CN109579352A - 一种用于光电探测器的制冷器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用于光电探测器的制冷器。该制冷器包括用于检测光电探测器的温度并将所述温度转换成电信号的温度采集模块，用于接收所述电信号并通过预设控制算法将所述电信号转换成输出控制量的信号转换模块，用于接收所述输出控制量并通过预设电路处理后反馈给所述信号转换模块的电流控制模块，用于接收所述电信号并将所述电信号转换成温度指示信号的温度输出模块。本发明实施例所提供的制冷器既能够做到精确控温，又不影响光电探测器进行低照度或高精度探测。

Description

一种用于光电探测器的制冷器

技术领域

本发明涉及光电探测器的技术领域，具体涉及一种用于光电探测器的制冷器。

背景技术

光电探测器是一种能够将光信号转换成电信号的传感器。基于半导体工艺的光电探测器凭借其体积小、灵敏度高、性能稳定等优点被广泛应用。然而，基于半导体的光电探测器由于其工艺特点决定了其自身的响应度受温度影响。在低照度和高精度探测领域，基于半导体的光电探测器(下文简称光电探测器)的靶面需要维持在一个稳定且较低的温度范围内。因此，很多高精度的光电探测器内集成帕耳帖式半导体制冷元件。在光电探测器工作时，将制冷元件通电，可以降低光电探测器的靶面温度，达到提高响应度的效果。同时，光电探测器的靶面附近会放置测温器件，用于监测靶面的温度。

传统的探测器制冷方式有恒流模式和脉冲宽度调制(PWM调流)的闭环控制方式。恒流模式控温简单，但是精度低，无自动纠偏功能；脉冲宽度调制(PWM调流)闭环控制方式可以实时根据靶面温度调节制冷电流，但是由于PWM方式会产生很大的电磁干扰，不利于低照度和高精度光电探测。

因此，针对传统的探测器制冷方式所存在的问题，有必要提出一种既能够做到精确控温，又不影响光电探测器进行低照度或高精度探测的用于光电探测器的制冷器。

发明内容

针对现有的恒流模式精度低而脉冲宽度调制闭环控制方式具有电磁干扰、无法实现低照度和高精度光电探测的问题，本发明实施例提出一种用于光电探测器的制冷器。本发明实施例所提出制冷器采用基于运算放大器电路的电流调节器，对半导体光电探测器进行制冷驱动，从而既能够做到精确控温、又能够不影响光电探测器进行低照度或高精度探测。

该用于光电探测器的制冷器的具体方案如下：一种用于光电探测器的制冷器，包括：温度采集模块，用于检测光电探测器的温度并将所述温度转换成电信号；信号转换模块，用于接收所述电信号并通过预设控制算法将所述电信号转换成输出控制量；电流控制模块，用于接收所述输出控制量并通过预设电路处理后反馈给所述信号转换模块；温度输出模块，用于接收所述电信号并将所述电信号转换成温度指示信号。

优选地，所述温度采集模块包括电桥和放大电路，所述电桥包括热敏电阻和多个普通电阻。

优选地，所述热敏电阻集成在所述光电探测器的内部。

优选地，所述预设控制算法为PID控制算法。

优选地，所述PID控制算法通过运算放大器及其配套电路实现。

优选地，所述电流控制模块包括恒流源电路和电流采样电路。

优选地，所述恒流源电路接收所述输出控制量，用于控制帕尔帖中的恒流源。

优选地，所述电流采样电路用于监测所述恒流源的输出电流，并通过反馈回路来保持所述输出电流的稳定。

优选地，所述温度指示信号包括电压值信号、声信号、光信号。

优选地，所述温度输出模块包括第一路输出和第二路输出，所述第一路输出的输出精度低于所述第二路输出的输出精度，所述第一路输出的测温范围大于所述第二路输出的测温范围。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供一种用于光电探测器的制冷器，该制冷器采用运算放大器和功率半导体器件作为主要元件，整个电路在工作时对光电探测器无噪声干扰，从而不影响光电探测器进行低照度或高精度的探测。进一步地，该制冷器的电路结构采用的器件数量少，从而体积小，可以与光电探测器的前置放大器一起放置在光电探测器工装组件中。进一步地，该制冷器通过控制算法及闭环反馈方式，提高了控制温度的精度以及稳定度。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种用于光电探测器的制冷器的模块化示意图；

