一种热释电传感电路及信号转换处理方法与流程

本发明涉及传感器技术领域，具体而言，涉及一种热释电传感电路及信号转换处理方法。

背景技术：

红外热释电传感器广泛用于消防、化工气体的检测并智能量化显示气体参数、红外检测报警、红外遥控、光谱分析等领域。

美国著名的传感器公司Kulite公司就基于相关的补偿方法研制出了一套温度补偿系统，并已经应用于生产，但是这个系统跟一台专用的计算机捆绑销售，而且其价格十分昂贵，每台售价大约要35万美元。在国内，近年来在这方面的理论研究也取得了很大进步。如沈阳仪器仪表工艺研究所在国内首次解决了扩散硅力敏芯片的零点温度自补偿工艺，但是都是苦于没有一个精确的、可方便的应用于生产实践数学模型来计算补偿电阻的大小，难以实现在生产线上快速自动的补偿，效率不高。实际工作中由于传感器的工作环境温度变化较大，又由于温度变化引起传感器的热输出较大，将会带来较大的测量误差，改善传感器结构，可以减小时间常数，降低温度梯度的影响，但是依然无法达到很好的消除效果。

同时，温度变化影响零点大小，继而影响到红外热释电传感器的静态特性，所以必须采取措施以减少或消除温度变化对红外热释电传感器带来的影响，即必须进行零点温度补偿。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种热释电传感电路及信号转换处理方法，其能够使红外热释电温度传感器有效的进行零点温度补偿，减小或消除温度变化对红外热释电传感器的影响，使得红外热释电传感器的测量结果更为精确，且价格便宜。

本发明的实施例是这样实现的：

一种热释电传感电路，包括：第一热释电探测元、第二热释电探测元、前置放大器、后置放大模块；所述第一热释电探测元的正极和所述第二热释电探测元的负极均与所述前置放大器的第一端耦合，所述前置放大器的第二端与所述后置放大模块的输入端耦合，所述第二热释电传感器与第一热释电传感器极性相反、特性一致，其中，所述第二热释电传感器不响应红外光。

优选地，所述前置放大器由场效应管构成，所述场效应管的栅极分别与所述第一热释电探测元的正极和所述第二热释电探测元的负极耦合，所述场效应管的源极与所述后置放大模块的第一输入端耦合。

优选地，还包括源极电阻，所述源极电阻与所述场效应管的源极耦合。

优选地，所述源极电阻的阻值范围小于等于100KΩ，或小于等于47KΩ。

优选地，还包括第一电阻，所述第一电阻的一端与所述场效应管的栅极耦合，所述第一电阻的另一端、所述第一热释电探测元的负极以及第二热释电探测元的正极均接地。

优选地，所述第一电阻的阻值范围为大于等于8GΩ且小于或等于10GΩ。

优选地，所述后置放大模块为运算放大器，所述运算放大器的第一输入端与场效应管的源极耦合，所述运算放大器的第二输入端与所述运算放大器的输出端耦合。

优选地，还包括滤波电路，所述滤波电路与所述场效应管的漏极耦合。

优选地，所述滤波电路包括：第一电容和第二电阻，所述第二电阻的一端与所述运算放大器的正电源端耦合，所述第二电阻的另一端通过所述第一电容接地，所述第二电阻的另一端与所述场效应管的漏极耦合。

一种信号转换处理方法，其特征在于，所述方法应用于上述的热释电传感电路，所述方法包括：所述第一热释电探测元探测调制辐射光的辐射通量；所述第一热释电探测元将所述调制辐射光的辐射通量转化为温度变化；所述第一热释电探测元将温度变化处理转换为电荷密度变化；所述第一热释电探测元将所述电荷密度变化传输给所述前置放大器，以使所述前置放大器将所述电荷密度变化转化为电压信号和后置放大模块对该电压信号进行放大。

上述本发明实施例提供的一种热释电传感电路及信号转换处理方法，通过所述第一热释电探测元的正极和所述第二热释电探测元的负极均与所述前置放大器的第一端耦合，并且极性相反，特性一致，其中所述第一热释电探测元位工作元件，所述第二热释电探测元为补偿元件，以此可以达到零点温度补偿的目的，消除温度影响。所述前置放大器将所述第一热释电探测元输出的电荷密度变化转化为电压信号。通过后置放大模块，进行电压信号的放大，得到放大后的电压信号，以得到更加准确的结果。该热释电传感电路及信号转换处理方法能够显著减少或者消除温度变化对红外热释电传感器带来的影响，可得到更加精确的测量结果。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明第一实施例提供的热释电传感电路的结构框图。

