JP5507988B2 - 抵抗型赤外線センサ出力の増幅装置 - Google Patents

Description

本発明は、抵抗変化型２次元赤外線センサアレイからの出力増幅に対し、環境温度変化でのセンサ出力のドリフトによる増幅回路の飽和を防ぎ、安定した増幅を行う増幅装置に関する。

従来の抵抗型赤外線センサ出力の増幅方法として、ペルチェ素子等の温度コントロール素子を使いセンサ素子を一定の温度にコントロールし、環境温度変化によるセンサ出力の大きなドリフトを防止し、増幅回路の飽和を防ぎ一定の出力が得られるように温度コントロールを行っている。

抵抗型赤外線センサは測定物から放射される赤外線によるセンサ素子表面の温度変化による抵抗変化を検出し、電気的信号に変換して出力する。しかし、この測定物から放射される赤外線で変化するセンサ表面の温度変化は非常に小さく、たとえば、対象物の温度変化が１℃であったとすれば、センサ素子表面の温度変化は０．００１℃程度である。このとき、赤外線センサ素子表面の温度が赤外線入力以外の要因、特に環境温度で変動した場合、この変動が電気信号にドリフト信号として変換され増幅回路が飽和してしまう。そこで、常に赤外線センサ周辺の温度を一定にコントロールしてやる必要がある。しかし、センサ周辺部を一定の温度に維持するためには温度コントロール素子搭載による消費電流が増加し、また、装置のコストを押し上げる要因になるため温度コントロールを行わない方法が考案されている。
特開２０００−１３１１４８では外部からの赤外線を遮断した状態で撮像された画像データより温度ドリフト成分を抽出して補正をかける方法が考案されている。

特開２０００−１３１１４８号

上記従来の技術では環境温度が大きく変化してしまえば、補正データを取得するための増幅回路が簡単に飽和してしまい、温度ドリフト成分を抽出できなきなってしまう問題がある。

本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたものであり、環境温度が大きく変化するような環境下であっても、センサ周辺温度を一定にコントロールすることなく、増幅回路の飽和を防ぎ、センサ出力信号を増幅する増幅装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の赤外線センサ出力の増幅装置は次の手段を提供する。
赤外線センサからの赤外線入力による出力は第一段増幅回路に入力し、第一段増幅回路は環境温度変化によって出力される赤外線センサからのドリフト信号によって飽和することがないように増幅度が設定されている。
この第一増幅回路からの出力は減算回路へ入力し、ＣＰＵからのデータをＤ／Ａ変換した値を減算回路で減算処理した後、第２増幅回路に入力する。第２増幅回路の出力はＡ／Ｄ変換されＣＰＵで読み取られる。ＣＰＵは第２増幅回路の出力を基準となるフレームデータと比較演算を行い、差分があった場合、差分データを次のフレームで減算処理するように演算処理し、Ｄ／Ａを介して減算回路に減算データを出力し、常に第２増幅回路の出力が一定となるようにＣＰＵで補正を行い、読み取った第２増幅回路からの出力データに減算データの加算処理を行う赤外線センサ出力の増幅装置。

測定物から放射される赤外線で変化するセンサ表面の温度変化は非常に小さく、たとえば、対象物の温度変化が１℃であったとすれば、センサ素子表面の温度変化は０．００１℃程度である。仮に、環境温度が１℃変化すれば、一定温度に温度制御を行っていないセンサの場合、センサ素子表面の温度も１℃変化し、センサ素子からの出力は測定物の温度が１℃変化した信号に対し１０００倍もの温度ドリフト信号を含んだものになってしまう。
このような状態では従来の技術での増幅回路は簡単にドリフト信号で飽和してしまう。
本発明によれば、ペルチェ素子等で赤外線センサ周辺を温度コントロールすることなく、ドリフト信号を含んだ赤外線センサからの出力信号であっても、飽和することなく増幅を行うことができ、温度コントロール素子の搭載に起因する消費電流の増加、製造コストの増加の問題を解決できる。

