具有零點溫度補償的紅外熱釋電傳感電路的制作方法

本實用新型涉及紅外熱釋電傳感器，特別是涉及一種具有零點溫度補償的紅外熱釋電傳感電路。

背景技術：

紅外熱釋電傳感器廣泛用于消防、化工氣體的檢測并智能量化顯示氣體參數、紅外檢測報警、紅外遙控、光譜分析等領域。實際工作中由于傳感器的工作環境溫度變化較大，又由于溫度變化引起傳感器的熱輸出較大，將會帶來較大的測量誤差。同時，溫度變化影響零點大小，繼而影響到傳感器的靜態特性，所以必須采取措施以減少或消除溫度變化帶來的影響，即必須進行零點溫度補償。

美國著名的傳感器公司Kulite公司就基于相關的補償方法研制出了一套溫度補償系統，并已經應用于生產，但是這個系統跟一臺專用的計算機捆綁銷售，而且其價格十分昂貴，每臺售價大約要35萬美元。在國內，近年來在這方面的理論研究也取得了很大進步。如沈陽儀器儀表工藝研究所在國內首次解決了擴散硅力敏芯片的零點溫度自補償工藝，但是都是苦于沒有一個精確的、可方便的應用于生產實踐數學模型來計算補償電阻的大小，難以實現在生產線上快速自動的補償，效率不高。改善傳感器結構，可以減小時間常數，降低溫度梯度的影響，但是無法完全消除。

目前紅外熱釋電傳感器的溫度補償方法過于昂貴，且補償效果并不夠理想，急需一種具有零點溫度補償的紅外熱釋電傳感電路。

技術實現要素：

本實用新型的第一目的在于克服現有技術之不足，提供能夠有效零點溫度補償紅外熱釋電傳感器，使得紅外熱釋電傳感器的測量結果更為精確，且價格便宜的一種具有零點溫度補償的紅外熱釋電傳感電路。

本實用新型的第二目的在于提供一種具有零點溫度補償的紅外熱釋電傳感電路信號轉換處理方法。

本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種具有零點溫度補償的紅外熱釋電傳感電路，包括第一熱釋電探測元、前置放大器、后置放大模塊，所述前置放大器包括場效應管，所述紅外熱釋電傳感電路還包括第二熱釋電探測元，所述第二熱釋電探測元與第一熱釋電探測元并聯，所述第二熱釋電傳感器與第一熱釋電傳感器極性相反、特性一致，且第二熱釋電傳感器不響應紅外光。

進一步的，所述具有零點溫度補償的紅外熱釋電傳感電路的場效應管的源極電阻小于或等于100Kohm。

進一步的，所述具有零點溫度補償的紅外熱釋電傳感電路的場效應管的源極電阻小于或等于47Kohm。

進一步的，所述具有零點溫度補償的紅外熱釋電傳感電路的場效應管的門電阻大于或等于8Gohm且小于或等于10Gohm。

進一步的，所述具有零點溫度補償的紅外熱釋電傳感電路的后置放大模塊包括電流運算放大器OP1177或OPA227。

采用本實用新型進行信號轉換處理的方法，包括至少三個轉換步驟：

1)輻射通量為ΔΦ的調制輻射光到達第一熱釋電探測元，第一熱釋電探測元將輻射通量ΔΦ轉化為溫度變化ΔT；

2)第一熱釋電探測元將溫度變化ΔT處理轉換為電荷密度變化ΔQ；

3)前置放大器將第一熱釋電探測元產生的電荷密度變化ΔQ處理轉換成電壓信號輸出Δu。

與現有技術相比較，本實用新型的有益效果是：

本實用新型的具有零點溫度補償的紅外熱釋電傳感電路，能夠有效地對紅外熱釋電傳感探測元零點溫度補償，使得傳感器的測量結果更為精確，且價格便宜。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例紅外熱釋電傳感電路圖；

圖2為本實用新型實施例溫度補償電路與傳統非電路受溫度梯度影響比較；

圖3為本實用新型實施例溫度補償電路與傳統非溫度補償電路對瞬變溫度響應比較。

具體實施方式

以下結合實施例對本實用新型作進一步詳細說明。

參見圖1，所述具有零點溫度補償的紅外熱釋電傳感電路，包括第一熱釋電傳感器60及第二熱釋電傳感器60’，所述第二熱釋電傳感器60’與第一熱釋電傳感器并聯，且第二熱釋電傳感器60’與第一熱釋電傳感器60的極性相反，特性一致。其中第一熱釋電探測元60作為工作元件，第二熱釋電探測元60’作為補償元件，可采用遮紅外光元件完全遮蔽第二熱釋電探測元60’使其不響應紅外光，或采用阻擋紅外光涂層設于第二熱釋電探測元60’外表面使其不響應紅外光，只是作為一個有效電容工作，當傳感器殼體溫度發生變化時，第一熱釋電傳感器60和第二熱釋電探測元60’由此產生的干擾信號會相互抵消，因此能夠提高傳感器的溫度穩定性。

