一種PbS紅外探測(cè)器電制冷自整定恒溫控制電路的設(shè)計(jì)

張偉 張建尹 德有 霍亮??

摘要：本文介紹了一種應(yīng)用于電制冷PbS紅外探測(cè)器的自整定恒溫控制電路的設(shè)計(jì)方法。由于PbS探測(cè)器特性使得溫度變化直接影響其本身的探測(cè)效率，因此對(duì)于紅外探測(cè)器的溫度控制尤為重要。本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)PbS探測(cè)器溫度自動(dòng)檢測(cè)整定并調(diào)整探測(cè)器電制冷控制電壓，形成閉環(huán)控制，提高了控制響應(yīng)速度和輸出穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：PbS；電制冷；自整定；恒溫控制；穩(wěn)定性

A design of selftuning constant temperature control circuit

for electric refrigeration PbS infrared detector

ZhangWeiZhangJianYinDeYouHuoLiang

LiaoNingDanDong.DongFangCeKongLiaoNing DanDong 118000[WT]

Abstract：This paper introduces a method of the selftuning constant temperature control circuit applied to electric refrigeration PbS infrared detectors. Due to the performance of PbS detectors， the temperature changes can directly affect the detection efficiency of themselves， so the temperature control is particularly important to the infrared detectors. This design can realize the automatic detection and settingof the PbS detectors temperature， and adjusttheelectric refrigeration control voltage of detectors， to form a closedloop control which improves theresponse speed and output stability.

Key words：PbS；Electric refrigeration；selftuning；temperature control；stability

1 概述

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外線應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，不光在軍事領(lǐng)域，民用領(lǐng)域也越來越重視紅外線的應(yīng)用。PbS探測(cè)器是一種針對(duì)紅外線檢測(cè)的探測(cè)器，現(xiàn)今已經(jīng)在工業(yè)檢測(cè)儀表，食品檢測(cè)，圖像處理，醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

PbS探測(cè)器是一種對(duì)溫度變化非常敏感的器件，由于其探測(cè)效率隨溫度的升高而降低，因此保證探測(cè)器的恒溫對(duì)于檢測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定性和分辨率有重要影響。目前針對(duì)電制冷PbS探測(cè)器的溫度控制基本都是電制冷恒壓控制的開環(huán)方式，這種方式不能處理由于環(huán)境溫度變化和紅外線光源對(duì)于探測(cè)器長(zhǎng)時(shí)間照射引起的溫度變化而帶來的探測(cè)效率的不穩(wěn)定性，并且由于其溫度變化率較快，用數(shù)控方式存在滯后現(xiàn)象。本文介紹的是一種基于模擬電路快速響應(yīng)的自整定恒溫電路的設(shè)計(jì)方法，并已得到應(yīng)用。

2 PbS探測(cè)器

本文使用的是一級(jí)電制冷PbS探測(cè)器，帶有內(nèi)部溫敏反饋電阻。PbS探測(cè)器是一種對(duì)溫度非常敏感的器件，如圖1所示，其探測(cè)器效率隨溫度的升高而降低，根據(jù)曲線圖和實(shí)際應(yīng)用，最佳適應(yīng)工作溫度為0℃到5攝氏度。如圖2，圖3所示，一級(jí)制冷PbS探測(cè)器的電制冷特性其工作電壓為0到0.8V，工作電流小于1.4A，而對(duì)應(yīng)0℃的工作電壓為0.5V，0.5A左右。

3 電路設(shè)計(jì)

3.1溫度自整定電路

一級(jí)電制冷PbS探測(cè)器帶有內(nèi)部的溫敏反饋電阻，其阻值隨溫度的變化而變化，如圖4所示，J13，J14為PbS探測(cè)器溫敏電阻端口，將溫敏電阻引入橋式電阻電路中，其中R28是探測(cè)器溫敏電阻的溫度匹配電阻，即阻值是設(shè)定溫度的阻值，R5是運(yùn)算放大器的放大電阻，用于控制探測(cè)器電制冷響應(yīng)時(shí)間和控制精度。當(dāng)探測(cè)器溫度大于設(shè)定溫度時(shí)，運(yùn)算放大器輸入偏差為正，經(jīng)過輸出正向放大電壓，反之，輸出負(fù)電壓。

