周雷剛，梁 庭，高利聰

(1.儀器科學(xué)與動(dòng)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)

0 引言

紅外技術(shù)在夜視儀、防火防爆、自動(dòng)控制等領(lǐng)域獲得了飛速的發(fā)展。利用紅外技術(shù)對(duì)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(hào)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(duì)微弱信號(hào)的檢測和處理，依據(jù)設(shè)計(jì)的檢測放大電路應(yīng)具有很高的信噪比的要求，設(shè)計(jì)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。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

整個(gè)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(hào)處理流程圖

用控制器發(fā)出1個(gè)方波信號(hào)，經(jīng)過光耦隔離和穩(wěn)流電路調(diào)制后，驅(qū)動(dòng)紅外光源照射在熱釋電探測器上，得到信號(hào)通過前置放大變化電路和二級(jí)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(hào)，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(hào)并顯示。

從信號(hào)的處理設(shè)計(jì)可以看出，信號(hào)輸出時(shí)采用差動(dòng)式雙通道設(shè)計(jì)，而且放大濾波過程也完全一致，這樣差動(dòng)信號(hào)處理設(shè)計(jì)可以很好地降低噪聲的影響。

2 熱釋電傳感器的噪聲分析

由于探測器的輸出信號(hào)十分微弱，而且影響因素都比較多，有必要對(duì)傳感器輸出信號(hào)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(hào)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(hào)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(dòng)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(dòng)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(hào)。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(duì)傳感器探測的輸出信號(hào)做了頻率分析，由圖3可以看出噪聲對(duì)有用信號(hào)的影響十分明顯，對(duì)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(dòng)和工頻干擾等。

圖3 探測器的初始輸出信號(hào)頻譜分析

對(duì)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(dòng)引起的電流隨機(jī)波動(dòng)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(duì)傳感器系統(tǒng)本身，而且對(duì)引起測量誤差的干擾量也有影響。

對(duì)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(duì)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(shí)，成指數(shù)增長。對(duì)其進(jìn)行噪聲分析時(shí)，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(jì)放大濾波電路的同時(shí)，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。

3 電路設(shè)計(jì)

由于微弱信號(hào)幅值小，信噪比較低，容易淹沒在噪聲中，因此對(duì)具體的信號(hào)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(hào)。

3.1 信號(hào)提取設(shè)計(jì)

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(duì)探測器的信號(hào)進(jìn)行一次放大和轉(zhuǎn)化，可以變成mV級(jí)的電壓信號(hào)?？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(gè)一樣的熱釋電元件反向串聯(lián)起來，構(gòu)成差動(dòng)平衡電路，能夠?qū)⒈尘霸肼暤挠绊懡档阶畹?。這樣的設(shè)計(jì)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(hào)如圖6所示。

圖6 探測器的初始輸出信號(hào)

3.2 信號(hào)的放大濾波設(shè)計(jì)

由上面得到的信號(hào)還只是mV級(jí)的且噪聲影響明顯。因此設(shè)計(jì)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(jì)成可調(diào)增益的兩級(jí)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(hào)進(jìn)行合理放大，處理后的信號(hào)也能更加平穩(wěn)，驅(qū)動(dòng)后級(jí)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(hào)從Input輸入，電容C1隔斷輸入信號(hào)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(jí)可調(diào)增益濾波電路圖

放大增益有兩級(jí)，第一級(jí)的放大倍數(shù)為

A1=1+(R9+R7右)/(R7左+R8)

第二級(jí)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(hào)如圖8所示。圖9為該信號(hào)的頻譜分析圖。

圖8 經(jīng)過處理后的信號(hào)

圖9 處理后信號(hào)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(hào)已經(jīng)達(dá)到單片機(jī)處理信號(hào)的要求，可以送入單片機(jī)進(jìn)行處理。

4 結(jié)束語

對(duì)熱釋電探測信號(hào)進(jìn)行檢測處理，通過分析其信號(hào)特性設(shè)計(jì)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(hào)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(tái)對(duì)傳感器性能進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明：信號(hào)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(duì)以后瓦斯、乙烯等氣體的監(jiān)測儀器的設(shè)計(jì)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(jì)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(hào)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(jì)及性能測試.傳感技術(shù)學(xué)報(bào),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.