CN115046643A - 用于热释电红外传感器性能参数的检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于热释电红外传感器性能参数的检测系统，包括光学与机械部分、电路部分以及上位机部分；光学与机械部分包括一个黑体部件以及一个机械斩波器，黑体部件辐射发出红外线通过光路准直到达热释电传感器表面使用菲涅尔透镜制作的感光片上，机械斩波器将连续的红外线分割成断续信号；电路部分将信号进行滤波和放大处理；电路部分与上位机部分连接，上位机部分对热释电红外传感器的性能参数作波形数据点显示以及良品和不良品的图标信息显示。本发明可以对热释电红外传感器的性能参数源极电压、噪声信号、灵敏度信号进行检测，使热释电红外传感器产品检测效率得到提高，实现的硬件电路简单，所用的集成芯片都可以国产化，价格低廉。

Description

用于热释电红外传感器性能参数的检测系统

技术领域

本发明涉及电子元器件检测测量技术领域，尤其是一种用于热释电红外传感器性能参数的检测系统。

背景技术

由于热释电传感器内部前置放大电路等部件制作工艺的差异会导致热释电的对外输出不能够保持高的灵敏度和低的噪音以及源极电压异常，这就会使产品在生产过程中存在一定的不良品。灵敏度太低，会导致产品在的红外线感光能力变差；噪音太大，会使产品在没有红外线的情况下增加虚报可能；源极电压异常代表热释电红外传感器是不能够使用的。所以为了提高热释电红外传感器产品出厂的良品率，需要对生产的每一个热释电红外传感器的源极电压、噪声、灵敏度进行全面检测。

现有的传统方法对热释电红外传感器的噪声及灵敏度检测需将其输出通过运算放大器放大到固定的增益倍数用于参数检测，往往增益倍数达到几千倍，这对于运算放大器的性能要求比较高。其次传统的性能检测是将放大后信号直接送到数字示波器通过观察波形的显示信息来判断热释电红外传感器的性能参数。其不能自动归档产品是不良品还是良品，其一次只可以检测一个产品，需人工对每个产品进行判断，误差率高，产品筛选效率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种用于热释电红外传感器性能参数的检测系统，主要用于热释电红外传感器的源极电压、噪声信号、灵敏度信号的测量，适用于推广到多路至百路热释电传感器的检测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于热释电红外传感器性能参数的检测系统，包括光学与机械部分、电路部分以及上位机部分；所述的光学与机械部分包括一个黑体部件以及一个机械斩波器，所述的黑体部件辐射发出红外线通过光路准直到达热释电传感器表面使用菲涅尔透镜制作的感光片上，所述的机械斩波器将连续的红外线分割成断续信号；所述的电路部分将信号进行滤波和放大处理；所述的电路部分与上位机部分连接，所述的上位机部分对热释电红外传感器的性能参数作波形数据点显示以及良品和不良品的图标信息显示。

进一步的说，本发明所述的电路部分包括一热释电红外传感器，热释电红外传感器的漏极连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接工作电源；热释电红外传感器的源极第一运算放大器的正向输入端、第一电容的一端以及第二电阻的一端；所述的第二电阻的另一端接地；所述的第一运算放大器的反向输入端连接自身的输出端，同时连接DSP芯片内置的ADC输入端；所述第一电容的另一端连接第三电阻的一端，同时连接第二运算放大器的正向输入端，第三电阻的另一端接地；所述的第二运算放大器的反向输入端接地，第二运算放大器的增益设置端连接第四电阻；所述第二运算放大器的输出端连接第五电阻的一端，第五电阻的另一端连接第二电容，所述的第五电阻与第二电容组成低通滤波器；所述的第二电容连接第五电阻的同时还连接第三运算放大器的同向输入端；所述的第三运算放大器的反向输入端接地，第三运算放大器的增益设置端连接第六电阻，第三运算放大器的输出端连接DSP芯片内置的ADC输入端；所述的热释电红外传感器的栅极接地。

