DE2801347B2 - Schaltungsanordnung zur Kompensation des Einflusses von Temperaturschwankungen auf das Ausgangssignal eines optischen Halbleiterstrahlungsdetektors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Ein an Spannung liegender Strahlungsdetektor erfährt bei Lichteinfall eine Stromänderung, die dem durch ihn bei Dunkelheit durchfließenden Dunkelstrom überlagert ist. Bei einer Modulation in Form eines Wechsellichteinfalles geschieht die Überlagerung .in Form eines Wechselstromes.

Das Detektorsignal besteht demnach aus den Komponenten

Dunkelstrom / = (T)und
Wechselstrom I ~ (T).

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In Strahlungsdetektoren auf Halbleiterbasis sind sowohl der Dunkelstrom I -(T) als auch der durch das Wechsellicht hervorgerufene Wechselstrom / ~(T) temperaturabhängig. Dabei beeinflussen Temperaturänderungen die Empfindlichkeit der Strahlungsdetektoren auf das Wechsellicht, in deren Folge sich temperaturabhängige Amplitudenschwankungen ergeben. Beispielsweise wird bei Halbleiterdetektoren das Wechselstromsignal mit steigender Temperatur kleiner. Damit wird die Genauigkeit des Meßsystems oft erheblich eingeschränkt.

Ein bekannter Strahlungsdetektor besitzt zur Kompensierung des Einflusses der Umgebungstemperatur neben dem Meßfühler aus einem Halbleitermaterial einen Bezugsfühler aus dem gleichen Halbleitermaterial. Die beiden Meßfühler mit der gleichen steilen Kennlinie werden durch eine Heizung auf einem Temperaturarbeitspunkt gehalten, der auf dem Mittelwert des steilen Teiles der Kennlinie lie£t. Damit soll die maximal mögliche Ansprechempfindlichkeit erreicht werden. Die t>o Temperatur der Meßfühler wird dabei in einem Regelkreis geregelt, in dem der Bezugsmeßfühler den Istwertgeber bildet. Er liefert dem Regelkreis die herrschende Umgebungstemperatur. Bei einem Abfall dieser Temperatur unter den Wert, bei dem die maximale Temperaturabhängigkeit der Meßfühler vorliegt, wird mit dem Regelkreis über eine Heizeinrichtung eine Aufheizung vorgenommen und damit die Einstellung der Temperatur auf den vorbestimmten Wert vorgenommen. Nachteilig ist die notwendige Aufheizung der Meßfühler vor Meßbeginn und die fehlende Möglichkeit der Feststellung der Erreichung der Arbeitstemperatur. Bei der hohen Temperaturempfindlichkeit der Meßfühler muß der Arbeispunkt genau eingehalten werden. Die Genauigkeit der Heizungsregelung geht entscheidend in das Meßergebnis ein. Die erforderliche Heizeinrichtung mit der Steuerung vergrößert das Gerät und verlangt eine geeignete Energieversorgung (DE-PS 19 64 190).

Bei einem weiteren bekannten Infrarot-Gasanalysator mit Transistorverstärker erfolgt die Kompensation der temperaturbedingten Änderung der Detektorempfindlichkeit dadurch, daß ein in der Nähe des Detektors im selben Gehäuse angeordneter Thermistor von der jeweiligen Umgebungstemperatur des Detektors beeinflußt wird und iich dadurch seine elektrischen Eigenschaften ändern. Der Thermistor ist als Shunt in den Rückkopplungszweig des Verstärkers eingefügt und ändert die Verstärkung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur des Detektors. Mit der vorhandenen räumlichen Anordnung des Thermistors ist dieser jedoch nur imstande, die allgemeine Umgebungstemperatur des Detektors zu erfassen, die von der wirklichen Temperatur des Detektors abweichen kann (J. Sei. Instrum, 1964, Seiten 732-735).

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs genannten Art, durch welche die Temperaturabhängigkeit ohne zusätzliche Temperaturmeß- und Regeleinrichtungen ausgeglichen wird.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs.

Die Vorteile dieser Lösung werden im wesentlichen darin deutlich, daß der Temperaturgang sowohl für den Dunkelstrom als auch für den Wechselstrom im gleichen System, nämlich dem Detektorkristall, entsteht. Damit ist ein eventueller Fehler zwischen der Signalquelle und einem Temperaturaufnehmer nicht möglich. Die Temperaturkompensation erfolgt ohne zeitliche Verschiebung. Die temperaturabhängige Änderung des Dunkelstromes ist das Maß für die Temperatur, sie wird als Stellgröße zur Korrektur des Wechselstromes verwendet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung im folgenden beschrieben. Dabei zeigen in schematischer Darstellung die

Fig. 1 die Abhängigkeit des Dunkelstromes I=(T) von der Temperatur,

F i g. 2 die Abhängigkeit des Wechselstromes /~ (T) von der Temperatur,

Fig.3 die Abhängigkeit der temperaturabhängigen Größen /=(T?und /~ (^voneinander,

F i g. 4 ein Blockschaltbild zur Temperaturkompensation.

