和断开热电加热/冷 却元件的控制单元，在从热电探测器收集数据时该控 制单元不工作。

Description

本发明涉及一种付里叶变换红外分光计（FTIR）的探测器，尤其是一种利用热电探测器的探测器。

通常惯用的热电探测器是TGS（硫酸三甘肽）热电探测器、DTGS热电探测器（在这类探测器中用重氢原子替代TGS的氢原子）、或DLATGS热电探测器（在DTGS中掺有L-氨基丙酸）。这些热电探测器有低的居里温度，例如：TGS热电探测器的居里温度约为49℃，DTGS和DLATGS热电探测器的居里温度约为62℃。因此，热电探测器的品质因素强烈地取决于温度。

图11表示在热电探测器中品质因素与温度依赖关系的一个例子，图中所列的数据是根据商业名称为Rpy104的由英国菲力浦公司生产的DLATGS热电探测器得出的。在图11中，Rv表示灵敏度，NEP表示噪声等效功率，D^＊完全是由Rv和NEP给定的一种品质因素，表示一种声噪比S/N。品质因素的数据根据25℃时的数据归一化，在使用这种DLATGS热电探测器时，为了得到在光谱的垂直轴向上的稳定性，最好让探测器在约30°-35℃的温度范围内工作，因为在该温度范围内，灵敏度Rv是相当稳定的。而另一方面，为了测量时具有最大的S/N比，探测器应该在约60℃时使用最合适。

由于热电探测器显示出其品质因素明显依赖于温度的关系，所以应该有一个温度控制机构用于保持热电探测器有恒定的温度，无论是在室温下使用或在较高的温度下使用，使热电探测器的温度均稳定。这样一种温度控制机构包含一个热电冷却元件，例如珀尔帖元件，使它靠近热电探测器。在常用热电探测器的数据采集同步，热电探测器的输入阻抗高达10¹⁰Ω，因此，在供给靠近热电探测器的热电冷却元件的电源被接通或断开时，电磁波的辐射噪声影响热电探测器，结果明显影响了探测信号的S/N比。

本发明的目的在于提供一种经改进的探测器，这种探测器由热电探测器和温度控制机构组成，温度控制机构用于保持热电探测器的温度，使得热电探测器的探测信号的S/N比即使在温度控制机构中的热电冷却元件的电源被接通和断开时也不受影响。

简述如下，根据本发明，一个探测器由一个热电探测器和一个温度控制机构组成，该温度控制机构包括一个热电加热/冷却元件，该元件用于使热电探测器的温度保持稳定，还包括一个温度传感器和一个能响应从温度传感器来的探测信号的温度控制器，该温度控制器用来控制供给热电加热/冷却元件的电源，在温度控制器内装有一个控制单元，用于使供给热电加热/冷却元件的电源的接通和断开只在不从热电探测器采集数据时进行。

根据本发明，在热电加热/冷却元件的电源被接通和断开时刻，通过控制温度控制机构的操作不从热电探测器中采集数据。在温度控制器内的控制单元控制温度控制机构的电源，致使只有在不从热电控制器内收集数据时该控制单元才接通和断开热电加热/冷却元件的电源。

为此目的，使热电探测器的电源其接通和断开与A/D变换器给出的变换终止信号同步，其中A/D变换器用于把热电探测器的探测信号变换成数字信号，还要与来自控制干涉仪的干涉信号同步，或者与在收集到一系列干涉图后的动镜的转动同步。

于是，根据本发明，由于热电加热/冷却元件的电源的接通和断开与A/D变换的变换终止信号同步，所以任何可能由于电源接通或断开所产生的进入到探测信号内的噪声混合物都不可能影响由热电探测器收集到的数据的S/N比，因为此时被混合的探测信号并不作为数据来收集。

作为控制干涉仪的激光干涉仪的干涉信号用作A/D变换器的触发信号。因此，与激光干涉仪的干涉信号同步，使热电加热/冷却元件的电源可以在A/D变换不执行变换时被接通和断开。在此，不需要使电源接通和断开的时刻与A/D变换的终止完全相一致，而且，在接通和断开电源的时刻比较靠近A/D转换的终止时，不会影响下一次A/D变换操作。

在动镜被转动那时刻，已经收集到了一系列干涉图，所以，在动镜转动时，没有数据被收集，因此，在此时，即使任何可能的由热电加热/冷却元件的电源被接通或断开所产生的噪声被混入到探测信号内，数据的S/N比不可能受到影响。

当动镜的转动周期为0.5-2.0秒时，热电探测器的探测信号的A/D变换其工作周期约为100-200微秒。如果热电加热/冷却元件的电源其接通和断开与A/D变换的终止信号同步，或与激光干涉仪的干涉信号同步，那些电源的接通和断开可以以约100-200微秒的短周期重复，从而来更精确地控制热电探测器的温度。

本发明将从下面给出的说明书和附图得到更充分的理解。所给出的附图仅仅是图示说明，因此不对本发明产生限制。

图1表示根据本发明最佳实施例，一个由热电探测器和温度控制器组成的探测器的侧视图，

图2表示图1所示的探测器的前视图;

