CN201229510Y - 用于红外焦平面的高精度温控装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种用于红外热像仪中红外焦平面的高精度温控装置，包括温度传感器及信号处理电路、半导体制冷器，其特征在于还包括顺次连接的A/D转换电路、单片机、D/A转换电路、半导体制冷器驱动电路，并与所述的温度传感器及信号处理电路、半导体制冷器构成闭环反馈控制系统。温度传感器及信号处理电路将温度转化为电压信号，A/D转换电路将模拟小电压信号转换成数字信号后，进入单片机进行处理，D/A转换电路将单片机处理后的数字信号转换成模拟信号，通过驱动电路驱动半导体制冷器。本实用新型与现有的技术相比，具有更高的控温精度和更短的调温时间，且温度漂移小，温度控制过程也更加平稳。测温精度达到了0.01k，控温精度达到了0.02k，稳定时间小于4秒。

Description

用于红外焦平面的高精度温控装置
技术领域
本实用新型涉及一种用于红外热像仪中红外焦平面的高精度温控装置，属于温度控制技术领域。
背景技术
红外热像仪是利用热成像技术将不可见的红外辐射转换成可见图象的技术。由于红外热像仪的热图像反映了目标红外辐射的强弱，而红外辐射的强弱直接与目标温度有关，因而利用热像仪可直接测得物体的温度，测温精度是红外热像仪的一项重要指标。
红外热像仪的关键器件是红外成像传感器——红外焦平面阵列(FPA)，其工作环境温度直接影响着红外热像仪的测温精度。由于红外焦平面阵列在工作时因内部器件散热本身的温度会随着时间升高，因此，必须设计高精度的温度测量控制电路，以保证红外热像仪在工作时红外焦平面阵列温度的恒定。现有的红外焦平面阵列内集成有温度传感器和半导体制冷器(TEC)，采用的温度控制模块是由运算放大器构成的模拟PID控制电路，控温精度较低，只能达到0.1k，不能满足红外热像仪高精度温度测量的要求，且温度漂移大。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种用于红外焦平面的高精度温控装置，它不仅控温精度高，调温时间短，而且调控的稳定性强。
本实用新型为解决上述提出的问题所采用的技术方案是：包括温度传感器及信号处理电路、半导体制冷器(TEC)，其特征在于还包括顺次连接的A/D转换电路、单片机、D/A转换电路、半导体制冷器驱动电路，并与所述的温度传感器及信号处理电路、半导体制冷器构成闭环反馈控制系统。
上述方案中，温度传感器及信号处理电路将温度转化为电压信号，输出至后续的A/D转换电路，A/D转换电路将模拟小电压信号转换成数字信号后，进入单片机进行处理，D/A转换电路将单片机处理后的数字信号转换成模拟信号，通过半导体制冷器驱动电路驱动集成在红外焦平面阵列内的半导体制冷器。
按上述方案，所述的温度传感器及信号处理电路包括PT100铂电阻温度传感器与电阻R1、R2、R3构成的非平衡电桥，非平衡电桥与差动比例运算电路相联，经差动比例运算电路输出表示温度的电压信号；所述的PT100铂电阻温度传感器集成在红外焦平面阵列内。
按上述方案，所述的A/D转换电路包括24位串行A/D转换芯片U1和与其相连的外围电路，外围电路包括滤波电路与晶振电路，滤波电路由电容C9、C10并联组成，晶振电路由电容C7、C8和石英振荡器Y2组成，A/D转换电路的输出端与单片机相接。
按上述方案，所述的单片机U2的型号为AT89S52。
按上述方案，所述的D/A转换电路由12位串行DA转换芯片U3及外围电路构成，D/A转换电路的输入端与单片机的控制信号输出端口相连接，D/A转换电路的输出端与半导体制冷器驱动电路联接。
按上述方案，所述的半导体制冷器驱动电路包括有一对(两个)运算放大器OP27与大功率场效应管Q1以及外围电阻相连而构成，大功率场效应管Q1的源极与半导体制冷器相接。
本实用新型的有益效果是：与现有的技术相比，具有更高的控温精度和更短的调温时间，且温度漂移小，温度控制过程也更加平稳。测温精度达到了0.01k，控温精度达到了0.02k，稳定时间小于4秒。
附图说明
图1为本实用新型一个实施例的电路框图。
图2为本实用新型一个实施例中温度传感器及信号处理电路原理图。
图3为木实用新型一个实施例中A/D转换电路和单片机的电路原理图。
图4为本实用新型一个实施例中D/A转换电路和制冷器驱动电路的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本实用新型的具体实施方式。
用于红外焦平面的高精度温控装置包括顺次连接的温度传感器及信号处理电路、A/D转换电路、单片机、D/A转换电路、驱动电路、TEC制冷器，并构成闭环反馈控制系统。温度传感器及信号处理电路将温度转化为电压信号，输出至后续的A/D转换电路。A/D转换电路将模拟小电压信号转换成数字信号后，进入单片机AT89S52进行处理。D/A转换电路将单片机处理后的数字信号转换成模拟信号，经半导体制冷器驱动电路驱动集成在红外焦平面阵列内部的半导体制冷器，从而控制温度，保持红外焦平面阵列工作温度的恒定。
温度传感器及信号处理电路如图2所示，PT100为电阻型温度传感器，电阻R1、R2、R3和PT100构成二线制非平衡电桥，将电阻变化变成电压变化；电阻R4、R5、R23、R24和差动放大器U5构成差动比例运算电路。将电阻R1和PT100的公共端、电阻R2、R3的公共端输出的电压信号分别经过电阻R4和电阻R5连接到一个差动放大器U5(OP27)的输入端放大。温度的检测由PT100完成，用电桥得到差动值，经差动放大器放大后，经电阻R6和电阻R7输出至后续的A/D转换电路的引脚7和引脚8。差动放大器采用高精度、低漂移运算放大器OP27。
A/D转换电路和单片机如图3所示，其中A/D转换电路包括24位串行A/D转换芯片U1(AD77144)和与其相连的外围电路。外围电路包括滤波电路与晶???振电路；滤波电路由电容C9、C10并联组成，并分别连接在U1的引脚4、5、11、12；晶振电路由电容C7、C8和石英振荡器Y2组成，石英振荡器Y2跨接在电容C7、C8之间，晶振电路连接至U1的引脚2和引脚3。U1的引脚1接至单片机U2的引脚4，U1的引脚6接至单片机U2的引脚3，U1的引脚21和22接至单片机U2的引脚5，U1的引脚19接至单片机U2的引脚7，这样就将A/D转换电路与单片机连接，温度就变成了数字信号输出到单片机U2。经单片机U2处理后的数字信号再向外输出，所述单片机U2的型号为AT89S52，U2的引脚21、22、23和24分别连接到D/A转换芯片U3的引脚5、4、3和2，这样单片机的数字信号就进入到D/A转换芯片U3。A/D转换电路还配置有稳压电路、稳压电路由基准电压芯片U4与电容C11、C12、C13组成，稳压电路为A/D转换芯片提供精密基准电压2.5V，其引脚2连接+5V电源，并通过电解电容C11至地线，引脚3连接滤波电容C12至地线，引脚6连接滤波电容C13至地线，并与U1的引脚15连接。
D/A转换电路和半导体制冷器驱动电路如图4所示，D/A转换电路包括12位串行D/A转换芯片U3(MAX531)和外围电路，D/A转换芯片U3的引脚1、7、8和11连接至地线，引脚9和10连接电容C14后接地，引脚13连接至电源，引脚14、12输出模拟信号至运算放大器U6的同相输入端。
半导体制冷器驱动电路包括两个高精度、低漂移运算放大器U6和U7(OP27)和大功率场效应管Q1(IRF630)。放大器U6的输出端与场效应管Q1(IRF630)的栅极相连，Q1的源极与制冷器连接，Q1的漏极与并联电阻R17和R16连接后接地，Q1的漏极同时与放大器U7的同向输入端连接。放大器U7的反向输入端一方面通过电阻R15后接地，另一方面连接至可变电阻R18的一固定端，并且通过可变电阻R18的滑片与其输出端连接，可变电阻R18的另一固定端连接至放大器1的反向输入端。R16和R17为两个0.25Ω的电阻并联，并联后的电阻为0.125Ω。大功率场效应管IRF630配置有散热片。

