CN112229527A - 集成模拟前端的热电堆红外传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了集成模拟前端的热电堆红外传感器，包括滤光模块、热电堆模块、模拟前端模块和引脚柱，所述模拟前端模块的输入端与热电堆模块连接，输出端和引脚柱连接；本发明使用时，被测物体发出红外辐射能量经过所述滤光模块后，由所述热电堆模块吸收并产生热电信号，所述热电信号进入模拟前端模块中进行放大、模数转换后得到数字信号，所述数字信号通过引脚柱与外界进行通讯，实现温度的检测；在上述过程中，本发明将热电堆模块和模拟前端模块集成在一起，相较于现有技术的需要使用模拟传感器搭配外围信号放大电路和信号处理电路，本发明在功能一致的前提下，明显缩小了体积，降低了外围电路的复杂程度。
Description
技术领域
本发明属于红外传感器技术领域，具体涉及集成模拟前端的热电堆红外传感器。
背景技术
热电堆红外传感器是利用赛贝克热电效应，由若干块接收面上的若干对多晶硅与铝制成的热电偶相互串联起来构成热电堆，热电偶的热端放置在硅衬底空腔顶部的薄膜结构上，用来吸收待测物体发出的红外辐射能量从而升温；热电偶的冷端放置在硅衬底导热侧壁上，以保持和环境温度一致；当热电偶的冷、热端之间有温度差存在时，热电偶的正负极间就会产生热电动势，在热电堆的正负极间就得到若干个热电偶的热电动势之和，即传感器输出电压。
然而，目前市面上的红外热电堆传感器输出的原始电信号只有很微弱的微伏级别，很难直接输送到显示、记录或分析仪器中去，必须进行信号放大和模数转换等外围电路进行处理；此方式不仅会花费用户大量的时间进行开发调试，还会导致外围电路PCB板上的元器件繁杂。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种集成模拟前端的热电堆红外传感器，通过集成的方式降低了传统的热电堆红外传感器对应的外围电路的复杂程度。
本发明所采用的技术方案是：
一种集成模拟前端的热电堆红外传感器，包括滤光模块、热电堆模块、模拟前端模块和引脚柱，所述模拟前端模块的输入端与热电堆模块连接，输出端和引脚柱连接；
被测物体发出红外辐射能量经过所述滤光模块后，由所述热电堆模块吸收并产生热电信号，所述热电信号进入模拟前端模块中进行放大、模数转换后得到数字信号，所述数字信号通过引脚柱与外界进行通讯。
优选地，该热电堆红外传感器进一步包括底座，所述热电堆芯片、模拟前端芯片和引脚柱均设置在底座上，且热电堆芯片位于底座中心位置。
优选地，所述滤光模块包括滤光片和管帽，所述滤光片位于管帽上。
优选地，所述模拟前端模块包括输入选择器、放大器、数模转换器、内置温度传感器以及参考电压，所述输入选择器的输入端与热电堆模块连接，输出端和放大器连接，所述放大器与数模转换器连接，所述数模转换器与内置温度传感器和参考电压均连接。
优选地，所述模拟前端模块进一步包括基准电压，所述基准电压与热电堆模块连接用于拉高其电压，所述基准电压还与放大器连接。
优选地，所述热电堆模块为一热电堆芯片。
优选地，所述滤光片可过滤掉特定波长的红外线。
优选地，所述模拟前端模块的输入端通过金线与热电堆模块连接。
优选地，所述模拟前端模块的输出端通过金线和引脚柱连接。
优选地，所述放大器为放大倍数可调的可编程增益放大器。
与现有技术相比，本发明使用时，被测物体发出红外辐射能量经过所述滤光模块后，由所述热电堆模块吸收并产生热电信号，所述热电信号进入模拟前端模块中进行放大、模数转换后得到数字信号，所述数字信号通过引脚柱与外界进行通讯，实现温度的检测；
在上述过程中，本发明将热电堆模块和模拟前端模块集成在一起，相较于现有技术的需要使用模拟传感器搭配外围信号放大电路和信号处理电路，本发明在功能一致的前提下，明显缩小了体积，降低了外围电路的复杂程度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的集成模拟前端的热电堆红外传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的集成模拟前端的热电堆红外传感器中模拟前端模块的框图；
图3是本发明实施例提供的集成模拟前端的热电堆红外传感器中模拟前端模块的等效电路图。