图2是本发明第一实施例提供的热释电传感电路的电路图。

图3是本发明第一实施例提供的热释电传感电路和非温度补偿型热释电传感电路在温度梯度的作用下偏置电压的变化关系。

图4是本发明第一实施例提供的热释电传感电路和非温度补偿型热释电传感电路在温度瞬变的条件下的阶跃响应曲线图。

图5是本发明第二实施例提供的信号转换处理方法的方法流程图。

图标：100-热释电传感电路；60a-第一热释电探测元；60b-第二热释电探测元；R1-第一电阻；R2-第二电阻；Rs-源极电阻；110-前置放大器；T1-场效应管；120-后置放大模块；G-栅极；S-源极；D-漏极；L-运算放大器；C1-第一电容；C2-第二电容；C3-第三电容。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

第一实施例

请参照图1和图2，本发明实施例提供的一种热释电传感电路100，该热释电传感电路100包括：第一热释电探测元60a、第二热释电探测元60b、前置放大器110、后置放大模块120、第一电阻R1、源极S电阻Rs、第二电阻R2。

请参照图2，优选地，所述第一热释电探测元60a的正极与所述第二热释电探测元60b的负极均与所述前置放大器110的第一端耦合，且第二热释电传感器与第一热释电传感器的极性相反，特性一致。具体的，所述第一热释电探测元60a和所述第二热释电探测元60b可相互并联，并且所述第一热释电探测元60a的正极与所述前置放大器110的第一端耦合。

其中，第一热释电探测元60a作为工作元件，第二热释电探测元60b作为补偿元件(第一热释电探测元60a与第二热释电探测元60b中的其中任意一者作为工作元件，另一者作为补偿元件即可)。可采用遮红外光元件完全遮蔽所述第二热释电探测元60b，使其不响应红外光；或采用阻挡红外光涂层设于第二热释电探测元60b外表面使其不响应红外光，只是作为一个有效电容工作，当传感器壳体温度发生变化时，第一热释电传感器和第二热释电探测元60b由此产生的干扰信号会相互抵消，因此能够提高传感器的温度稳定性。需要说明的是，对第二热释电探测元60b采取的遮光的方式不作限制，使第二热释电探测元60b达到不响应红外光即可。

前置放大器110，由一个高内阻的场效应管T1源极跟随器构成，通过阻抗变换，将第一热释电探测元60a微弱的电流信号转换为有用的电压信号输出。

具体的，第一热释电探测元60a与第一热释电探测元60a并联后与前置放大器110的第一端耦合，该第一端为前置放大器110的前端，即场效应管T1的栅极G。前置放大器110的栅极G与第一电阻R1的一端耦合，该第一电阻R1的另一端接地，所述第一电阻R1的为门电阻。前置放大器110的第二端与所述后置放大模块120的输入端耦合，前置放大器110的第二端为前置放大器110的源极S，前置放大器110的第三端(漏极D)与第二电阻R2的第一端耦合。源极S电阻Rs的一端与所述前置放大器110的源极S耦合，源极电阻Rs的另一端接地。

电压增益为与场效应管T1在工作点的跨导和源极电阻Rs有关，按下式计算：

其中，Rs，为源极电阻Rs；Av，为电压增益；g_fs，为场效应管T1在工作点的跨导。

由公式(1)可知，增大源极电阻Rs，或减小漏极D电流可以提高前置放大器110的电压增益A_V。但是增大源极电阻Rs的同时，输出电阻会变大，从而导致漏极D电压升高，当源极电阻Rs达到100KΩ(也记作Kohm)时，漏极D电压会升高到15V，因此源极电阻Rs不应过大，一般不超过100KΩ，优选的源极电阻Rs一般不超过47KΩ。增大电压增益A_V能降低温度对跨导g_fs的影响，提高电压增益A_V的温度稳定性。

门电阻(第一电阻R1)阻值越小的热释电传感电路100稳定性越高，但是，第一电阻R1阻值的平方根与噪声成反比，当第一电阻R1的阻值减小时，热释电传感电路100的噪声会同时增大。例如，当我们通过减小第一电阻R1的阻值使热释电传感器的稳定性提高到原来的9倍时，热释电传感器的探测率也会降至原来的三分之一。第一电阻R1的阻值优选大于等于8GΩ(也记作Gohm)且小于或等于10GΩ，该第一电阻R1的阻值范围能够兼顾热释电传感器稳定性及探测率。