3.2 制冷控制

如圖5所示，J1D為制冷片供電電壓輸入，R31為限流保護(hù)電阻，J14，J1E為PbS探測(cè)器制冷電壓輸出端。R11和R10構(gòu)成控制電壓反饋電路，Q1，Q4，Q7構(gòu)成制冷電壓輸出緩沖器， R1為PbS探測(cè)器制冷器匹配電阻。當(dāng)前端運(yùn)算放大器輸出正向電壓時(shí)，Q7三極管導(dǎo)通，Q1，Q4構(gòu)成并聯(lián)電路，即R1與PbS探測(cè)器制冷器為并聯(lián)狀態(tài)，R1為功率電阻，其阻值與PbS探測(cè)器的制冷器阻值相匹配，由于R1阻值與制冷器的阻值相近，可以通過測(cè)試R1兩端電壓測(cè)得制冷器的電流；當(dāng)前端運(yùn)算放大器輸出負(fù)向電壓時(shí)，Q7截止，無電流經(jīng)過PbS探測(cè)器，而電流可經(jīng)過R1向另一個(gè)PbS探測(cè)器的制冷器供電。

4 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

本文作者將此設(shè)計(jì)應(yīng)用到紅外線紙張水分檢測(cè)系統(tǒng)中，使用紅外線斬波光源，經(jīng)過平行光路，照射到紙張后，經(jīng)過平行光路，由3路紅外探測(cè)器接收信號(hào)，3路PbS探測(cè)器信號(hào)通過信號(hào)處理電路，進(jìn)入上位機(jī)A/D采集卡，并在主機(jī)中顯示器電壓變化。如圖6所示原理圖。

如圖7所示，縱軸代表幅值，粉色線代表溫度，紅色，藍(lán)色，黑色線代表3路PbS探測(cè)器的采樣信號(hào)幅值。由于PbS探測(cè)器制冷電壓使用固定輸出，造成探測(cè)器溫度隨環(huán)境溫度變化受到影響，因此造成其信號(hào)輸出不穩(wěn)定。而圖8為使用自整定恒溫控制的探測(cè)器信號(hào)，前后對(duì)比可知，由于增加了自整定恒溫控制電路，PbS探測(cè)器的信號(hào)變化不受環(huán)境溫度的變化影響，輸出更加穩(wěn)定。

在實(shí)際測(cè)試中，PbS探測(cè)器信號(hào)還受到光源，斬波器的輸出穩(wěn)定性等因素影響，但是溫度變化帶來的影響是最大的，從采樣顯示的結(jié)果顯示，在未使用自整定恒溫控制電路時(shí)，由于制冷器受固定輸出電壓控制，不能很好的適應(yīng)環(huán)境溫度變化，因此造成采樣信號(hào)的不穩(wěn)定，影響了檢測(cè)儀表的精度和穩(wěn)定性；通過實(shí)驗(yàn)分析，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的自整定恒溫控制電路能夠很好的消除環(huán)境溫度變化對(duì)探測(cè)器的影響，而且由于使用的是模擬電路，避免了使用數(shù)控調(diào)整帶來的滯后效應(yīng)，很好的適應(yīng)了PbS探測(cè)器的溫度敏感特性。

5 結(jié)語

PbS探測(cè)器是目前流行的一種低成本紅外線探測(cè)器，在民用領(lǐng)域中得到了越來越多的應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)的自整定恒溫控制電路提高了PbS探測(cè)器溫度適應(yīng)性，從而提高了產(chǎn)品的精度和穩(wěn)定性，另外應(yīng)當(dāng)注意的是在電路中的散熱問題，這是由于三極管和功率電阻的上通過的電流造成熱效應(yīng)而導(dǎo)致的，在實(shí)際應(yīng)用中，建議三極管使用鋁制散熱片導(dǎo)熱和對(duì)功率電阻的散熱，最好能夠保證儀表殼體的內(nèi)部恒溫，以便能夠更好的保證探測(cè)器的穩(wěn)定性和精度。

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