Die Modulation des Gleichlichteinfalls durch Zerhakken gibt die Möglichkeit, den Signalstrom als Wechselstrom f~ (T) vom Dunkelstrom I=(T) als Gleichstrom zu unterscheiden.

Für das Beispiel wird ein PbSe-Detektor zugrunde gelegt. Die Fig. 1 zeigt den Dunkelstrom I=(T) in Abhängigkeit von der Temperatur 7; die Fig. 2 die Abhängigkeit des Wechselstromes I-(T) von der Temperatur T bei konstanter Intensität des Wechsellichtes.

Die F i g. 3 zeigt den temperaturabhängigen Wechselstrom l~(T)'m Abhängigkeit vom temperaturabhängi-

gen Dunkelstrom I=(T). Dabei ergibt sich für die venvendeten PbSe-Detektoren in guter Näherung ein linearer Zusammenhang zwischen I~(T)\ind I=(T). Die Gerade hat die Neigung

C =

zur Abszisse Dunkelstrom I=(T).

Mit BaIs Dunkelstrom /= bei der Abgleichtemperatür und Dais Wechselstrom /~ bei der Abgleichtemperatur ergibt sich mit der Neigung C:

/ ~ (T)
Damit ist

(1)

Der korrigierte (temperaturunabhängige) Meßstrom ist /·*. Er entsteht aus dem temperaturabhängigen Wechselstrom /~ (T) dividiert durch den Temperaturfaktor Q(T)

/* - i~m

Q(T) ■
Damit ist aus (1)

_lJt _ P + C · [/ = (T) - B]

(2)

Für die Abgleichtemperatur ist

/* = D,
daraus

D = —-

Q(T)

(3)

(4)

(5)

Q(T) =

D + CjI ={T)- B]
D

Mit dem bekannten Wert A*=-z-, der beim Abgleich

aus den PbSe-Detektorsignalen gewonnen wird, ergibt sich der Temperaturfaktor mit

Q(T) = I +

Als temperaturabhängige Größe enthält die Gleichung (7) nur den Dunkelstrom /= (T).

Mit der Messung des Wechselstromes l~(T) und des Dunkelstromes I=(T) läßt sich damit über Q(T) der temperaturunabhängige Meßstrom

Q(T)

bestimmen.

Das Blockschaltbild, Fig.4, zeigt die Temperaturkompensation für den PbSe-Detektor.

Das von dem Strahlungsdetektor 1 kommende Ausgangssignal wird von der Trennstufe 2 in den temperaturabhängigen Dunkelstrom /= (T) und den aus der modulierten Strahlung entstandenen temperaturabhängigen Wechselstrom I-(T) zerlegt. Aus dem Dunkelstrom I=(T)w\rd in der Rechenschaltung 3 der Temperaturfaktor

Q(T) = 1 + A ■ [/ = (T) - ß]

als Korrektursignal gebildet und dem Dividierer 4 zugeleitet. In diesem wird der gleichfalls anliegende Wechselstrom I-(T) durch das Korrektursignal dividiert. Das am Ausgang anstehende Meßstromsignal

Q(T)
ist temperaturunabhängig.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Schaltungsanordnung zur Kompensation des Einflusses von Temperaturschwankungen auf das Ausgangssignal eines optischen Halbleiterstrahlungsdelektors, der mit einer gechoppten Meßstrahlung beaufschlagt ist und bei dem das Verhältnis temperaturbedingter Änderungen des im Ausgangssignal enthaltenen Wechselstrom- und Dunkel- .„ Stromanteils konstant ist ge ken ti ze ich net '" durch

   a) eine dem Strahlungsdetektor (1) nachgeschaltete Trennstufe (2) zur Zerlegung des Ausgangssignals in seinen Wechselstromanteil und seinen Dunkelstromanteil,

   b) eine Rechenschaltung (3) zur Ermittlung eines temperaturabhängigen Korrektursignals aus dem Dunkelstromanteil sowie aus vorgegebenen Materialkonstanten des Strahlungsdetektors(l),

   c) einen Dividierer (4) zur Bildung des Quotienten des Wechselstromanteils und des Korrektursignals.

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