优选地，还包括第一电容C1，该第一电容C1一端接地一端与所述前置放大器110的漏极D耦合。该第一电容C1与所述第二电阻R2构成滤波电路。

后置放大模块120包括(电流)运算放大器L，运算放大器L可对前置放大器110的输入结果进行放大。

优选地，该运算放大器L的正向输入端和所述前置放大器110的源极S耦合，该运算放大器L的反向输入端和该运算放大器L的输出端耦合。另外，该运算放大器L的正向电源端还与所述第二电阻R2的第二端耦合，该运算放大器L的正向电源端还与第二电容C2的一端耦合，第二电容C2的另一端接地。该运算放大器L的反向电源端与第三电容C3的一端耦合，第三电容C3的另一端接地。

在本实施例中，上述所涉及的电容的电容值大小、电阻大小、运算放大器L种类以及工作电压等不作限制。例如，该运算放大器L的工作电压可以为9v。所述的运算放大器L可采用OP1177或OPA227，其中OP1177型号运算放大器L具有极低失调电压和漂移、低输入偏置电流、低噪声及低功耗特点。第二电阻R2的阻值大小可以为10KΩ，第一电容C1的容值可为22μF，第二电容C2的容值可为100nF，第三电容C3的容值可为100nF。

请参照图3，其中横轴为壳体温度(℃)，左纵轴为偏置电压(mv)，右纵轴为温度梯度(K/min)。温度补偿型(即采用本发明的热释电传感电路100)和非温度补偿型热释电传感电路100在温度梯度的作用下偏置电压的变化不同。所述温度补偿型热释电传感电路100包括的第一热释电探测元60a及与其并联的用于温度补偿的第二热释电探测元60b，所述的非温度补偿型热释电传感电路100不包括用于温度补偿的第二热释电探测元60b。从图2中可以看出，增加了第二热释电探测元60b作为温度补偿元件后，第一热释电探测元60a的偏置电压几乎不受温度梯度的影响。

请参照图4，其中横轴为时间t(s)，纵轴为偏压U₀(v)。温度瞬变的条件下，温度补偿型和非温度补偿型热释电传感电路100的阶跃响应曲线不同，所述温度补偿型热释电传感电路100包括的第一热释电探测元60a及与其并联的用于温度补偿的第二热释电探测元60b，所述的非温度补偿型热释电传感电路100不包括用于温度补偿的第二热释电探测元60b。从图3中可以看出，当环境温度从快速升高到40℃时，非温度补偿型热释传感电路的第一热释电探测元60a的偏压跃变非常大，与之相比，温度补偿型热释电传感电路100的第一热释电探测元60a的阶跃响应很小，恢复时间也短得多。需要注意的是，由于加工误差的原因，传感器的阶跃响应可能为正也可能为负。

第二实施例

请参照图5，本发明还提供一种应用在上述热释电传感电路100的一种信号转换处理方法。图5中为该方法的具体流程图，下面就具体对各个步骤做详细的阐述。

步骤S110，所述第一热释电探测元60a探测调制辐射光的辐射通量。

步骤S120，所述第一热释电探测元60a将所述调制辐射光的辐射通量转化为温度变化。

在步骤S110和步骤S120中，辐射通量为ΔΦ的调制辐射光到达第一热释电探测元60a，辐射通量ΔΦ被第一热释电探测元60a表面吸收后，产生温度变化ΔT。

步骤S130，所述第一热释电探测元60a将温度变化处理转换为电荷密度变化。电荷密度变化为ΔQ。

步骤S140，所述第一热释电探测元60a将所述电荷密度变化传输给所述前置放大器110，以使所述前置放大器110将所述电荷密度变化转化为电压信号，并输出。其中，电压信号为Δu。

需要说明的是，热转换阶段产生的转换温差ΔT越大，传感器的响应率和信噪比越高。

综上所述，本发明实施例提供的一种热释电传感电路100及信号转换处理方法，通过所述第一热释电探测元60a和所述第二热释电探测元60b相互并联并且极性相反，特性一致，其中所述第一热释电探测元60a位工作元件，所述第二热释电探测元60b为补偿元件，以此可以达到零点温度补偿的目的，消除温度影响。所述前置放大器110将所述第一热释电探测元60a输出的电荷密度变化转化为电压信号。通过后置放大模块120，进行电压信号的放大，得到放大后的电压信号，以得到更加准确的结果。该热释电传感电路100及信号转换处理方法能够显著减少或者消除温度变化对红外热释电传感器带来的影响，可得到更加精确的测量结果，另外该电路的结构可以更加的节省成本。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。