周雷剛,梁 庭,高利聰
(1.儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051;2.電子測試技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051)
紅外技術(shù)在夜視儀、防火防爆、自動控制等領(lǐng)域獲得了飛速的發(fā)展。利用紅外技術(shù)對瓦斯、乙烯、氫氣等氣體濃度的檢測發(fā)展很快,利用MEMS技術(shù)制成的熱釋電紅外探測器測量的氣體信號經(jīng)常十分微弱,且容易受到背景噪聲、光照強(qiáng)弱、電磁干擾的影響,容易被噪聲淹沒[1]。為很好實(shí)現(xiàn)對微弱信號的檢測和處理,依據(jù)設(shè)計的檢測放大電路應(yīng)具有很高的信噪比的要求,設(shè)計了新型的具有低噪聲、低功率、高增益的處理電路,并依此研制了具有響應(yīng)速率快、靈敏度高的測量甲烷濃度的氣體傳感器。
整個系統(tǒng)的工作過程如圖1所示。
圖1 熱釋電紅外傳感器信號處理流程圖
用控制器發(fā)出1個方波信號,經(jīng)過光耦隔離和穩(wěn)流電路調(diào)制后,驅(qū)動紅外光源照射在熱釋電探測器上,得到信號通過前置放大變化電路和二級放大濾波電路轉(zhuǎn)換成能夠滿足控制器可處理的電壓信號,經(jīng)過控制器的A/D轉(zhuǎn)化處理,得到氣體的濃度值顯示信號并顯示。
從信號的處理設(shè)計可以看出,信號輸出時采用差動式雙通道設(shè)計,而且放大濾波過程也完全一致,這樣差動信號處理設(shè)計可以很好地降低噪聲的影響。
由于探測器的輸出信號十分微弱,而且影響因素都比較多,有必要對傳感器輸出信號的干擾進(jìn)行分析。在熱釋電傳感器探測甲烷的應(yīng)用中,影響傳感器輸出信號的噪聲來源主要分為兩大類:外部噪聲和內(nèi)部噪聲。
由外部干擾源產(chǎn)生并通過某種途徑耦合到信號檢測電路的噪聲稱為外部噪聲。常見的有電器設(shè)備影響噪聲,如輝光放電、火花放電等;機(jī)械振動噪聲,如壓電效應(yīng)、顫噪效應(yīng)等;電力線噪聲,如電磁干擾、電工電網(wǎng)電壓波動等。這些噪聲通過電源耦合、阻抗耦合、傳導(dǎo)耦合等方式影響信號。內(nèi)部噪聲主要是探測器固有噪聲和熱噪聲。圖2顯示了這些內(nèi)部和外部噪聲大致的頻譜分布以及各類噪聲的頻率范圍[2]。
圖2 系統(tǒng)內(nèi)外部噪聲頻率分布
對傳感器探測的輸出信號做了頻率分析,由圖3可以看出噪聲對有用信號的影響十分明顯,對比噪聲分布圖,可以看出主要的噪聲干擾為熱噪聲、1/f噪聲(接觸噪聲)、機(jī)械振動和工頻干擾等。
圖3 探測器的初始輸出信號頻譜分析
對比可以看出,1/f噪聲的影響最小。1/f噪聲是2種導(dǎo)體的接觸點(diǎn)電導(dǎo)的隨機(jī)漲落引起的,凡是有導(dǎo)體接觸不理想的器件都存在該噪聲。該噪聲幅值一般為十幾μV,服從高斯分布,在10 Hz以下電路內(nèi)部的噪聲就主要受它的影響[3]。
熱噪聲是由于元件電荷載體的隨機(jī)運(yùn)動引起的電流隨機(jī)波動造成的。它包括結(jié)型場效應(yīng)管、熱釋電器件、負(fù)載電阻產(chǎn)生的噪聲。熱噪聲主要受溫度的影響,不僅對傳感器系統(tǒng)本身,而且對引起測量誤差的干擾量也有影響。
對于有傳感器內(nèi)阻和負(fù)載電阻產(chǎn)生的熱噪聲,根據(jù)玻爾茲曼定律,可以分析得到熱噪聲幅值:
式中:K為玻爾茲曼常數(shù);T為傳感器的絕對溫度;R為傳感器的等效內(nèi)阻或負(fù)載的阻值;B為頻譜寬度;C為探測器元件的等效電容[4]。
結(jié)型場效應(yīng)管的電流噪聲將隨溫度的增加而迅速增加,特別是在高溫時,成指數(shù)增長。對其進(jìn)行噪聲分析時,一般都是將內(nèi)部所有的噪聲源都等效到輸入端,用圖4的等效噪聲模型表示。
圖4 熱釋電探測器的等效噪聲模型
電壓源與電流源的功率譜密度分別表示為:
式中:En、In分別為等效輸入噪聲的電壓有效值和電流有效值。
為了將噪聲的影響降到最小,在合理設(shè)計放大濾波電路的同時,可以通過選擇合理的器件降低系統(tǒng)的固有噪聲;通過屏蔽、接地等方法抑制外部噪聲,使信噪比達(dá)到最高。