图2为图1所示实施例中温度采集模块的电路功能结构示意图；

图3为图1所示实例中电流源控制示意图；

图4为图1所示实施例的制冷器的电路结构示意图。

附图中标号说明：

500、制冷器 100、温度采集模块 200、信号转换模块300、电流控制模块 400、温度输出模块

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，本发明实施例中提供的一种用于光电探测器的制冷器的模块化示意图。本发明实施例所提供的一种用于光电探测器的制冷器100包括：用于检测光电探测器的温度并将所述温度转换成电信号的温度采集模块100，用于接收电信号并通过预设控制算法将电信号转换成输出控制量的信号转换模块200，用于接收输出控制量并通过预设电路处理后反馈给信号转换模块的电流控制模块300，用于接收电信号并将电信号转换成温度指示信号的温度输出模块400。

如图2所示，本发明实施例中温度采集模块100的电路功能结构示意图。在该实施例中，温度采集模块100包括电桥和放大电路A1。电桥包括热敏电阻Rx、电阻Rb1、电阻Rb2和电阻Rb3，其中，热敏电阻Rx与Rb3串联组成第一路电路，电阻Rb2和电阻Rb3串联组成第二路电路，第一路电路和第二路电路再并联组成电桥。电桥中间的电压差作为放大电路A1的输入信号。热敏电阻Rx集成在光电探测器的内部。通过电桥和放大电路将代表温度的电阻值转换成电压值。

信号转换模块200将温度采集模块100所输出的电信号进行转换，并通过预设控制算法将电信号转换成输出控制量，输出控制量作为电流控制模块300的输入。在该实施例中，预设控制算法为PID控制算法。优选地，PID控制算法通过运算放大器及其配套电路实现。由于PID控制算法的电路实现结构较为成熟和普遍，此处不再赘述。PID控制算法中的比例参数、积分参数和微分参数的具体数值，可根据具体的应用场合及需求进行适应性地变化。

电流控制模块300包括恒流源电路和电流采样电路。恒流源电路接收信号转换模块200输出的输出控制量，用于控制帕尔帖中的恒流源。电流采样电路用于监测恒流源的输出电流，并通过反馈回路来保持输出电流的稳定。如图3所示，本发明实施例中制冷器的电流源控制示意图。图3中Ic代表恒流源的电流，Peltier代表帕尔帖。

温度输出模块400将温度采集模块100所示输出的电信号转换成温度指示信号。温度指示信号可被操作人员所识别，具体包括值信号、声信号和光信号中的一种或多种。声信号的具体形式可以采用蜂鸣器，光信号的具体形式可以采用指示灯。优选地，温度输出模块400包括第一路输出和第二路输出，所述所述第一路输出的输出精度低于所述第二路输出的输出精度，所述第一路输出的测温范围大于所述第二路输出的测温范围。第一路输出和第二路输出均为制冷温度采集后的信号输出。第一路输出的精度较低，但是测温范围大；第二路输出的精度高，但是仅能表示目标温度临近范围内(比如±2℃、±5℃等)的温度，若超出此温度，第二路输出的精度就会饱和。

如图4所示，本发明实施例所提供的一种制冷器的电路结构示意图。在图4所示实施例中，光电探测器的目标制冷温度为零下40℃。在目标温度零下40℃下，热敏电阻的阻值为19KΩ，最大制冷电流为1A。继续参考图4，在该电路结构中，N1和N2组成温度采集模块100；N6A为基于PID算法的信号转换模块200；N6D和V3组成了带反馈的电流源，即电流控制模块300；N6B和N6C组成温度输出模块400，其中，N6B为粗输出的第一路输出，N6C为精输出的第二路输出。经过实验验证，图4所示实施例电路的控温精度优于0.02℃，温度波动优于0.007℃。