图3表示最佳实施例中温度控制器的电路图，

图4表示最佳实施例中操作温度控制单元的时间表;

图5表示根据本发明的另一个实施例，由另一种热电探测器和另一种温度控制器组成的另一个探测器的侧视图;

图6表示由图5所示的另一个探测器的前视图;

图7表示在另一个最佳实施例中所示的温度控制器的电路图;

图8表示在图7所示电路图中上下限幅比较器操作的示意图;

图9表示上下限幅比较器的滞后图表;

图10表示具有保护电路的温度控制器的电路图;

图11表示热电探测器中品质因素与温度依赖关系的曲线图。

图1是根据本发明最佳实施例的探测器的一个侧视图，图2是该探测器的前视图。屏蔽箱2是用一些螺丝组装的，装在屏蔽箱2内的前置放大器4用于放大热电探测器的探测信号，冷却底座6由金属铜制成，它放置在屏蔽箱2的前面。在屏蔽箱2和冷却底座6之间置有绝热材料使二者隔热。一个DLATGS热电探测器8安装到冷却底座6上，一个加热的珀尔帖元件10和一个冷却的珀尔帖元件12也安装在冷却底座6上，因此热电探测器8和珀尔帖元件10和12是受到热耦合的。为了使由珀尔帖元件10和12所产生的热尽可能地少，最好使珀尔帖元件10和12邻近于热电探测器8。一个温度传感器14装到冷却底座6上，用于探测冷却底座6的温度，一个辐射器16靠近两个珀尔帖元件10和12，一个温度控制机构由冷却基座6、珀尔帖元件10和12，温度传感器14和辐射器16组成，一温度控制面板18含有一个用于控制珀尔帖元件10和12的电源的温度控制器，控制面板18靠近珀尔帖元件10和12安置，并位于屏蔽箱2的前面。设置在屏蔽箱2前面的一些连接件20用于提供电源或输出信号。为了在屏蔽箱2和付利叶变换红外分光仪（FTIR）的底座之间电绝缘，把屏蔽箱2用螺丝固定在一块胶木板22上，以使分光仪通过胶木板22被牢固地固定到底座上。

图3表示安装在温度控制面板18上的温度控制器的部分线路图，放大器24对温度传感器14的探测信号进行放大，比较器26响应经放大的探测信号，把它与根据设定温度而选择的参考电压Vr进行比较，依据探测信号相对于参考电压Vr的比值大小，比较器26输出一个信号A和一个信号B，信号A用于加热珀尔帖元件10，信号B用于冷却珀尔帖元件12。当探测温度低于设定温度时，输出信号A，当探测温度高于设定温度时，输出信号B。控制单元28对控温用的A信号和B信号产生响应。此外，控制单元28还对A/D变换器的变换终止信号（eoc）产生响应，以便输出一个能使珀尔帖元件10和12的电源与“eoc”信号同步接通或断开的信号，其中A/D变换器把来自热电探测器8的探测信号的模拟信号变换成数字信号，驱动晶体管30用于驱动加热珀尔帖元件10，另一个驱动晶体管32用于驱动冷却珀尔帖元件12，由控制单元28给出的用于驱动珀尔帖元件10和12的信号通过一个电阻器加到每个驱动晶体管30和32的基极上。

图4表示了图3所示的控制单元28操作的时间表。珀尔帖元件10和12的on/off受到控制，把由温度传感器14探测到的输出与设定电压Vr进行比较，使比较器26输出信号A和B并送入控制单元28。在把“eoc”信号施加于A/D变换时，A/D变换依据“eoc”信号的上升而起动，并在“eoc”下降时A/D变换终止，当“eoc”信号下降而A信号处于低电位状态时，控制单元28输出一信号接通驱动晶体管30以对加热珀尔帖元件10进行驱动。当“eoc”信号下降而B信号处于低电位状态时，控制单元28输出另一个信号导通驱动晶体管32以对冷却珀尔帖元件12进行驱动。

在把DLATGS热电探测器作为热电探测器8的实例中，使探测置定在60℃下进行，在这种情况下要提供一个高的S/N比，温度必需受到精确的控制，PID控制就适用于这种控制。考虑到温度的误差，最好使珀尔帖元件10和12的电源从接通到断开的时间尽可能地短。在这种情况下，最好是如在最佳实施例中那样使用A/D变换的“eoc”信号，或者使用激光干涉仪的干涉信号，或用在收集到一系列干涉图后动镜的转动信号。珀尔帖元件具有不同的热运动方向，这取决于所加电压的极化方向。所以，单个珀尔帖元件能控制一个接近室温的恒定温度。

图5和图6表示另一个最佳实施例，在该实施例中用单个珀尔帖元件对探测器进行加热和冷却。设置在屏蔽箱2内的前置放大器4对热电探测器的探测信号进行放大，在屏蔽箱2的前面，设置有如同PLATGS系统的热电探测器8，该热电探测器8经过冷却基座6以热连接方式与单个珀尔帖元件11相连接。温度传感器14设置在靠近珀尔帖元件11，11处，用来探测冷却基座6的温度，金属13起到对珀尔帖元件11的热量进行辐射的作用，温度控制面板18含有控制珀尔帖元件11电源的温度控制器。还设有胶木板12和连接器20。