第一熱釋電探測元60與第一熱釋電探測元60’并聯后接于前置放大器的前端，前置放大器由一個高內阻的場效應管T1源極跟隨器構成，通過阻抗變換，將第一熱釋電探測元60微弱的電流信號轉換為有用的電壓信號輸出。場效應管T1的柵極連接門電阻R1，場效應管T1的源極接有源極電阻R_S，電壓增益A_V與場效應管在工作點的跨導g_fs和源極電阻R_S有關，按下式計算：

由公式(1)可知，增大源極電阻R_S，或減小漏極電流可以提高前置放大器的電壓增益A_V。但是增大源極電阻R_S的同時，輸出電阻會變大，從而導致漏極電壓升高，當源極電阻R_S達到100Kohm時，漏極電壓會升高到15V，因此源極電阻R_S不應過大，一般不超過100Kohm，優選的源極電阻R_S一般不超過47Kohm。增大電壓增益A_V能降低溫度對跨導g_fs的影響，提高電壓增益A_V的溫度穩定性。

門電阻R1阻值越小的熱釋電傳感電路穩定性越高，但是，門電阻R1阻值的平方根與噪聲成反比，當門電阻R1的阻值減小時，熱釋電傳感電路的噪聲會同時增大。例如，當我們通過減小門電阻R1的阻值使熱釋電傳感器的穩定性提高到原來的9倍時，熱釋電傳感器的探測率也會降至原來的三分之一。門電阻R1的阻值優選大于等于8Gohm且小于或等于10Gohm，該門電阻的阻值范圍能夠兼顧熱釋電傳感器穩定性及探測率。

本實用新型的后置放大模塊包括電流運算放大器L，所述運算放大器采用OP1177或OPA227，OP1177型號運算放大器L具有極低失調電壓和漂移、低輸入偏置電流、低噪聲及低功耗特點，運算放大器L對前置放大器的輸入結果進行放大。電阻R2的阻值大小為10Kohm，電容C1的容值為22μF，電容C2的容值為100nF，電容C3的容值為100nF。

熱釋電傳感器電路的信號處理轉換可以概述為三個步驟：

1)輻射通量為ΔΦ的調制輻射光到達第一熱釋電探測元60，輻射通量ΔΦ被第一熱釋電探測元60表面吸收后，產生溫度變化ΔT；

2)第一熱釋電探測元60將溫度變化ΔT轉化為電荷密度變化ΔQ；

3)電荷密度變化ΔQ通過前置放大器轉換為電壓信號Δu輸出；

熱轉換階段產生的轉換溫差ΔT越大，傳感器的響應率和信噪比越高。

參見圖2，溫度補償型和非溫度補償型熱釋電傳感電路在溫度梯度的作用下偏置電壓的變化不同，所述溫度補償型熱釋電傳感電路包括的第一熱釋電探測元60及與其并聯的用于溫度補償的第二熱釋電探測元60’，所述非溫度補償型熱釋電傳感電路不包括用于溫度補償的第二熱釋電探測元60’。從圖2中可以看出，增加了第二熱釋電探測元60’作為溫度補償元件后，第一熱釋電探測元60的偏置電壓幾乎不受溫度梯度的影響。

參見圖3，溫度瞬變的條件下，溫度補償型和非溫度補償型熱釋電傳感電路的階躍響應曲線不同，所述溫度補償型熱釋電傳感電路包括的第一熱釋電探測元60及與其并聯的用于溫度補償的第二熱釋電探測元60’，所述非溫度補償型熱釋電傳感電路不包括用于溫度補償的第二熱釋電探測元60’。從圖3中可以看出，當環境溫度從25℃快速升高到40℃時，非溫度補償型熱釋傳感電路的第一熱釋電探測元60的偏壓躍變非常大，與之相比，溫度補償型熱釋電傳感電路的第一熱釋電探測元60的階躍響應很小，恢復時間也短得多。需要注意的是，由于加工誤差的原因，傳感器的階躍響應可能為正也可能為負。

綜上，本實用新型的溫度補償型熱釋電傳感電路基本不受溫度影響，在溫度瞬變的條件下也能比較快的恢復，第二熱釋電探測元60’能夠有效補償溫度對第一熱釋電探測元60造成的影響，從而保證采集信號的精確性，且本實用新型的溫度補償型熱釋電傳感電路價格便宜。