DE2503600A1

DE2503600A1 - Fast and accurate signal processing for infrared radiometry - uses an analogue multiplier to chop the waveforms

Info

Publication number: DE2503600A1
Application number: DE19752503600
Authority: DE
Inventors: Wolf-Peter Dr Med Rothdach
Original assignee: ROTHDACH WOLF PETER DR MED
Current assignee: ROTHDACH WOLF PETER DR MED
Priority date: 1975-01-29
Filing date: 1975-01-29
Publication date: 1976-08-05

Abstract

The fast and accurate method is for processing the signals detected in certain types of heat or infrared radiometry applications, in which an analog multiplexer is used to produce chopped waveforms, with advantageous shapes. Signals produced from radiometry transducers have traditionally been chopped for further processing, and the chopped signal contains useful information in both its amplitude and phase. The method solves certain associated noise problems. The radiometer transducer output is generally of a sinusoidal shape, and this signal is amplified in a low noise preamplifier (VV). This is then applied to one input of the analogue multiplier (AM) to the other input of which one of several alternative waveforms may be applied. An adder subtractor element (A/S-V) is also incorporated in the network, and this feeds a display unit (AZ).

Description

Verfahren zur schnellen und genauen Signalverarbeitung in Radiometern für den infratoren Spektralbereich Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmestrahlungsmessung, das sich von bisher bekannten Verfahren durch einc besondere Art der Nutzsignalverarbeitung unterscheidet. Method for fast and precise signal processing in radiometers for the infrared spectral range The invention relates to a method for measuring thermal radiation, which differs from previously known methods through a special type of useful signal processing differs.

Im Prinzip wird bei Wärmestrahlungsmessungen mit ITilfe einer geeigneten Optik und/oder einer Blendenvorrichtung ein Strahlenkegel anf ein infrarotemodfindliches Detektorelement gelenkt, welches je nach der einfallenden Strphlungsleistung ein analoges elektrisches Signale abgibt, das in einem nachfolgenden Verstärker auf einen Pegel qngehoben wird, der die Aussteuerung eines geeigneten Anzeigeinstruments erlaubt. Durch das von LEHRER 1936 eingeführte Wechsellichtverfahren vermeidet man die mit Driftspannungen behafteten Gleichspannungsverstärker und verwendet die gerade bei hohen Verstärkungsfaktoren wesentlich genaueren Wechselspannungsverstärker. Das Prinzip des LEH -RER schen Verfahrens besteht darin, daß man den vom Meßobjekt einfllnden kontinuierlichen Infrarotlichtstrom mit Hilfe von mechanischen oder optischen Vorrichtungen (Choppereinrichtungen) zerhackt und damit in eine Folge von periodischen Strahlungspulsen verwandelt. Das resultierende vom Detektor abgegebene elektrische Signal ist eine Sinus-, Rechteck- oder Trapezschwingung, die jetzt von Wechselspannungsverstärkern verarbeitet werden kann. In principle, for thermal radiation measurements with IT, a suitable Optics and / or a diaphragm device create a cone of rays for an infrared sensor Detector element steered, which one depending on the incident radiation power emits analog electrical signals, which in a subsequent amplifier on a level is raised, which the modulation of a suitable display instrument permitted. The alternating light method introduced by LEHRER in 1936 avoids this the DC voltage amplifier with drift voltages and uses the straight with high amplification factors significantly more accurate AC voltage amplifiers. The principle of the LEH -RER method is that one of the test object inflowing continuous infrared luminous flux with the help of mechanical or optical Devices (chopper devices) chopped up and thus into a sequence of periodic Transformed radiation pulses. The resulting electrical output from the detector Signal is a sine, square or trapezoidal wave that is now generated by AC voltage amplifiers can be processed.

Dieses vom Detektor nbgegebene Signal enthält zweierlei Informationen, einmal (in Form der Amnlitude) eine Information über die vom Meßobjekt abgegebene Strahlungsleistung , zum zweiten (in Form der Phase des Signals) die Information darüber, ob die Strahlungsleistung des Meßobjekts größer oder kleiner sls diejenige, welche von der unmittelbaren Umgebung des infrarotempfindlichen Elements abgegeben wird, ist. Abgegebene Strahlungsleistungen können bei bekanntem Strahlungskoeffizienten eindeutig einer Oberflächentemperatur zugeordnet werden. This signal given by the detector contains two types of information, once (in the form of the amplitude) information about the information given by the measurement object Radiated power, secondly (in the form of the phase of the signal) the information whether the radiated power of the measurement object is greater or less sls that which are emitted from the immediate vicinity of the infrared-sensitive element will is. Radiated powers emitted can be given if the radiation coefficient is known can be clearly assigned to a surface temperature.

