CN202003246U - 双向数字式红外焦平面温度控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型是关于一种双向数字式红外焦平面温度控制系统，主要包括红外图像探测器、微控制器和可逆H桥功率电路，其中：红外图像探测器包括温度传感器、帕尔贴模块和红外焦平面阵列；温度传感器输出的信号经微控制器处理后，驱动可逆H桥功率电路控制流经帕尔贴模块的电流。本实用新型与现有技术相比控制器模型不受环境温度变化影响，系统鲁棒性好；恒温温度可根据需要实时设置，便于实现分级温控，以降低系统功耗；通过在系统编程，可实现更为复杂和优化的控制算法，参数整定方便；抗干扰能力强；具有很高的温度控制精度和工作效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种红外焦平面温度控制系统，特别是涉及一种适用于红外成像系统中焦平面阵列恒温控制的双向数字式红外焦平面温度控制系统。
背景技术
红外焦平面阵列是利用红外辐射引起热敏感像元温度上升，导致自身阻值变化，改变读出电压值，从而探测目标温度特性。因此，热敏感像元的性能将直接影响非致冷红外焦平面的探测灵敏度。而红外焦平面阵列在工作时，自身会散发热量，同时也会与周围环境不断进行热交换，如果不加以控制，其工作的基准温度很容易受所处环境的影响而发生漂移。因此，只有尽量使非致冷红外焦平面阵列所有像元工作在均匀、恒定的温度下，才能从根本上提高非致冷红外焦平面的输出性能，抑制由此引起的工作点漂移。所以设计一个高精度的恒温系统，是高性能非致冷焦平面系统设计的重要组成部分。
伴随红外成像技术应用范围的不断扩大，其工作的温度范围也变得越来越宽泛，所要适应的环境条件也变得越来越苛刻。由于现有的FPA温度控制器多采用由分立阻容器件及运算放大器搭建而成的模拟PID控制电路。此时，阻容器件的参数温漂大，容易受环境影响，导致控制器鲁棒性差的缺点也显现出来，直接影响了温度控制效果。另外，便携式红外成像系统的功耗是衡量其性能的一个关键指标，由于工作温度范围的扩大，单点恒温控制会带来很大的功率消耗，出于降低功耗，延长工作时间的考虑，可取的办法是分级进行温度控制，而传统的模拟PID控制器不具备在系统动态设置恒温点的功能。
此外，模拟控制器还存在控制器模型固定单一、参数整定不方便、控制精度不高、抗干扰能力差等缺点，在功率输出级，传统的线性功率管输出模式也存在容易受环境因素影响、内阻高、恒温点附近线性度差等缺点，使其难以满足日益发展的系统设计数字化、智能化、可动态配置化的要求。
由此可见，上述现有的红外焦平面温度控制系统显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种鲁棒性好、控制精度高、效率高、参数整定方便的新的双向数字式红外焦平面温度控制系统，实属当前本领域极需改进的目标。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种双向数字式红外焦平面温度控制系统，使其具有加热、制冷双向温控功能，恒温温度可动态设置，解决现有焦平面恒温控制系统鲁棒性差、控制精度低、效率不高、控制器模型单一、参数整定不方便等问题。
为解决上述技术问题，本实用新型为一种双向数字式红外焦平面温度控制系统，主要包括红外图像探测器、微控制器和可逆H桥功率电路，其中：红外图像探测器包括温度传感器、帕尔贴模块和红外焦平面阵列；温度传感器输出的信号经微控制器处理后，驱动可逆H桥功率电路控制流经帕尔贴模块的电流。
作为本实用新型的一项改进，所述的微控制器还连接有隔离通信接口电路。
所述的可逆H桥功率电路与帕尔贴模块之间还设置有滤波电路。
所述的温度传感器输出的信号先经过信号调理电路和A/D采样电路，再输入微控制器。
所述的微控制器集成有ADC。
采用这样的结构后，本实用新型与现有技术相比控制器模型不受环境温度变化影响，系统鲁棒性好；恒温温度可根据需要实时设置，便于实现分级温控，以降低系统功耗；通过在系统编程，可实现更为复杂和优化的控制算法，参数整定方便；抗干扰能力强；具有很高的温度控制精度和工作效率。
附图说明
上述仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。
图1是本实用新型双向数字式红外焦平面温度控制系统的电路连接示意图。
图2是本实用新型双向数字式红外焦平面温度控制系统的信号调理电路图。
图3是本实用新型双向数字式红外焦平面温度控制系统的微控制器(集成A/D)电路图。
图4是本实用新型双向数字式红外焦平面温度控制系统的可逆H桥功率电路及滤波电路图。
图5是本实用新型双向数字式红外焦平面温度控制系统的隔离通信电路图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本实用新型双向数字式红外焦平面温度控制系统，主要包括红外图像探测器、微控制器和可逆H桥功率电路，此外还包括信号调理电路、A/D采样电路、隔离通信接口电路和滤波电路。
其中，红外图像探测器集成有红外焦平面阵列(FPA)以及温度传感器和帕尔贴(Peltier，半导体制冷片、热电半导体致冷组件等)模块，与信号调理电路、A/D采样电路、微控制器、可逆H桥功率电路和滤波电路一起构成反馈式闭环温度控制系统。
信号调理电路将温度传感器输出的信号滤波，并将其动态范围放大至与A/D采样电路的输入范围尽量接近的合适范围。
A/D采样电路接收信号调理电路的输出，并将其量化成数字信号。
微控制器接收A/D采样电路输出的数字信号，并实时与系统温度设置做比较，经由一定的控制算法处理后转换为具有一定方向和占空比的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号。出于缩小印制板面积的考虑，采用集成ADC(Analog-to-Digital Converter，指模/数转换器或者模拟/数字转换器)的微控制器，使整个系统简练可靠，占用PCB空间少，工作效率高，在使用过程中可达到0.02的恒温精度。