再进一步的说，本发明所述的第一电阻为限流电阻，第一电阻为热释电红外传感器提供正常工作的电流；所述的第二电阻为源极电阻，第二电阻阻值为 48～52kΩ。

再进一步的说，本发明所述的第一运算放大器为电压跟随器，对源极电压进行逐点采样；第一运算放大器正向输入端的信号为热释电红外传感器正常检测状态下的源极电压。

再进一步的说，本发明所述的第一电容为隔直电容，第一电容将源极输出信号的直流信号隔掉，并与第三电阻组成一高通滤波器。

再进一步的说，本发明所述的第四电阻为一级增益电阻，所述的第六电阻为二级增益电阻；第四电阻和第六电阻均为低温漂，高精度的精密电阻。

再进一步的说，本发明所述的第二运算放大器和第三运算放大器均为仪表放大器；第二运算放大器为一级增益放大，放大倍数为14.06倍；第三运算放大器为二级增益放大，放大倍数为100倍。

本发明的有益效果是，解决了背景技术中存在的缺陷，可以对热释电红外传感器的性能参数源极电压、噪声信号、灵敏度信号进行检测，达到对热释电红外传感器产品的检测要求和热释电红外传感器的出厂要求；解决了因热释电红外传感器产品的输出引脚源极电压过低过高、源极引脚、栅极引脚、漏极引脚三者任意两两短路的情况、噪声信号过大、灵敏度信号过低引起的产品不良问题；热释电红外传感器产品检测效率得到提高，实现的硬件电路简单，所用的集成芯片都可以国产化，价格低廉。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是本发明的电路原理图。

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-图2所示的一种用于热释电红外传感器性能参数的检测系统；图1 中，测试系统主要包括三部分：光学部分与机械部分、电路部分以及上位机部分。

光学部分主要包括一个黑体辐射源，目的使黑体辐射发出的红外线通过光路可准直到达热释电传感器表面使用菲涅尔透镜制作的感光片。

机械部分主要为一个机械斩波器，将连续的红外线分割成1Hz的断续信号。

电路部分主要包括信号的滤波和放大处理。上位机部分主要对源极电压，噪声信号，灵敏度信号数据作波形数据点显示以及良品和不良品的图标显示信息。

图1中，

①为黑体部件，将黑体辐射源温度设定为420K，稳定一个小时以上，其作用是辐射发出红外线。

②为机械斩波器，目的是将连续的红外线分割成1Hz的断续信号。

③为1Hz断续信号到热释电红外传感器表面感光透镜的通光孔。

④为1Hz断续的红外信号。

⑤为热释电红外传感器表面使用菲涅尔透镜制作的感光片，热释电红外传感器表面的感光片需要将其置于黑暗之中。

⑥为热释电红外传感器。

⑦为高通滤波器，滤除其它干扰噪声使信号高于0.08Hz信号得以通过。

⑧为一级增益放大器，需具备高增益、低噪声、抗干扰能力强的特点。

⑨为低通滤波器，滤除其它干扰噪声使信号低于8Hz信号得以通过。

⑩为二级增益放大器，需具备高增益、低噪声、抗干扰能力强的特点。

为DSP芯片，需内置ADC功能，串口输出能力。

为多串口转USB芯片。

为编写的上位机通信处理应用程序。

图2中，

Sensor的s源极为源级电压、噪声信号、灵敏度信号的初始输出端，Sensor 源级电压的检测条件：不管黑体是否有辐射红外线，不管Sensor顶部冒的感光片是否处于暗室状态，Sensor的s输出即为源级电压。Sensor的s输出后接一电压跟随器，电压跟随器的输出送入DSP中进行逐点采样。