Die elektronische Weiterverarbeitung des vom Detektor abgegebenen elektrischen Signals wird nun von der Tatsache bestimmt, daß das eigentliche (die Informationen enthaltende) Nutzsignal von Störsignalen verschiedener Art überlagert ist. M<n kznn das Nutzsignal als Grundwelle auffassen, die. von verschiedensten Ober-- und Unterwellen überlagert ist, welche zur Erreichung genauer Meßergebnisse möglichst weitgehend eliminiert werden müssen. Dieses Problem wurde konventionellerweise bisher so gelöst, daß man selektive Verstärkers (Resonanz-, Bandpaß-, Hochpaß-, Tiefpaß-Verstärker in verschiedensten Kombinationen) verwendete, die auf die Grundwelle des Detektorsignals abgestimmt waren. The electronic processing of the output from the detector electrical signal is now determined by the fact that the actual (the Information containing) useful signal of interference signals of various types superimposed is. M <n kznn understand the useful signal as a fundamental wave, the. of various Upper and lower waves are superimposed, which are used to achieve precise measurement results must be eliminated as far as possible. This problem has been conventional so far solved in such a way that selective amplifiers (resonance, bandpass, highpass, Low-pass amplifier in various combinations) used on the fundamental wave of the detector signal were matched.

Störsignale definierter Frequenz (z.B. den 50 Hertz-"Brumm") konnte men such mit entsprechend ausgelegten aktiven oder passiven Filterstufen -eliminieren. Schließlich wurde das Problen auch so gelöst, daß nach einer breitbandigen oder in der Bandbreite nur mäaig eingeengten konventionellen Verstärkung des Detektorsignals ein phasenabhängiger Gleichrichter (neben der Darstellung der Phase) für die nötige Frequenzselektion des Nutzsignals sorgte. Die Gleichrichtung des verstärkten Detektorsignals wird bei dieser Schaltungsart durch ein Hilfssignal gesteuert, das sich zun Nutzsig nal freqienzgleich und phasengleich verhält. Dieses Hilfssignal wird üblicherweise mit Hilfe der gleichen Choopereinrichtung erzeugt (z.B. induktiv oder optoelektronisch), die das zu messende Infrarotstrahlenbündel wie oben geschildert in Etrahlenpulse zerhackt. Dadurch ist eine absolute Frequenzgleichheit und phasenstarre Kopplung von Hilfssignal und Nutzsignal gewährleistet. Ein solcher phasenabhängiger Gleichrichter wird in der Regel schaltungsmäßig so ausgelegt, daß das resultierende Signal in dem Fslle, daß die Meßobjektteperatur größer als die Detektor/Sondentemperatur ist, eine positive Größe annimmt, im umgekehrten Falle eine negative. Die Weiterverarbeitung geschieht sodann über die Stufen: Siebglied - Kompensationsglied zum Ausgleich von Änderungen der Umgebungstemperatur - Spannungs/Stromwandler -Anzeigeeinheit oder über ähnliche Schaltungsstufen. Die Selektivität des phasenabhängigen Gleichrichters ist nur mittel--gradig ; Ober- und Unterwellen einer bestimmten mathemstischen Struktur werden nur unvollkommen unterdrückt. Die Schaltung hat jedoch den Vorteil eines schnellen Ansprechens auf Amplitudenänderungen des Nutzsignals. Im Gegensatz dazu verheilten sich mit RO-Gliedern ausgelegte Resonanz- und mandpaßverstärker infolge von Einschwingvorgängen zunehmend träge gegenüber Amplitudenänderungen des Nutzsignals, je höher die "Güte" dieser Schaltungen getrieben wird, d.h. je besser ihre Selektivität gegenüber dem Nutzsignal ist.Interference signals of a defined frequency (e.g. the 50 Hertz "hum") could Eliminate men with appropriately designed active or passive filter levels. Finally, the problem was solved in such a way that after a broadband or Conventional amplification of the detector signal is only moderately restricted in the bandwidth a phase-dependent rectifier (in addition to displaying the phase) for the necessary Frequency selection of the useful signal ensured. The rectification of the amplified detector signal is controlled with this type of circuit by an auxiliary signal, which is useful nal behaves in the same frequency and phase. This auxiliary signal is usually generated with the help of the same choop device (e.g. inductive or optoelectronic), the infrared beam to be measured as described above in Etrahlenpulse chopped up. This results in absolute frequency equality and phase-locked coupling of auxiliary signal and useful signal guaranteed. Such a phase-dependent one Rectifier is usually designed in terms of circuitry so that the resulting Signal in the event that the measurement object temperature is greater than the detector / probe temperature is, assumes a positive quantity, in the opposite case a negative. The further processing then happens via the following stages: filter element - compensation element to compensate for Changes in the ambient temperature - voltage / current transformer display unit or via similar circuit stages. The selectivity of the phase dependent rectifier is only moderate; Upper and lower waves of a certain mathematical structure are only imperfectly suppressed. However, the circuit has the advantage of one quick response to changes in the amplitude of the useful signal. In contrast to Resonance and mandpass amplifiers designed with RO links healed as a result of transient processes are increasingly sluggish to changes in the amplitude of the useful signal, the higher the "quality" of these circuits is driven, i.e. the better their selectivity compared to the useful signal.