本考案の形態を説明する図

実施の形態、以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。信号についてはデジタル出力、アナログ出力と混在しているが、値については同等として説明をする。
赤外線センサからのｎフレームの出力１００は第一増幅回路１で増幅され出力１０１となり、減算回路２でＤ／Ａ６からの出力１０６を減算し、出力１０２となり、第２増幅回路３で増幅され信号１０３となる、この信号１０３はＡ／Ｄ４でアナログデジタル変換し、デジタル信号１０４をＣＰＵ５に出力する。ＣＰＵ５は記憶しておいた基準フレームデータと比較演算処理を行い、差分データから第二増幅回路の増幅度を除算したものをｎ＋１読み込み時の減算データとしてＤ／Ａ６に出力し、差分データを加えｎフレーム赤外線センサ信号データとして出力１０７を出力する。
ここで、第一増幅回路１の増幅度をＧ１、第二増幅回路３の増幅度をＧ２とし、順次読み込んでいく赤外線センサからの出力ｎ番目フレームを基準フレームとし、赤外線センサ信号１００の値をＡとすれば、第一増幅回路から出力される信号１０１はＧ１×Ａとなる。ｎ番目のフレームは基準フレームであるから、減算回路２に入力する減算信号１０６は０であり、減算回路２からの出力１０２を第２増幅回路３で増幅した出力１０３をＡ／Ｄ４で変換した出力１０４はＧ１×Ｇ２×Ａとなる。次にＣＰＵは基準となるｎフレーム減算値演算用データとしてＧ１×Ｇ２×Ａを記憶し、Ｇ１×Ｇ２×Ａの値に差分データを加えｎフレームセンサ信号データ１０７として出力する。ｎフレームは基準フレームであるため差分は０である。

実施の形態、以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。信号についてはデジタル出力、アナログ出力と混在しているが、値については同等として説明をする。
赤外線センサからのｎフレームの出力１００は第一増幅回路１で増幅され出力１０１となり、減算回路２でＤ／Ａ６からの出力１０６を減算し、出力１０２となり、第２増幅回路３で増幅され信号１０３となる、この信号１０３はＡ／Ｄ４でアナログデジタル変換し、デジタル信号１０４をＣＰＵ５に出力する。ＣＰＵ５は記憶しておいた基準フレームデータと比較演算処理を行い、差分データから第二増幅回路の増幅度を除算したものをｎ＋１読み込み時の減算データとしてＤ／Ａ６に出力し、差分データを加えｎフレーム赤外線センサ信号データとして出力１０７を出力する。
ここで、第一増幅回路１の増幅度をＧ１、第二増幅回路３の増幅度をＧ２とし、順次読み込んでいく赤外線センサからの出力ｎ番目フレームを基準フレームとし、赤外線センサ信号１００の値をＡとすれば、第一増幅回路から出力される信号１０１はＧ１×Ａとなる。ｎ番目のフレームは基準フレームであるから、減算回路２に入力する減算信号１０６は０であり、減算回路２からの出力１０２を第２増幅回路３で増幅した出力１０３をＡ／Ｄ４で変換した出力１０４はＧ１×Ｇ２×Ａとなる。次にＣＰＵは基準となるｎフレーム減算値演算用データとしてＧ１×Ｇ２×Ａを記憶し、Ｇ１×Ｇ２×Ａの値に差分データを加えｎフレームセンサ信号データ１０７として出力する。ｎフレームは基準フレームであるため差分は０である。
次にフレームｎ＋１を読み込み時、赤外線センサからの信号１００の値Ａにドリフト信号Ａｄ１が重畳された場合、１つ前のｎフレームは基準フレームであり減算信号は０であるから、第２増幅回路３の出力１０３はＧ１×Ｇ２×（Ａ＋Ａｄ１）となる。この値と記憶しておいた基準ｎフレーム減算値演算用データＧ１×Ｇ２×（Ａ）と比較演算し、差分Ｇ１×Ｇ２×Ａｄ１を得る。そして、Ｇ１×Ｇ２×（Ａ＋Ａｄ１）にｎ＋１フレームを読み込むときに減算処理した差分データ０を加え赤外線センサｎ＋１フレーム信号データ１０７としてＧ１×Ｇ２×（Ａ＋Ａｄ１）を出力する。
次のｎ＋２フレームを読み込む際ＣＰＵ５はｎ＋１フレームで得られた差分Ｇ１×Ｇ２×Ａｄ１を第２増幅回路３の増幅度Ｇ２で割った値Ｇ１×Ａｄ１をＤ／Ａ６に出力１０５として出力する。Ｄ／Ａ６は信号１０５をデジタルアナログ変換し減算信号１０６を出力する。ｎ＋２フレームにさらにドリフト信号Ａｄ２が重畳された場合、赤外線センサからの出力信号１００はＡ＋Ａｄ１＋Ａｄ２となり、ＣＰＵ５は減算回路でＧ１×Ａｄ１を減算したｎ＋２フレームの減算回路２からの出力信号１０２を第２増幅回路３で増幅した出力１０３をＡ／Ｄ４でアナログデジタル変換したデータＧ１×Ｇ２×（Ａ＋Ａｄ２）を得る。ＣＰＵ５はこの出力データに減算値を求めるために算出した差分Ｇ１×Ｇ２×Ａｄ１を加え、赤外線センサｎ＋２フレーム信号データ１０７としてＧ１×Ｇ２×（Ａ＋Ａｄ１＋Ａｄ２）を出力する。同時に、ｎフレーム減算値演算用データＧ１×Ｇ２×Ａと比較演算を行いｎ＋３フレームデータ取得時の減算データＧ１×Ｇ２（Ａｄ１＋Ａｄ２）／Ｇ２を得る。