其中，1.滤光模块，2.热电堆模块，3.模拟前端模块，4.引脚柱，5.底座，11.滤光片，12.管帽，31.输入选择器，32.放大器，33.数模转换器，34.内置温度传感器，35.参考电压，36.基准电压。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要明确的是，术语“垂直”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“水平”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本发明，而不是意味着所指的装置或元件必须具有特有的方位或位置，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供集成模拟前端的热电堆红外传感器，如图1所示，包括滤光模块1、热电堆模块2、模拟前端模块3和引脚柱4，所述模拟前端模块3的输入端与热电堆模块2连接，输出端和引脚柱4连接；
这样，采用上述结构，被测物体发出红外辐射能量经过所述滤光模块1后，由所述热电堆模块2吸收并产生热电信号，所述热电信号进入模拟前端模块3中进行放大、模数转换后得到数字信号，所述数字信号通过引脚柱4与外界进行通讯；
本实施例将热电堆模块2和模拟前端模块3集成在一起，相较于现有技术的需要使用模拟传感器搭配外围信号放大电路和信号处理电路，本发明在功能一致的前提下，明显缩小了体积，降低了外围电路的复杂程度。
该热电堆红外传感器进一步包括底座5，所述热电堆芯片2、模拟前端芯片3和引脚柱4均设置在底座5上，且热电堆芯片2位于底座5中心位置。
所述滤光模块1包括滤光片11和管帽12，所述滤光片11位于管帽12上；
具体地，所述滤光片11可过滤掉特定波长的红外线；
具体地，大气中的水汽、二氧化碳等对特定波长的红外光有强烈的吸收作用，如果让物体发射的全部波长范围的红外辐射都透过传感器光学窗口，则被热电堆传感器接收到的辐射能量会很容易受到大气成分浓度的干扰，从而影响传感器的输出结果。传感器光学窗口上装载的硅基红外滤光片可以选择性地透过特定波长范围的红外光，通过设计滤光片的透过-截止波长参数，可以将引起干扰的大气吸收波段屏蔽在传感器之外，确保热电堆传感器接收到的辐射能量仅与被测物体的表面温度有关，不受大气成分浓度的干扰。
在其中一个实施例中：
如图2所示，所述模拟前端模块3包括输入选择器31、放大器32、数模转换器33、内置温度传感器34以及参考电压35，所述输入选择器31的输入端与热电堆模块2连接，输出端和放大器32连接，所述放大器32与数模转换器33连接，所述数模转换器33与内置温度传感器34和参考电压35均连接；
具体地，所述放大器32为放大倍数可调的可编程增益放大器；
所述输入选择器31可控制选择接收两路热堆芯片产生的电压信号；
所述放大器32为可编程增益放大器，放大倍数可调，用于放大热堆芯片产生的微弱电压信号；
所述内置温度传感器34用于检测传感器温度，代替传统模拟传感器中的热敏电阻使用；
所述模数转换器33的分辨率不小于16bit，采样速率可调，可将电压模拟信号转换为数字信号，用于外部通讯。
所述模拟前端模块3进一步包括基准电压36，所述基准电压36与热电堆模块2连接用于拉高其电压，所述基准电压36还与放大器32连接；
所述基准电压36可选1.2V、1.25V等，用于拉高热堆芯片负端电压，以满足检测被测温度低于环境温度的情况。
这样，采用本实施例中的模拟前端模块3，热电信号首先进入输入选择器31中，之后通过放大器32进行信号的放大，再通过数模转换器33将模拟信号转换为数字信号，该数字信号可通过不同的接口与外部进行通信。
所述热电堆模块2为一热电堆芯片。
如图3所示为模拟前端模块3的等效电路图：
从图中可以看出，热电堆芯片的第一至第三引脚输出电压经过运算放大器放大，传感器的第二至第四引脚经过分压电路转化为电压信号后，分别交由模数转换器将电压模拟信号转换为数字信号，供外部通讯。
所述模拟前端模块3的输入端通过金线与热电堆模块2连接。
所述模拟前端模块3的输出端通过金线和引脚柱4连接。
本实施例提供的一种集成模拟前端的热电堆红外传感器的工作过程主要分为以下步骤：
步骤一，被测物体发出红外辐射能量，所述滤光片11过滤掉不需要的红外线，保留需要的红外线；
