一种具有零点温度补偿的红外热释电传感电路的制作方法

本发明涉及红外热释电传感器，特别是涉及一种具有零点温度补偿的红外热释电传感电路。

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

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。改善传感器结构，可以减小时间常数，降低温度梯度的影响，但是无法完全消除。

目前红外热释电传感器的温度补偿方法过于昂贵，且补偿效果并不够理想，急需一种具有零点温度补偿的红外热释电传感电路。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于克服现有技术之不足，提供能够有效零点温度补偿红外热释电传感器，使得红外热释电传感器的测量结果更为精确，且价格便宜的一种具有零点温度补偿的红外热释电传感电路。

本发明的第二目的在于提供一种具有零点温度补偿的红外热释电传感电路信号转换处理方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种具有零点温度补偿的红外热释电传感电路，包括第一热释电探测元、前置放大器、后置放大模块，所述前置放大器包括场效应管，所述红外热释电传感电路还包括第二热释电探测元，所述第二热释电探测元与第一热释电探测元并联，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，且第二热释电传感器不响应红外光。

进一步的，所述具有零点温度补偿的红外热释电传感电路的场效应管的源极电阻小于或等于100Kohm。

进一步的，所述具有零点温度补偿的红外热释电传感电路的场效应管的源极电阻小于或等于47Kohm。

进一步的，所述具有零点温度补偿的红外热释电传感电路的场效应管的门电阻大于或等于8Gohm且小于或等于10Gohm。

进一步的，所述具有零点温度补偿的红外热释电传感电路的后置放大模块包括电流运算放大器OP1177或OPA227。

本发明还提供了一种具有零点温度补偿的红外热释电传感电路的信号转换处理方法，包括至少三个转换步骤：

1)辐射通量为ΔΦ的调制辐射光到达第一热释电探测元，第一热释电探测元将辐射通量ΔΦ转化为温度变化ΔT；

2)第一热释电探测元将温度变化ΔT处理转换为电荷密度变化ΔQ；

3)前置放大器将第一热释电探测元产生的电荷密度变化ΔQ处理转换成电压信号输出Δu。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

本发明的具有零点温度补偿的红外热释电传感电路，能够有效地对红外热释电传感探测元零点温度补偿，使得传感器的测量结果更为精确，且价格便宜。

附图说明

图1为本发明实施例红外热释电传感电路图；

图2为本发明实施例温度补偿电路与传统非电路受温度梯度影响比较；

图3为本发明实施例温度补偿电路与传统非温度补偿电路对瞬变温度响应比较。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1，所述具有零点温度补偿的红外热释电传感电路，包括第一热释电传感器60及第二热释电传感器60’，所述第二热释电传感器60’与第一热释电传感器并联，且第二热释电传感器60’与第一热释电传感器60的极性相反，特性一致。其中第一热释电探测元60作为工作元件，第二热释电探测元60’作为补偿元件，可采用遮红外光元件完全遮蔽第二热释电探测元60’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60’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60和第二热释电探测元60’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。

第一热释电探测元60与第一热释电探测元60’并联后接于前置放大器的前端，前置放大器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60微弱的电流信号转换为有用的电压信号输出。场效应管T1的栅极连接门电阻R1，场效应管T1的源极接有源极电阻R_S，电压增益A_V与场效应管在工作点的跨导g_fs和源极电阻R_S有关，按下式计算：

$A_V\≈\frac{g_{fs}{R}_S}{1+g_{fs}{R}_S}\≤1---\left(1\right)$

由公式(1)可知，增大源极电阻R_S，或减小漏极电流可以提高前置放大器的电压增益A_V。但是增大源极电阻R_S的同时，输出电阻会变大，从而导致漏极电压升高，当源极电阻R_S达到100Kohm时，漏极电压会升高到15V，因此源极电阻R_S不应过大，一般不超过100Kohm，优选的源极电阻R_S一般不超过47Kohm。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R1阻值越小的热释电传感电路稳定性越高，但是，门电阻R1阻值的平方根与噪声成反比，当门电阻R1的阻值减小时，热释电传感电路的噪声会同时增大。例如，当我们通过减小门电阻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。门电阻R1的阻值优选大于等于8Gohm且小于或等于10Gohm，该门电阻的阻值范围能够兼顾热释电传感器稳定性及探测率。

本发明的后置放大模块包括电流运算放大器L，所述运算放大器采用OP1177或OPA227，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，运算放大器L对前置放大器的输入结果进行放大。电阻R2的阻值大小为10Kohm，电容C1的容值为22μF，电容C2的容值为100nF，电容C3的容值为100nF。

热释电传感器电路的信号处理转换可以概述为三个步骤：

1)辐射通量为ΔΦ的调制辐射光到达第一热释电探测元60，辐射通量ΔΦ被第一热释电探测元60表面吸收后，产生温度变化ΔT；

2)第一热释电探测元60将温度变化ΔT转化为电荷密度变化ΔQ；

3)电荷密度变化ΔQ通过前置放大器转换为电压信号Δu输出；

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。

参见图2，温度补偿型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不同，所述温度补偿型热释电传感电路包括的第一热释电探测元60及与其并联的用于温度补偿的第二热释电探测元60’，所述非温度补偿型热释电传感电路不包括用于温度补偿的第二热释电探测元60’。从图2中可以看出，增加了第二热释电探测元60’作为温度补偿元件后，第一热释电探测元60的偏置电压几乎不受温度梯度的影响。

参见图3，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的阶跃响应曲线不同，所述温度补偿型热释电传感电路包括的第一热释电探测元60及与其并联的用于温度补偿的第二热释电探测元60’，所述非温度补偿型热释电传感电路不包括用于温度补偿的第二热释电探测元60’。从图3中可以看出，当环境温度从25℃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60的偏压跃变非常大，与之相比，温度补偿型热释电传感电路的第一热释电探测元60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。

综上，本发明的温度补偿型热释电传感电路基本不受温度影响，在温度瞬变的条件下也能比较快的恢复，第二热释电探测元60’能够有效补偿温度对第一热释电探测元60造成的影响，从而保证采集信号的精确性，且本发明的温度补偿型热释电传感电路价格便宜。