このような処理を繰り返すことによって、赤外線センサ出力に重畳されていくドリフト信号がＡ，Ａ＋Ａｄ１、Ａ＋Ａｄ１＋Ａｄ２、Ａ＋Ａｄ１＋Ａｄ２＋Ａｄ３と重畳されていった場合でも、減算処理を行うことにより第２増幅回路に入力される信号はＧ１×（Ａ）、Ｇ１×（Ａ＋Ａｄ１），Ｇ１×（Ａ＋Ａｄ２）、Ｇ１×（Ａ＋Ａｄ３）、となり第２増幅回路の飽和を防止しながら増幅を行うことができ、減算データを加算処理することによって、Ｇ１×Ｇ２×（Ａ），Ｇ１×Ｇ２×（Ａ＋Ａｄ１）、Ｇ１×Ｇ２×（Ａ＋Ａｄ１＋Ａｄ２）、Ｇ１×Ｇ２×（Ａ＋Ａｄ１＋Ａｄ２＋Ａｄ３）とドリフト信号を含んだ場合でもデータの欠落することなく赤外線センサ出力を増幅した値を得ることができる。
赤外線センサからの出力電圧を１μＶとしたとき、温度が１℃変化すればその１０００倍の１ｍＶがドリフト信号として重畳され１０万倍の増幅回路で増幅すれば、ドリフト信号だけで１００Ｖになり、増幅器が飽和してしまい、正しい値を得ることができない。しかし、本発明で１段目増幅を１０００倍、２段目を１００倍の１０万倍の増幅回路とすれば、赤外線出力１μＶにドリフト信号１ｍＶが重畳された場合、第一増幅回路の出力は１ｍＶ＋１Ｖとなり、この１Ｖは減算回路で減算処理され、１ｍＶが第２増幅回路で増幅され０．１Ｖの出力をだす。ＣＰＵは減算した１Ｖに第２増幅回路の増幅度１００を乗算し増幅した赤外線信号１００．１Ｖを得ることができる。

１ 第一増幅回路
２ 減算回路
３ 第２増幅回路
４ Ａ／Ｄ変換機
５ 演算装置ＣＰＵ
６ Ｄ／Ａ変換機
１００ 赤外線センサからのアナログ出力信号
１０１ 第１増幅器からのアナログ増幅信号
１０２ 減算回路からアナログ出力
１０３ 第２増幅回路からの増幅信号
１０４ Ａ／Ｄ変換機からのデジタルデータ
１０５ 演算装置ＣＰＵからのデジタルデータ
１０６ Ｄ／Ａ変換機からのアナログ信号

Claims (1)

1. 温度制御されていない抵抗変化型赤外線センサからの出力データの環境温度変化等による温度ドリフトでの増幅回路の飽和を防ぐ増幅装置であって、第１の増幅回路と第２の増幅回路との間に減算回路を持ち、順次読み込んで行くセンサ出力の第ｎフレームを基準フレームとし、基準フレームの第２増幅回路の出力をＡ／Ｄ変換し、その値を基準データとして記憶、ｎ＋１フレーム読み込み時の第２増幅回路の出力値と比較演算をＣＰＵで行い、環境温度の変化で差分が発生した場合、減算回路で減算する値をＣＰＵで演算し、次のｎ＋２フレームを読みこむ際、Ｄ／Ａでアナログ信号に変換し、減算回路に入力しフレームｎからフレームｎ＋１の間に発生したドリフトを減算回路で減算、温度ドリフトで第２増幅回路が飽和しないようにし、第２増幅回路から得られた信号をＡ／Ｄ変換したデータに対してフレームｎとフレームｎ＋１の差分を加算処理してｎ＋２フレームの増幅した赤外線センサ信号データとして出力し、ｎ＋３以降のフレームデータについては加算処理を行ったデータと基準フレームとの差分データを減算データとして使用することを特徴とする赤外線センサ信号の増幅装置。

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