微控制器输出的PWM信号驱动可逆H桥功率电路按一定程式输出，实时改变流经帕尔贴模块的电流大小和方向，使帕尔贴模块工作在加热或制冷模式，进而实现红外焦平面的加热或制冷双向恒温控制。
滤波电路设置于可逆H桥功率电路与帕尔贴模块之间，起到抑制电流纹波，减少可逆H桥功率电路部分电磁辐射的作用，以最大限度的降低其对系统其它部分的影响。
隔离通信接口电路与微控制连接，并可以实时与其它微处理器交互，以实现焦平面工作温度的恒温温度动态设置，方便实现分级温控。
请配合参阅图2所示，信号调理电路可采用TI(Texas Instruments，德州仪器)公司的OPA2378运算放大器，其具有极低噪声和极低温漂。以本专利所采用的红外图像探测器为例，其温度传感器输出响应率为6.45mV/K，30℃时的输出电压为1.75V，当工作范围为-40℃-50℃时，其输出电压动态范围仅为0.5805V，因此有必要将其动态范围放大，以提高A/D采样的转换精度。图中VTEMP为模拟温度输出，减去一个固定基准1.60V之后，再行滤波，同时放大4倍，调理之后的输出信号为TEMP。1.6V基准来源于美信的低温漂、低噪声基准源MAX6126A25，通过精密电阻分压得到。
请配合参阅图3所示，微控制器(集成A/D采样电路)可采用Silicon Labs(芯科实验室)的高性能、微封装微控制器C8051F530A，其内部集成了12位ADC，串行通信接口USART，用于PWM生成的可编程计数器阵列PCA。有利于缩小系统尺寸，同时提供良好的工作性能。ADC直接采样信号调理电路输出TEMP，同时通过串行接口USART接收温度设置指令。这两个值经处理后作为Fuzzy-PID温度控制算法的输入。计算结果经过逻辑转换后输出HE和CL两个信号至功率驱动部分，包含了占空比和方向信息。温度控制算法可通过仿真器方便的在系统配置和调试。MAX6126A25提供2.5V基准给微控制器的内置ADC。此外，C8051F530A还外接了高亮LED，做为达到温度设定的状态指示。
请配合参阅图4所示，可采用ROHM半导体株式会社的BD6211作为可逆H桥功率电路的驱动，两个∏型滤波电路可以抑制输出纹波，减小电流脉动。同时有利于辐射干扰的抑制。控制输入为HE和CL，滤波之后的功率输出为TEC+和TEC-，直接连接到红外图像探测器的帕尔贴模块。
请配合参阅图5所示，隔离通信接口电路，可采用MSOP8封装的IL611A-1E，其提供了隔离串行通信接口的功能，温度设置指令经由D_TXD和D_RXD输入，隔离输出为TXD和RXD，直接与微控制器相连。
本实用新型双向数字式红外焦平面温度控制系统，可实现加热和制冷的数字化双向恒温控制，恒温温度可经由隔离数字接口动态配置，采用了微控制器实现数字温度控制算法，并具备在系统编程能力，控制器模型可重新配置，能实现更为复杂和优化的算法，参数整定快捷方便，且鲁棒性更好、控制精度和效率也都获得提高。
此外，采用类似于本实用新型的系统设计，也可以将红外图像探测器替换为其它温度传感、控制装置，从而可适用于诸如半导体激光器、惯导系统等需要恒温控制的领域。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本实用新型的保护范围内。
Claims (5)
1.一种双向数字式红外焦平面温度控制系统，其特征在于主要包括红外图像探测器、微控制器和可逆H桥功率电路，其中：
红外图像探测器包括温度传感器、帕尔贴模块和红外焦平面阵列；
温度传感器输出的信号经微控制器处理后，驱动可逆H桥功率电路控制流经帕尔贴模块的电流。
2.根据权利要求1所述的双向数字式红外焦平面温度控制系统，其特征在于所述的微控制器还连接有隔离通信接口电路。
3.根据权利要求1所述的双向数字式红外焦平面温度控制系统，其特征在于所述的可逆H桥功率电路与帕尔贴模块之间还设置有滤波电路。
4.根据权利要求1所述的双向数字式红外焦平面温度控制系统，其特征在于所述的温度传感器输出的信号先经过信号调理电路和A/D采样电路，再输入微控制器。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的双向数字式红外焦平面温度控制系统，其特征在于所述的微控制器集成有ADC。
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| CN2011200472644U CN202003246U (zh) | 2011-02-24 | 2011-02-24 | 双向数字式红外焦平面温度控制系统 |
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|---|---|---|---|---|
| CN102681568A (zh) * | 2012-05-30 | 2012-09-19 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种焦面探测器精密热控机构 |
| CN107062989A (zh) * | 2017-03-03 | 2017-08-18 | 北京振兴计量测试研究所 | 一种基于微型帕尔贴阵列的红外动态场景模拟器 |
| CN108170179A (zh) * | 2017-12-13 | 2018-06-15 | 苏州长风航空电子有限公司 | 一种基于非制冷型红外成像组件的温度控制方法 |
| CN113253777A (zh) * | 2021-04-16 | 2021-08-13 | 北京空间机电研究所 | 红外探测器粗精复合测控温系统 |
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