Claims (7)

1.一种用于红外焦平面的高精度温控装置，包括温度传感器及信号处理电路、半导体制冷器，其特征在于还包括顺次连接的A/D转换电路、单片机、D/A转换电路、半导体制冷器驱动电路，并与所述的温度传感器及信号处理电路、半导体制冷器构成闭环反馈控制系统。
2.根据权利要求1所述的用于红外焦平面的高精度温控装置，其特征在于温度传感器及信号处理电路将温度转化为电压信号，输出至后续的A/D转换电路，A/D转换电路将模拟小电压信号转换成数字信号后，进入单片机进行处理，D/A转换电路将单片机处理后的数字信号转换成模拟信号，通过半导体制冷器驱动电路驱动集成在红外焦平面阵列内的半导体制冷器。
3.根据权利要求1或2所述的用于红外焦平面的高精度温控装置，其特征在于所述的温度传感器及信号处理电路包括PT100铂电阻温度传感器与电阻R1、R2、R3构成的非平衡电桥，非平衡电桥与差动比例运算电路相联，经差动比例运算电路输出表示温度的电压信号。
4.根据权利要求1或2所述的用于红外焦平面的高精度温控装置，其特征在于所述的A/D转换电路包括24位串行A/D转换芯片U1和与其相连的外围电路，外围电路包括滤波电路与晶振电路，滤波电路由电容C9、C10并联组成，晶振电路由电容C7、C8和石英振荡器Y2组成，A/D转换电路的输出端与单片机相接。
5.根据权利要求1或2所述的用于红外焦平面的高精度温控装置，其特征在于所述的单片机U2的型号为AT89S52。
6.根据权利要求1或2所述的用于红外焦平面的高精度温控装置，其特征在于所述的D/A转换电路由12位串行DA转换芯片U3及外围电路构成，D/A转换电路的输入端与单片机的控制信号输出端口相连接，D/A转换电路的输出端与半导体制冷器驱动电路联接。
7.根据权利要求1或2所述的用于红外焦平面的高精度温控装置，其特征在于所述的半导体制冷器驱动电路包括有一对运算放大器OP27与大功率场效应管Q1以及外围电阻相连而构成，大功率场效应管Q1的源极与半导体制冷器相接。
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