在所述的另一个最佳实施例中，单个珀尔帖元件11与由图7所示的电路所构成的温度控制器相连接，起到加热和冷却探测器的作用，温度控制器安装在温度控制面板18上。

参见图7，比较器36A用于致使珀尔帖元件对探测器加热，而另一个比较器36B则用于使珀尔帖元件对探测器进行冷却。从温度传感器14给出的信号进入比较器36A，在经过一定的电压降之后也输入到比较器36B，用一个Eener稳压二极管把参考电压Vr加到比较器36A和36B上，以构成一个限幅比较器34，来自温度传感器14的信号提供了一个作为环境温度函数的电压。

在限幅比较器内，来自于二个比较器36A和36B的输出被输入到控制单元28a，使珀尔帖元件11的电源其接通和断开与如图4所示的A/D变换的“eoc”变换终止信号同步。为了把电源加到珀尔帖元件11上，采用由晶体管Q₁到Q₄组成的二个串接的单端推挽放大电路。

图7所示电路的温度控制操作如下：如图8所示，限幅放大器3，4有一个高压阀值b和低压阈值a，当温度传感器14的探测电压位于阀值a和b之间时，二个比较器36A和36B的输出都处于低电平，以使晶体管Q₁-Q₄没有一个被导通，因此没有电流流过珀尔帖元件11。当温度传感器14的探测电压超过阈值b时，在A/D变换器的“eoc”信号下降时，晶体管Q₃和Q₂被导通，以使电流通过珀尔帖元件11，从A点流到另一个B点，此时，珀尔帖元件11冷却热电探测器。

当温度传感器14的探测电压低于阀值a时晶体管Q₁和Q₄在A/D变换器的“eoc”信号下降时被导通，以使电流B点到A点流经珀尔帖元件11，此时，珀尔帖元件加热热电探测器。

通常，限幅比较器34有如图9所示的滞后，依据比较器36A和36B的偏离，二个比较器36A和36B的输出有可能都处于高电位，虽然这种情况是不常碰到的。在这种情况下，在图7电路内所示的所有晶体管Q₁-Q₄都被导通，使短路电流从晶体管Q₁到Q₂，或从晶体管Q₃到Q₄流过，而不流过珀尔帖元件11。

图10所示的电路中包括了一个用于阻止上面所述的短路发生的保护电路38，在图10所示的电路中，保护电路38被设置在限幅比较器34和控制单元28a之间，该保护电路38包括一个“异一或”逻辑门电路和一个“与”门电路，当比较器36A和36B都处于一个高电位时，“异一或”逻辑门电路的输出是处于一个低电位，使得“与”门电路阻止Q₁到Q₄所有的晶体管被导通，由此保护晶体管Q₁至Q₄不受损坏。

图7表示的是一种简单的比较控制的例子，根据温度传感器14提供的温度信息是可能有一种更为适宜的控制。

如上所述，根据本发明，在为保护热电探测器温度恒定的温度控制机构中，对热电冷却元件的电源接通和断开只是在对从热电探测器来的探测信号不作数据收集的情况下进行的，从而使从热电探测器给出的数据的S/N比得到提高。

在此仅描述了本发明的几种实施例，显然对于本技术领域内的人员来说，在不偏离如权利要求所述的本发明的精神和范围下可以作出各种改变和改进。

Claims (6)

1、一种探测器，包括：

用于探测热电性的热电探测器；

用于保持所述的热电探测器温度的热电加热/冷却装置；

用于对所述热电探测器的温度进行传感的温度传感器；

与由所述的温度传感器给出的探测信号响应以对所述的热电加热/冷却装置的电源进行控制的温度控制器；以及

在温度控制器内用于对所述的热电加热/冷却装置的电源接通和断开提供控制的控制单元；这种控制在所述的热电探测器收集信号时不进行。

2、如权利要求1所述的探测器，其特征是所述的控制单元使所述的热电加热/冷却装置的电源的接通和断开与用于把所述热电探测器的探测信号变换成数字信号的A/N变换器所给出的变换终止信号同步，与来自于控制干涉仪的干涉信号同步，或者与在收集到一系列干涉图后动镜的转动同步。

3、如权利要求1所述的探测器，其特征是所说的热电加热/冷却装置是由一个热电加热元件和一个热电冷却元件组成。

4、如权利要求1所述的探测器，其特征是所述的热电加热/冷却装置是由单个热电元件组成。

5、如权利要求4所述的探测器，其特征是所述的温度控制器由二个比较器和二个单端推挽放大电路所组成。

6、如权利要求5所述的探测器，其特征是，所述的温度控制器还包括设置在两个比较器和二个单端推挽放大电路之间的保护电路，用于保护在所述单端推挽放大电路中的晶体管。

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