继续参考图4，N1采用的是AD586TQ集成芯片，AD586TQ集成芯片对温度变化的敏感性较弱，用于对N2提供+5V的电压。N2为图2所示的电桥和放大器，通过N2将代表温度的电阻值转换成电压值。N6A包括放大器、电阻、电容，通过放大器、电阻、电容分别组成比例控制、积分控制和微分控制。N6D为形成反馈的跟随器，V3为恒流源电路。N6B为跟随器，形成粗输出的第一路输出，N6C为通过放大器和电阻组成的精输出的第二路输出。在该实施例中，元器件可以采用标贴器件，从而PCB的尺寸约为4CM×5CM，从而该制冷器可以与光电探测器的前置放大器一起放置在光电探测器工装组件中。

本发明实施例提供的用于光电探测器的制冷器，该制冷器采用运算放大器和功率半导体器件作为主要元件，整个电路在工作时对光电探测器无噪声干扰，从而不影响光电探测器进行低照度或高精度的探测。

本发明实施例提供的用于光电探测器的制冷器，该制冷器的电路结构采用的器件数量少，从而体积小，可以与光电探测器的前置放大器一起放置在光电探测器工装组件中。

本发明实施例提供的用于光电探测器的制冷器，该制冷器通过控制算法及闭环反馈方式，提高了控制温度的精度以及稳定度。

进一步地，虽然本发明的实施例的制冷器都是基于光电探测器进行设计的，但是，如本领域技术人员所知，上述制冷器实施例也可以扩展应用至一切使用帕尔帖制冷器件进行制冷的探测器或传感器中，具体如制冷型CCD，光电倍增管等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种用于光电探测器的制冷器，其特征在于，所述制冷器包括：

温度采集模块，用于检测光电探测器的温度并将所述温度转换成电信号；

信号转换模块，用于接收所述电信号并通过预设控制算法将所述电信号转换成输出控制量；

电流控制模块，用于接收所述输出控制量并通过预设电路处理后反馈给所述信号转换模块；

温度输出模块，用于接收所述电信号并将所述电信号转换成温度指示信号。

2.根据权利要求1所述的一种用于光电探测器的制冷器，其特征在于，所述温度采集模块包括电桥和放大电路，所述电桥包括热敏电阻和多个普通电阻。

3.根据权利要求2所述的一种用于光电探测器的制冷器，其特征在于，所述热敏电阻集成在所述光电探测器的内部。

4.根据权利要求1所述的一种用于光电探测器的制冷器，其特征在于，所述预设控制算法为PID控制算法。

5.根据权利要求4所述的一种用于光电探测器的制冷器，其特征在于，所述PID控制算法通过运算放大器及其配套电路实现。

6.根据权利要求1所述的一种用于光电探测器的制冷器，其特征在于，所述电流控制模块包括恒流源电路和电流采样电路。

7.根据权利要求6所述的一种用于光电探测器的制冷器，其特征在于，所述恒流源电路接收所述输出控制量，用于控制帕尔帖中的恒流源。

8.根据权利要求7所述的一种用于光电探测器的制冷器，其特征在于，所述电流采样电路用于监测所述恒流源的输出电流，并通过反馈回路来保持所述输出电流的稳定。

9.根据权利要求1所述的一种用于光电探测器的制冷器，其特征在于，所述温度指示信号包括电压值信号、声信号、光信号。

10.根据权利要求1所述的一种用于光电探测器的制冷器，其特征在于，所述温度输出模块包括第一路输出和第二路输出，所述第一路输出的输出精度低于所述第二路输出的输出精度，所述第一路输出的测温范围大于所述第二路输出的测温范围。