CN110873607B - 一种红外探测器焦面温度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种红外探测器焦面温度测量装置，其包括恒流源电路、测温二极管和减法电路，恒流源电路用于为测温二极管恒流供电；减法电路包括第一输入端、第二输入端和输出端，减法电路第一输入端与测温二极管正极连接，减法电路第二输入端接参考电平，减法电路用于将所述参考电平与所述测温二极管的压降做差后放大多倍输出，减法电路输出端接模数转换器。与现有技术比较本发明的有益效果在于：该装置通过恒流源电路和减法电路提高了测量二极管压降的测量精度，从而提高了测温的精度和准确性。另外，该装置利用模数转换器采样放大后的电压值并进行量化，可有效降低量化噪声与随机噪声带来的影响，提高测温二极管压降的测量精度和分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及温度测量设备技术领域，具体涉及一种红外探测器焦面温度测量装置。
背景技术
在供电电流保持恒定的情况下，P-N结的正向电压与温度之间呈现良好的线性关系。利用这一特性，二极管被用来进行温度测量。例如，红外探测器焦面的温度测量通常采用二极管测温的方式。
红外探测器的背景噪声对温度非常敏感，焦面温度的零点几度的变化都会明显的改变背景噪声，从而影响探测器的输出结果。这也是包括短波红外探测器、中波红外探测器以及长波红外探测器等几乎所有红外探测器都采用制冷机控温的原因。
在现有技术中，红外探测器的生产厂家通常会将测温二极管的两端引出，供用户测量电压。同时红外探测器的生产厂家会给出二极管压降与温度的多项拟合公式，用户通过二极管压降与温度的多项拟合公式和所测得的二极管压降就能够获取待测的温度值，原理是将对温度参数的测量就转换成对二极管的压降参数的测量。
但是现有技术中的红外探测器焦面温度测量装置也存在一定的缺陷，其主要缺陷在于：其测温精度和分辨率不足。目前采用二极管测温的精度在0.2～0.5K，分辨率在0.1K左右。而随着红外探测器量化精度的要求越来越高，暗背景的影响不能被忽略。能够准确测量红外探测器焦面的温度，对于系统的辐射定标具有重要意义。明显地，需要在现有的红外探测器焦面温度测量装置的基础上，研究开发一种更高测温精度和更高分辨率的红外探测器焦面温度测量装置。期望研究开发出一种测量温度的精度优于0.03K且分辨率优于0.01K的新的红外探测器焦面温度测量装置。
发明内容
有鉴于此，为解决现有技术中的测温精度和分辨率不足的问题，本发明提供一种红外探测器焦面温度测量装置，其包括恒流源电路、测温二极管和减法电路，所述恒流源电路用于为所述测温二极管恒流供电；所述减法电路包括减法电路第一输入端、减法电路第二输入端和减法电路输出端，所述减法电路第一输入端与所述测温二极管正极连接，所述减法电路第二输入端接参考电平，所述减法电路用于将所述参考电平与所述测温二极管的压降做差后放大多倍输出，所述减法电路输出端接模数转换器。
较佳地，所述减法电路还包括运算放大器、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻，所述第三电阻一端接所述减法电路第一输入端，另一端与所述运算放大器的反向输入端连接；所述第四电阻一端接所述运算放大器的反向输入端，另一端接所述运算放大器的输出端；所述第五电阻一端接所述运算放大器的正向输入端，另一端接参考电平；所述第六电阻一端接所述运算放大器的正向输入端，另一端接地。
较佳地，所述第三电阻的阻值为1千欧，所述第四电阻的阻值为100千欧，所述第五电阻的阻值为1千欧；所述第六电阻的阻值为100千欧；所述减法电路的放大倍数为100倍。
较佳地，所述运算放大器为AD811运算放大器。
较佳地，所述参考电平的数值为950mV。
较佳地，所述恒流源电路包括恒流源、第一电阻、第二电阻和温度补偿二极管，所述恒流源包括第一引脚、第二引脚和第三引脚，所述第一电阻跨接在所述第一引脚和所述第二引脚之间；所述温度补偿二极管的正极与所述第二引脚连接，所述温度补偿二极管的负极与所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与所述第一引脚连接；所述测温二极管的正极与所述温度补偿二极管的负极连接。
较佳地，所述第一电阻的阻值为134欧姆，所述第二电阻的阻值为1.34千欧。
较佳地，所述恒流源为LM134恒流源或LM134H恒流源。
较佳地，所述模数转换器为ADS1281模数转换器。
较佳地，所述红外探测器焦面温度测量装置还包括控制器，所述控制器与所述模数转换器的输出端连接，所述控制器用于计算电压及换算温度值。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种红外探测器焦面温度测量装置，其采用恒流源电路和减法电路提高了测量二极管压降的精度，从而提高二极管测温的精度和准确性。
另外，该红外探测器焦面温度测量装置利用模数转换器采样放大后的电压值并进行量化，可有效降低量化噪声与随机噪声带来的影响，提高测温二极管压降的精度和分辨率，进而提高红外探测器焦面温度的测量精度和分辨率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中具有温度补偿功能的恒流源电路的电路图；