Die Erfindung betrifft eine neuartige Möglichkeit, das Nutzsignal äußerst schmalbandig, dabei aber sehr trägheisarm weiterzuverarbeiten. The invention relates to a novel possibility, the useful signal extremely narrow-band, but with very little sluggishness to further process.

Sie eignet sich ganz besonders dazu , Objekte , deren Temperatur der ihrer Umgebung relativ nohe liegt (z.B. menschliche und Warmblüter-Haut bei Zimmertemperatur) zu messen und dazu relativ rp.usch- und driftreiche Detektorelemente zu verwenden, die preislich in einem günstigen Bereich liegen.It is particularly suitable for objects whose temperature is the is relatively close to their environment (e.g. human and warm-blooded skin at room temperature) to measure and to use relatively rp.ush and drift rich detector elements, which are priced in a favorable range.

Das vom Detektor abgegebene Signal wird erfindungsgemäß in einem Analogmultiplizierer weiterverarbeitet, gegebenenfalls in Kombination mit anderen Schaltungselementen. Das Schaltungsprinzip des Analogmultiplizierers ist in dir Elektronik bereits bekannt; in letzter Zeit haben sich die Verwendungsmöglichkeiten dadurch verbessert, daß es derartige Elemente in Form integrierter Schaltungen gibt. Neu ist die Verwendung des Analogmultiplizierers zur Signalverarbeitung in Infrarot-Raüiometern. Der Analogmultiplizierer ist in der Lage , ein an seinem Eingang stehendes elektrisches Signal mit einem anderen, an einem sogenannten Steuereingang stehenden elektrischen Signal zu multiplizieren. Prinzipiell ist jeder norm.R-le Verstärker ein Multiplizierer, es wird allerdings mit einem konstanten, fest eingestellten Faktor multipliziert, während der Analogmultiplizierer seinem Verstärkungsfaktor kontinuierlich und trägheitslos nach Maßgabe des am Steuereingang stehenden Steuersignals ndert. The signal emitted by the detector is according to the invention in one Analog multiplier processed further, possibly in combination with others Circuit elements. The circuit principle of the analog multiplier is in you Electronics already known; Lately the uses have increased improved by the fact that such elements are in the form of integrated circuits. The use of the analog multiplier for signal processing in infrared roughness meters is new. The analog multiplier is able to generate an electrical signal at its input Signal with another, standing at a so-called control input multiply electrical signal. In principle, every standard R-le amplifier is a multiplier, it is however with a constant, fixed setting Factor multiplied while the analog multiplier its gain factor continuously and without inertia according to the control signal at the control input changes.