步骤二，所述热电堆芯片吸收并产生热电信号，所述热点信号通过金线进入模拟前端模块3中；
步骤三，在所述模拟前端模块3中，热电信号首先进入输入选择器31中，之后通过放大器32进行信号的放大，再通过数模转换器33将模拟信号转换为数字信号，该数字信号可通过不同的接口与外部进行通信。
本实施例提供的一种集成模拟前端的热电堆红外传感器，具有如下优点：
首先，实现了小型化，具体为：
现有技术需要使用模拟传感器搭配外围信号放大电路和信号处理电路，造成外围电路臃肿，繁杂；而本实施例在功能与现有技术一样的情况下，体积达到小型化，为用户后续模块的小型化打下基础。
其次，提高用户开发效率，具体为：
本实施例输出输出数字信号，可直接与单片机进行通讯，不需用户对原始电压信号进行处理，提高开发效率，节约时间。
最后，降低了成本，具体为：
模拟前端模块可接收两路传感器信号，可与NDIR双通道气体测量完美搭配，在只使用一个模拟前端芯片就可以将NDIR双通道气体测量信号转换为数字信号。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种集成模拟前端的热电堆红外传感器，其特征在于，包括滤光模块(1)、热电堆模块(2)、模拟前端模块(3)和引脚柱(4)，所述模拟前端模块(3)的输入端与热电堆模块(2)连接，输出端和引脚柱(4)连接；
被测物体发出红外辐射能量经过所述滤光模块(1)后，由所述热电堆模块(2)吸收并产生热电信号，所述热电信号进入模拟前端模块(3)中进行放大、模数转换后得到数字信号，所述数字信号通过引脚柱(4)与外界进行通讯。
2.根据权利要求1所述的集成模拟前端的热电堆红外传感器，其特征在于，该热电堆红外传感器进一步包括底座(5)，所述热电堆芯片(2)、模拟前端芯片(3)和引脚柱(4)均设置在底座(5)上，且热电堆芯片(2)位于底座(5)中心位置。
3.根据权利要求2所述的集成模拟前端的热电堆红外传感器，其特征在于，所述滤光模块(1)包括滤光片(11)和管帽(12)，所述滤光片(11)位于管帽(12)上。
4.根据权利要求1-3任一项所述的集成模拟前端的热电堆红外传感器，其特征在于，所述模拟前端模块(3)包括输入选择器(31)、放大器(32)、数模转换器(33)、内置温度传感器(34)以及参考电压(35)，所述输入选择器(31)的输入端与热电堆模块(2)连接，输出端和放大器(32)连接，所述放大器(32)与数模转换器(33)连接，所述数模转换器(33)与内置温度传感器(34)和参考电压(35)均连接。
5.根据权利要求4所述的集成模拟前端的热电堆红外传感器，其特征在于，所述模拟前端模块(3)进一步包括基准电压(36)，所述基准电压(36)与热电堆模块(2)连接用于拉高其电压，所述基准电压(36)还与放大器(32)连接。
6.根据权利要求5所述的集成模拟前端的热电堆红外传感器，其特征在于，所述热电堆模块(2)为一热电堆芯片。
7.根据权利要求3所述的集成模拟前端的热电堆红外传感器，其特征在于，所述滤光片(11)可过滤掉特定波长的红外线。
8.根据权利要求1所述的集成模拟前端的热电堆红外传感器，其特征在于，所述模拟前端模块(3)的输入端通过金线与热电堆模块(2)连接。
9.根据权利要求1或8所述的集成模拟前端的热电堆红外传感器，其特征在于，所述模拟前端模块(3)的输出端通过金线和引脚柱(4)连接。
10.根据权利要求4所述的集成模拟前端的热电堆红外传感器，其特征在于，所述放大器(32)为放大倍数可调的可编程增益放大器。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN112945890A (zh) * | 2021-02-03 | 2021-06-11 | 深圳市美思先端电子有限公司 | 气体浓度检测装置及其控制方法 |
| CN112945890B (zh) * | 2021-02-03 | 2024-06-04 | 深圳市美思先端电子有限公司 | 气体浓度检测装置及其控制方法 |
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2020
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