图2为本发明中减法电路的电路图。
附图标记：
测温二极管1、恒流源2、第三电阻3、第四电阻4、第五电阻5、第六电阻6、运算放大器10、第一电阻11、第二电阻12和温度补偿二极管15、第一引脚21、第二引脚22、第三引脚23、第一节点31、第二节点32、第三节点33、第四节点34、第五节点35、第六节点36、减法电路第一输入端51和减法电路输出端52。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
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。
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
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。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
本发明提供了一种红外探测器焦面温度测量装置，其包括恒流源电路、测温二极管1和减法电路。
优选地，恒流源电路为带温度补偿功能的恒流源电路。图1为本发明中具有温度补偿功能的恒流源电路的电路图。如图1所示，带温度补偿功能的恒流源电路与测温二极管1连接。温度补偿功能的恒流源电路用于为测温二极管1提供恒流供电。
具有温度补偿功能的恒流源电路包括恒流源2、第一电阻11、第二电阻12和温度补偿二极管15。优选地，恒流源2为高精度恒流源，其型号为LM134或LM134H。恒流源2包括第一引脚21、第二引脚22和第三引脚23。第一引脚21为R引脚，第二引脚22为V-引脚，第三引脚23为V+引脚。第三引脚23接电源，优选接+5V电源。第一电阻11跨接在第一引脚21和第二引脚22之间。温度补偿二极管15的正极与第二引脚22连接，温度补偿二极管15的负极与第二电阻12的一端连接。第二电阻12的另一端与第一引脚21连接。测温二极管1的正极和温度补偿二极管15的负极等电位。
具有温度补偿功能的恒流源电路包括第一节点31、第二节点32和第三节点33。第一节点分别与第一引脚21、第一电阻11一端和第二电阻12另一端连接。第二节点32分别与第二引脚22、温度补偿二极管15的正极和第一电阻11另一端连接。第三节点33分别与温度补偿二极管15的负极和第二电阻12一端连接。第三节点33为恒流源电路的输出端，在此输出端处连接测温二极管1的正极。优选地，测温二极管1的负极接地。将测温二极管1的负极接地，作为压降参考。
采用高精度恒流源LM134提供1mA的电流，通过第一电阻11、第二电阻12和温度补偿二极管15对恒流源2进行温度补偿，提高恒流源输出电流的稳定性。优选地，第一电阻11的阻值为134欧姆，第二电阻的阻值为1.34千欧。
图2为本发明中减法电路的电路图。如图2所示，减法电路包括减法电路第一输入端51、减法电路输出端52和减法电路第二输入端。减法电路第一输入端51接测温二极管1的正极，减法电路输出端52输出V0。减法电路第二输入端接参考电平。
减法电路还包括运算放大器10、第三电阻3、第四电阻4、第五电阻5和第六电阻6。第三电阻3一端接减法电路第一输入端51，另一端与运算放大器10的反向输入端连接。第四电阻4一端接运算放大器10的反向输入端另一端接运算放大器10的输出端。第五电阻5一端接运算放大器10的正向输入端，另一端接参考电平。第六电阻6一端接运算放大器10的正向输入端，另一端接地。优选地，运算放大器10的两个电源引脚分别+10V电源和-10V电源。
减法电路包括第四节点34、第五节点35和第六节点36。第四节点34分别与第三电阻3一端、第四电阻4一端和接运算放大器10的反向输入端连接。第五节点35分别与第五电阻5一端、第六电阻6一端和运算放大器10的正向输入端连接。第六节点36分别与第四电阻4另一端和运算放大器10的输出端连接。从第六节点36处接出减法电路输出端52。
从减法电路输出端52输出的放大电压V0，即是用参考电平与测温二极管1的压降做差后，再依照放大倍数多倍放大，输出后的电压记为放大电压V0。
由于有制冷机持续控温，红外探测器焦面温度稳定在150K±5K，即测温二极管压降保持在900mV左右。因此优选地，参考电平为950mV，参考电平由高精度基准电压源AD580与高精度分压电阻组成的电路提供。
优选地，运算放大器10的型号为AD811。
优选地，第三电阻3的阻值为1千欧。第四电阻4的阻值为100千欧。第五电阻5的阻值为1千欧。第六电阻6的阻值为100千欧。通过第三电阻3、第四电阻4、第五电阻5和第六电阻6这些高精度电阻和运算放大器，将减法电路配置成放大倍数为100的减法电路。
进一步，将放大电压V0直接接入模数转换器的输入端内。优选地，模数转换器为32bit高精度模数转换器ADS1281。选用32bit高精度模数转换器ADS1281的有益效果在于：ADS1281带有自校正功能，包括偏置校正和增益校正，分别通过准确的零点输入(将输入信号与地平面短路)和饱和输入(4V)，获得偏置校正值和增益校正值，写入对应的寄存器。每间隔10分钟对ADS1281进行校正，从而获得更准确的电压量化数值。