Erfindungsgemäß wird mit Hilfe dieses Schaltungsprinzips das Detektorsignal (direkt oder konventionell vorverstärkt) mit dem oben beschriebenen frequenzgleichen Hilfssignal multipliziert, nachden die a.bsolute Phasengleichheit des Hilfesignals, falls nötig, mit einem amplitudenkonstanten Phasenschieber hergestellt wurde. Das Detektorsignal erfährt elso in d derjenigen Zeitphase jeweils maximale Verstärkung, in welcher die cTrundwelle (also dxs Nutzsignal) ihr Spannungsmaximum erreicht, während dagegen der Verstärkungsfaktor fortschreitend abnimmt, je mehr sich die Zeitphase von diesem Spannungsmaximum entfernt. Als Steuersignal kann nach Belieben die gesamte Sinusschwingung oder diese nach Einweg- oder Vollweggleichrichtung verwendet werden. According to the invention, the detector signal is generated with the aid of this circuit principle (directly or conventionally pre-amplified) with the same frequency as the one described above Auxiliary signal multiplied after the absolute phase equality of the help signal, if necessary, was made with an amplitude constant phase shifter. That Detector signal experiences maximum amplification in d of that time phase, in which the ctrund wave (i.e. dxs useful signal) reaches its voltage maximum, whereas, on the other hand, the gain factor decreases progressively the more the Time phase removed from this voltage maximum. As a control signal can be used at will the entire sinusoidal oscillation or this after one-way or full-wave rectification is used will.

Abb. 1' und 2 zeigen diese Vorgänge mit einem Zwecks Anschaulichkeit idealisierten Detektorsignal. Es ist leicht zu erkennen, daß man mit der Sinushalbwelle nach Finweggleichrichtung neben der Nutzfrequenzselektion noch zusätzlich einen Effekt des phasenabhängigen Gleichrichters erreicht, nämlich die Darstellung der richtigen Phase des verrrbeiteten Signals.Figs. 1 'and 2 show these operations for one purpose of clarity idealized detector signal. It is easy to see that one is dealing with the half sine wave after fin-way rectification, in addition to the usable frequency selection, an additional one Effect of the phase-dependent rectifier achieved, namely the representation of the correct phase of the processed signal.

Im folgenden werden noch Variationen der Erfindung beschrieben, welche die Form dcs verwendeten Steuersignnl.s betreffen: Variation I verwendet anstatt der Sinusschwingung oder der Sinushalbwellen Dreiecksschwingungen oder deren Halbwellen, d.ie vom Chorppergrundsignal abgeleitet sind und somit wieder frequenz- und phasengleich mit den. Nutzsignal sind. Variations of the invention are described below, which the form of the control signals used relate to: Variation I used instead the sinusoidal oscillation or the sinusoidal half-waves triangular oscillations or their half-waves, d.which are derived from the Chorppergrundsignal and thus again with the same frequency and phase with the. Are useful signal.

Mit dieser Variation erreicht man eine noch stärkere Dämpfung von Störsignalen in der Nähe der Nutzsignalfrequenz. Abb. 3.With this variation an even stronger damping of Interfering signals in the vicinity of the useful signal frequency. Fig. 3.

Variation II verwendet als Steuersignal frequenz- und phasengleiche Rechteckschwingungen verschiedener variabler Tastverhältnisse. Bei einem Tastverhältnis 1:1 entspricht der Effekt dem eines Breitbandverstärkers mit phasenabhängigem Gleichrichter. Wird das Tastverhältnis verkleinert, resultiert eine zunehmende Einengung der Bandbreite des Verstärkers, also eine zunehmende Selektivität gegenüber der Nutzfrequenz, die allerdings mit einer Abnahme des Effektivwertes des verarbeiteten Signals bezahlt werden muß. Variation II uses the same frequency and phase as the control signal Square waves of various variable duty cycles. At a duty cycle The effect corresponds 1: 1 to that of a broadband amplifier with a phase-dependent rectifier. If the duty cycle is reduced, the result an increasing Narrowing of the bandwidth of the amplifier, so an increasing selectivity the usable frequency, but with a decrease in the effective value of the processed Signals must be paid for.

(Abb. 4) Abb. 5 zeigt ein Schaltungsbeispiel , in dem des erfindungs gemäßse Prinzip der Signalverarbeitung realisiert ist, ohne daß allerdings die F.rfindung speziell an dieses Beispiel gebunden ist.(Fig. 4) Fig. 5 shows a circuit example in which the fiction is realized according to the principle of signal processing, but without the F.rfindung is specifically tied to this example.

Claims

P a t en t requests

8 Methods for Fast and Accurate Electronic Processing of signals from infrared-sensitive radiation detectors according to the alternating light method, h a d u r c h h e k e n n n z e i c h n e t that for the purpose of selective amplification the electrical signal emitted by the detector with a second electrical signal same or double frequency and same phase is multiplied.

(2) Method according to claim (1), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the analog multiplier according to claim (1) at least in one of two or more amplifier stages is used.

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