Sensor噪声信号的检测条件：黑体关闭辐射红外线，机械斩波器停止工作，Sensor顶部冒的感光片处于暗室状态，Sensor的s引脚经过一隔直电容，隔直电容后面接带通放大器和两级增益放大器(先带通放大器再一级增益放大器或者先高通滤波再一级增益再低通滤波没有关系，带通滤波器的频率范围没有固定值，可以使0.08Hz到8Hz之间的值，这里不论是两级或者多级，几级增益放大器后的增益倍数处理总增益的一部分，剩余的在DSP后的上位机软件中补充到检测热释电传感器所需要的总增益。这里两级增益放大器后的增益倍数和热释电红外传感器所需要的总增益的关系，没有固定倍数，通常在1-5倍)。两级增益放大器后接到DSP中，对噪声信号进行逐点采样。

Sensor灵敏度信号的检测条件：黑体打开辐射红外线，带动机械斩波器的滚轮正常工作，Sensor表面使用菲涅尔透镜制作的感光片处于处于接收1Hz的状态，此时Sensor的s引脚输出的是初始的灵敏度信号，其后处理与噪声相同，是同一通路，要求也相同。

V+为正电压，由整流、滤波、稳压或者其它电路产生一个正电压。

V-为负电压，由整流、滤波、稳压或者其它电路产生一个负电压。

其中R4，R6为高精度低温漂精密电阻；U1为一般运算放大器；U2、U3 为仪表放大器芯片，其为差分输入、低噪声、高增益、低频特性好、抗干扰能力强。

DSP要求内置一路至多路ADC功能，一路至多路串口输出能力。

其他器件连接的方式见图2电路图。

工作原理：

Sensor为热释电红外传感器，其引脚分别为s源极、d漏极、g栅极。d引脚连接R1的一端，R1的另一端连接V+，V+为工作电源，R1为限流电阻，其有两方面作用，一是给Sensor提供一个正常工作的电流，二是有的不良品会存在源极s与栅极g短路的情况，这样就不会将V+拉到与地短路。保证其它Sensor 检测电路正常。

Sensor的s引脚连接U1运算放大器的正向输入端，C1电容的一端，R2电阻的一端。s引脚输出为源极电压、噪声信号、灵敏度信号的原始输出端。s引脚后分为两路，一路作为检测源级电压；另一路作为检测噪声信号和灵敏度信号，噪声信号和灵敏度信号在热释电传感器表面的菲涅尔透镜感光片处于不同状态下进行分时检测。噪声信号的检测使热释电传感器表面的菲涅尔透镜感光片不接受黑体辐射出的1Hz红外线，且处于暗室状态，暗室指的是不接受任何光线。灵敏度信号的检测使热释电传感器表面的菲涅尔透镜感光片只接收黑体辐射出的1Hz红外线。

Sensor的g引脚接地。

R2为源级电阻，一端接Sensor的s引脚，一端接地，增大源极电阻R2，可以提高Sensor内置前置放大器的电压增益。但是增大源极电阻的同时，输出电阻会变大，从而导致漏极电压升高，因此源极电阻R2不应过大，一般取50kΩ左右，不宜超过100K，增大电压增益能提高增益的温度稳定性。

U1为一电压跟随器，其正向输入端接Sensor的s端，反向输入端接U1的输出端，同时输入到DSP内置的ADC输入引脚，对源极电压进行逐点采样。 U1正向输入端的信号为Sensor正常检测状态下的源极电压。

C1为隔直电容，一端连接到Sensor的s端；另一端连接R3的一端，同时连接到U2仪表放大器的正向输入端。作用一是将s端输出信号的直流信号隔掉，作用二与R3组成一高通滤波器，下限截至频率为0.08Hz。

下限截至频率和后级R5和C2组成的低通滤波器的上限截至频率的设置标准如下，热释电红外传感器输出信号的频率主要决定于目标人体的温度、探测区域背景、人体与传感器的距离、人体移动的速度、光学透镜系统的焦距、传感器感光片的面积和它的设计方式。模拟热释电红外传感器正常工作情况下情况下，可以计算出热释电红外传感器输出信号的频率范围为0.08Hz～8Hz。