将模数转换器ADS1281的输出数值转换成电压值，除以减法电路放大倍数的数值，得到ΔV，参考电平减去ΔV即为测温二极管1的压降。最后带入厂家提供的测温二极管1与温度的多项拟合公式，计算得到当前探测器焦面的实时温度。
再另一实施例中，模数转换器的输出端连接控制器，控制器用于计算电压和温度，控制器先将模数转换器ADS1281的输出数值转换成电压值，再将电压值除以100，得到ΔV，参考电平减去ΔV即计算出测温二极管1的压降。测温二极管1的压降计算完成，控制器自动执行温度的计算，控制器根据内嵌的多项拟合公式和计算出的测温二极管1的压降计算得到探测器焦面的实时温度。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：
1、红外探测器焦面通常采用制冷机控温，温度变化不大，约±5K左右，故测温二极管1压降在一个固定值附近，变化不大，变化值小于±50mV。本发明利用这一特点，提供一个准确的参考电压与测温二极管1压降做差，将测量一个较大电压的问题转换为测量一个较小电压的问题。由于做差后的电压可以很小，所以可以通过运算放大器放大很大的倍数，例如放大100倍。利用高精度模数转换器采样放大后的电压值并进行量化，这样可有效降低量化噪声与随机噪声带来的影响，提高测温二极管1压降的测量精度和分辨率，进而提高红外探测器焦面温度的测量精度和分辨率。
2、选择带自校正功能的32bit高精度模数转换器ADS1281，每间隔一段时间可以对模数转换器的偏置参数和增益参数进行校正，提高测温系统长时间应用的稳定性。
本红外探测器焦面温度测量装置拟测量温度的精度优于0.03K，分辨率优于0.01K，即转换为测量压降的精度优于0.03mV，分辨率优于0.01mV。
本发明采用参考电压做差法以及高精度模数转换器自校正的方法提高测量二极管压降的精度，从而提高二极管测温的精度和准确性。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种红外探测器焦面温度测量装置，其特征在于，其包括恒流源电路、测温二极管和减法电路，所述恒流源电路用于为所述测温二极管恒流供电；所述减法电路包括减法电路第一输入端、减法电路第二输入端和减法电路输出端，所述减法电路第一输入端与所述测温二极管正极连接，所述减法电路第二输入端接参考电平，所述参考电平的数值为950mV，所述减法电路用于将所述参考电平与所述测温二极管的压降做差后放大多倍输出，所述减法电路输出端接模数转换器。
2.如权利要求1所述的红外探测器焦面温度测量装置，其特征在于，所述减法电路还包括运算放大器、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻，所述第三电阻一端接所述减法电路第一输入端，另一端与所述运算放大器的反向输入端连接；所述第四电阻一端接所述运算放大器的反向输入端，另一端接所述运算放大器的输出端；所述第五电阻一端接所述运算放大器的正向输入端，另一端接参考电平；所述第六电阻一端接所述运算放大器的正向输入端，另一端接地。
3.如权利要求2所述的红外探测器焦面温度测量装置，其特征在于，所述第三电阻的阻值为1千欧，所述第四电阻的阻值为100千欧，所述第五电阻的阻值为1千欧；所述第六电阻的阻值为100千欧；所述减法电路的放大倍数为100倍。
4.如权利要求2所述的红外探测器焦面温度测量装置，其特征在于，所述运算放大器为AD811运算放大器。
5.如权利要求1所述的红外探测器焦面温度测量装置，其特征在于，所述恒流源电路包括恒流源、第一电阻、第二电阻和温度补偿二极管，所述恒流源包括第一引脚、第二引脚和第三引脚，所述第一电阻跨接在所述第一引脚和所述第二引脚之间；所述温度补偿二极管的正极与所述第二引脚连接，所述温度补偿二极管的负极与所述第二电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端与所述第一引脚连接；所述测温二极管的正极与所述温度补偿二极管的负极连接。
6.如权利要求5所述的红外探测器焦面温度测量装置，其特征在于，所述第一电阻的阻值为134欧姆，所述第二电阻的阻值为1.34千欧。
7.如权利要求5所述的红外探测器焦面温度测量装置，其特征在于，所述恒流源为LM134恒流源或LM134H恒流源。
8.如权利要求1所述的红外探测器焦面温度测量装置，其特征在于，所述模数转换器为ADS1281模数转换器。
9.如权利要求1-8任一所述的红外探测器焦面温度测量装置，其特征在于，所述红外探测器焦面温度测量装置还包括控制器，所述控制器与所述模数转换器的输出端连接，所述控制器用于计算电压及换算温度值。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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