由于微弱信號幅值小,信噪比較低,容易淹沒在噪聲中,因此對具體的信號采用合理的處理方法顯得很重要。一般的處理方法有濾波處理、相關(guān)檢測技術(shù)、同步累積法等。比較新的方法有基于混沌振子和噪聲的檢測技術(shù)、小波變化的檢測技術(shù)等。文中采用濾波放大技術(shù),它具有低噪聲、高增益、低輸出阻抗、低功耗的特點(diǎn),能夠很好地放大該熱釋電元件的信號。
熱釋電探測器的源內(nèi)阻非常高,能夠達(dá)到1012Ω,使用結(jié)型場效應(yīng)管2SK545(跨導(dǎo)高、噪聲小)與敏感單元進(jìn)行匹配,對探測器的信號進(jìn)行一次放大和轉(zhuǎn)化,可以變成mV級的電壓信號??蓪⒚舾袉卧爸秒娐返刃閳D5。其中CA是等效電阻的輸入電容,Rf是負(fù)載電阻。將2個一樣的熱釋電元件反向串聯(lián)起來,構(gòu)成差動平衡電路,能夠?qū)⒈尘霸肼暤挠绊懡档阶畹?。這樣的設(shè)計滿足了前置放大電路應(yīng)該具備的低噪聲、高增益、低輸出阻抗和較低功耗的要求[5]。
圖5 熱釋電元件及其前置放大等效電路圖
通過示波器測量探測器的輸出信號如圖6所示。
圖6 探測器的初始輸出信號
由上面得到的信號還只是mV級的且噪聲影響明顯。因此設(shè)計了如下的電路進(jìn)行處理。使用LM358雙通道、高增益、具有頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器進(jìn)行放大處理。將放大濾波電路設(shè)計成可調(diào)增益的兩級電路,這樣不僅能夠?qū)h(huán)境噪聲降到較小值,而且能夠?qū)?shí)際信號進(jìn)行合理放大,處理后的信號也能更加平穩(wěn),驅(qū)動后級電路的能力得到加強(qiáng)[6]。
處理電路如圖7所示,它是帶通的濾波放大電路,將得到的電壓信號從Input輸入,電容C1隔斷輸入信號的直流電壓,提供電路2.5 V的直流偏置進(jìn)行工作。該濾波器的高通截止頻率為:
低通截止頻率為
圖7 二級可調(diào)增益濾波電路圖
放大增益有兩級,第一級的放大倍數(shù)為
A1=1+(R9+R7右)/(R7左+R8)
第二級的放大倍數(shù)為:
A2=R1/R2
總的放大增益為:
A=A1·A2
通過測量經(jīng)過處理放大后的信號如圖8所示。圖9為該信號的頻譜分析圖。
圖8 經(jīng)過處理后的信號
圖9 處理后信號的頻譜分析
由圖9可知,采用放大和濾波處理之后,輸出信號已經(jīng)達(dá)到單片機(jī)處理信號的要求,可以送入單片機(jī)進(jìn)行處理。
對熱釋電探測信號進(jìn)行檢測處理,通過分析其信號特性設(shè)計了可調(diào)增益的放大濾波電路,很好地滿足了放大微弱信號低功耗、低噪聲、高增益的要求,外部噪聲和內(nèi)部噪聲都能基本濾除。并利用配氣系統(tǒng)組成的測試平臺對傳感器性能進(jìn)行了測試,測試結(jié)果表明:信號處理響應(yīng)速率快、靈敏度高,并具有很好的穩(wěn)定性和重復(fù)性,能夠應(yīng)用到實(shí)際中,而且對以后瓦斯、乙烯等氣體的監(jiān)測儀器的設(shè)計都有借鑒意義。
參考文獻(xiàn):
[1] 萬小敏.光譜吸收式氣體傳感器探測電路的設(shè)計與實(shí)現(xiàn):[學(xué)位論文] .武漢:華中科技大學(xué),2011.
[2] 高晉占.微弱信號檢測.2版.北京:清華大學(xué)出版社,2011.
[3] 惠建江,劉朝暉,劉文.紅外圖像的噪聲分析和弱小目標(biāo)的增強(qiáng).紅外技術(shù),2005,27(2):135-138.
[4] 劉崗,梁庭,林斯佳,等.鈮酸鋰晶片熱釋電紅外探測器設(shè)計及性能測試.傳感技術(shù)學(xué)報,2013,26(3):333-337.
[5] TAN Q L,ZHANG W D.Design,fabrication and characterization of pyroelectric thin film and its application for infrared gas sensors.Microelectronics Journal,2009,40:58-62.
[6] 畢滿清.模擬電子技術(shù).北京:電子工業(yè)出版社,2009.