R3的一端接C1的一端，同时连接到U2仪表放大器的正向输入端；R3的另一端接地。

U2为仪表放大器，正向输入端接C1的一端和R3的一端；反向输入端接地；正负电源供电，正电源端接V+，负电源端接V-，G端接地，增益设置一端接 R4的一端，增益设置的另一端接R4的另一端。U2的输出端接R5的一端。U2 仪表放大器的选型要求：差分输入、低噪声、低频特性好、抗干扰能力强等特点。U2为一级增益放大，放大倍数为14.06倍。

R4为一级增益电阻，一端连接U2增益的一端，另一端连接U2增益的另一端。R4使用低温漂，高精度的精密电阻。

R5的一端接U2的输出端，另一端接C2的端，同时接U3的同相输入端。

C2的一端接R5的一端，同时接U3的同相输入端；C2的另一端接地。

R5和C2组成一低通滤波器，上限截至频率为8Hz。

U3为仪表放大器，正向输入端接C2的一端和R5的一端；反向输入端接地；正负电源供电，正电源端接V+，负电源端接V-，G端接地，增益设置一端接 R6的一端，增益设置的另一端接R6的另一端。U3的输出端接DSP内置的ADC 输入引脚，对噪声信号和灵敏度信号分时进行逐点采样。U3仪表放大器的选型要求：差分输入、低噪声、高增益、低频特性好、抗干扰能力强。U3为二级增益放大，放大倍数为100倍。

R6为二级增益电阻，一端连接U3增益的一端，另一端连接U3增益的另一端。R6使用低温漂，高精度的精密电阻。

DSP芯片内置的ADC输入接U1的输出和U3的输出。DSP的输出为串口输出。DSP要求内置ADC功能，串口输出能力。

工作过程：

以热释电红外传感器的通用测试要求来描述本发明的工作过程。

热释电红外传感器的源级电压在持续5S时间内保持一定的电压范围表示源级电压合格。

热释电红外传感器的灵敏度信号测试：将热释电传感器安装到光路出口，与黑体辐射口准直。打开机械斩波器，频率1Hz热释电传感器接收到断续的红外线，产生信号，经过隔直、滤波、增益放大72.5dB，其峰峰值≥3.5V表示灵敏度信号合格。

热释电红外传感器的噪声测试：关闭机械斩波器，没有断续的红外线射到热释电传感器上，且热释电红外传感器表面使用菲涅尔透镜制作的感光片处于暗室状态，传感器不会对红外线产生信号，其与灵敏度信号是同一通路检测，此峰峰值噪声值，其峰峰值＜70mV表示噪声信号合格。

热释电红外传感器的源级电压通过U1电压跟随器输出到DSP的输入端，在DSP内部对此直流电压做逐点采样，通过串口将采样值送给上位机去处理。

热释电红外传感器的灵敏度信号和噪声信号为类似的交流信号，在同一路去分时检测，首先通过隔直电容C1将直流信号滤掉，通过C1和R3组成的高通滤波器将信号的下限截止频率控制在0.08Hz；高通滤波输出后的信号通过一级增益放大器U2对信号进行14.06倍的放大；一级增益放大后的信号通过R5 和C2组成的低通滤波器将信号的上限截止频率控制在8Hz；低通滤波后的信号再通过二级增益放大器U3对信号进行100倍的放大；二次增益放大后的信号输入到DSP内置ADC的输入端，在DSP内部对热释电红外传感器的噪声信号和灵敏度信号进行分时逐点采样。噪声信号和灵敏度信号的采样值通过DSP的串口输出送到上位机去分时处理。二级增益后的放大倍数为1406倍。在上位机中需对噪声信号和灵敏度的信号的采样点值做3倍的处理后去计算显示，目的是将放大倍数放大到4218倍，即72.5dB。

这里不用二级增益直接放大道72.5dB的原因：一是放大倍数太大意味这对增益放大器U2和U3的要求比较高，价格比较高。二是因为，放大倍数太大意味着U2和U3的供电电源要高，这对V+和V-设计要求比较高，同时高供电电源的U2和U3选型也带来困难。

本发明的发明点在于，创造了一种用于热释电红外传感器产品出厂检测良品的系统方法和电路方法，可以实时准确的对热释电红外传感器的性能参数用本发明的系统方法和电路方法进行测量。

其关键点一在于如何控制二级增益放大后的准确度问题，这主要受到R4和 R6的影响，R4和R6电阻选择高精度低温飘的；

其关键点二在于二级增益放大倍数的选择，一级增益方倍数需比二级增益放大倍数小一个等级，目的是减少初级原始噪声对检测信号的影响；

其关键点三在于，在满足总增益72.5dB去检测信号和灵敏度的条件下，需考虑供电电压V+和V-的选取设计，同时要求U2和U3仪表放大器为差分输入、低噪声、高增益、低频特性好、抗干扰能力强等特点。经过二次增益U2和U3 放大到总需要增益的一部分，送给DSP逐点采样后，在上位机程序中做需要的总增益。

以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离发明的实质和范围。

Claims (7)

1.一种用于热释电红外传感器性能参数的检测系统，其特征在于：包括光学与机械部分、电路部分以及上位机部分；所述的光学与机械部分包括一个黑体部件以及一个机械斩波器，所述的黑体部件辐射发出红外线通过光路准直到达热释电传感器表面使用菲涅尔透镜制作的感光片上，所述的机械斩波器将连续的红外线分割成断续信号；所述的电路部分将信号进行滤波和放大处理；所述的电路部分与上位机部分连接，所述的上位机部分对热释电红外传感器的性能参数作波形数据点显示以及良品和不良品的图标信息显示。

2.如权利要求1所述的用于热释电红外传感器性能参数的检测系统，其特征在于：所述的电路部分包括一热释电红外传感器，热释电红外传感器的漏极连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接工作电源；热释电红外传感器的源极第一运算放大器的正向输入端、第一电容的一端以及第二电阻的一端；所述的第二电阻的另一端接地；所述的第一运算放大器的反向输入端连接自身的输出端，同时连接DSP芯片内置的ADC输入端；所述第一电容的另一端连接第三电阻的一端，同时连接第二运算放大器的正向输入端，第三电阻的另一端接地；所述的第二运算放大器的反向输入端接地，第二运算放大器的增益设置端连接第四电阻；所述第二运算放大器的输出端连接第五电阻的一端，第五电阻的另一端连接第二电容，所述的第五电阻与第二电容组成低通滤波器；所述的第二电容连接第五电阻的同时还连接第三运算放大器的同向输入端；所述的第三运算放大器的反向输入端接地，第三运算放大器的增益设置端连接第六电阻，第三运算放大器的输出端连接DSP芯片内置的ADC输入端；所述的热释电红外传感器的栅极接地。

3.如权利要求2所述的用于热释电红外传感器性能参数的检测系统，其特征在于：所述的第一电阻为限流电阻，第一电阻为热释电红外传感器提供正常工作的电流；所述的第二电阻为源极电阻，第二电阻阻值为48～52kΩ。

4.如权利要求2所述的用于热释电红外传感器性能参数的检测系统，其特征在于：所述的第一运算放大器为电压跟随器，对源极电压进行逐点采样；第一运算放大器正向输入端的信号为热释电红外传感器正常检测状态下的源极电压。

5.如权利要求2所述的用于热释电红外传感器性能参数的检测系统，其特征在于：所述的第一电容为隔直电容，第一电容将源极输出信号的直流信号隔掉，并与第三电阻组成一高通滤波器。

6.如权利要求2所述的用于热释电红外传感器性能参数的检测系统，其特征在于：所述的第四电阻为一级增益电阻，所述的第六电阻为二级增益电阻；第四电阻和第六电阻均为低温漂，高精度的精密电阻。

7.如权利要求2所述的用于热释电红外传感器性能参数的检测系统，其特征在于：所述的第二运算放大器和第三运算放大器均为仪表放大器；第二运算放大器为一级增益放大，放大倍数为14.06倍；第三运算放大器为二级增益放大，放大倍数为100倍。

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