一種PbS紅外探測器電制冷自整定恒溫控制電路的設計

張偉 張建尹 德有 霍亮??

摘要：本文介紹了一種應用于電制冷PbS紅外探測器的自整定恒溫控制電路的設計方法。由于PbS探測器特性使得溫度變化直接影響其本身的探測效率，因此對于紅外探測器的溫度控制尤為重要。本設計能夠實現PbS探測器溫度自動檢測整定并調整探測器電制冷控制電壓，形成閉環控制，提高了控制響應速度和輸出穩定性。

關鍵詞：PbS；電制冷；自整定；恒溫控制；穩定性

A design of selftuning constant temperature control circuit

for electric refrigeration PbS infrared detector

ZhangWeiZhangJianYinDeYouHuoLiang

LiaoNingDanDong.DongFangCeKongLiaoNing DanDong 118000[WT]

Abstract：This paper introduces a method of the selftuning constant temperature control circuit applied to electric refrigeration PbS infrared detectors. Due to the performance of PbS detectors， the temperature changes can directly affect the detection efficiency of themselves， so the temperature control is particularly important to the infrared detectors. This design can realize the automatic detection and settingof the PbS detectors temperature， and adjusttheelectric refrigeration control voltage of detectors， to form a closedloop control which improves theresponse speed and output stability.

Key words：PbS；Electric refrigeration；selftuning；temperature control；stability

1 概述

隨著科學技術的不斷發展，紅外線應用領域不斷拓展，不光在軍事領域，民用領域也越來越重視紅外線的應用。PbS探測器是一種針對紅外線檢測的探測器，現今已經在工業檢測儀表，食品檢測，圖像處理，醫學等領域中得到了廣泛的應用。

PbS探測器是一種對溫度變化非常敏感的器件，由于其探測效率隨溫度的升高而降低，因此保證探測器的恒溫對于檢測信號的穩定性和分辨率有重要影響。目前針對電制冷PbS探測器的溫度控制基本都是電制冷恒壓控制的開環方式，這種方式不能處理由于環境溫度變化和紅外線光源對于探測器長時間照射引起的溫度變化而帶來的探測效率的不穩定性，并且由于其溫度變化率較快，用數控方式存在滯后現象。本文介紹的是一種基于模擬電路快速響應的自整定恒溫電路的設計方法，并已得到應用。

2 PbS探測器

本文使用的是一級電制冷PbS探測器，帶有內部溫敏反饋電阻。PbS探測器是一種對溫度非常敏感的器件，如圖1所示，其探測器效率隨溫度的升高而降低，根據曲線圖和實際應用，最佳適應工作溫度為0℃到5攝氏度。如圖2，圖3所示，一級制冷PbS探測器的電制冷特性其工作電壓為0到0.8V，工作電流小于1.4A，而對應0℃的工作電壓為0.5V，0.5A左右。

3 電路設計

3.1溫度自整定電路

一級電制冷PbS探測器帶有內部的溫敏反饋電阻，其阻值隨溫度的變化而變化，如圖4所示，J13，J14為PbS探測器溫敏電阻端口，將溫敏電阻引入橋式電阻電路中，其中R28是探測器溫敏電阻的溫度匹配電阻，即阻值是設定溫度的阻值，R5是運算放大器的放大電阻，用于控制探測器電制冷響應時間和控制精度。當探測器溫度大于設定溫度時，運算放大器輸入偏差為正，經過輸出正向放大電壓，反之，輸出負電壓。

3.2 制冷控制

如圖5所示，J1D為制冷片供電電壓輸入，R31為限流保護電阻，J14，J1E為PbS探測器制冷電壓輸出端。R11和R10構成控制電壓反饋電路，Q1，Q4，Q7構成制冷電壓輸出緩沖器， R1為PbS探測器制冷器匹配電阻。當前端運算放大器輸出正向電壓時，Q7三極管導通，Q1，Q4構成并聯電路，即R1與PbS探測器制冷器為并聯狀態，R1為功率電阻，其阻值與PbS探測器的制冷器阻值相匹配，由于R1阻值與制冷器的阻值相近，可以通過測試R1兩端電壓測得制冷器的電流；當前端運算放大器輸出負向電壓時，Q7截止，無電流經過PbS探測器，而電流可經過R1向另一個PbS探測器的制冷器供電。

4 設計實現與驗證

本文作者將此設計應用到紅外線紙張水分檢測系統中，使用紅外線斬波光源，經過平行光路，照射到紙張后，經過平行光路，由3路紅外探測器接收信號，3路PbS探測器信號通過信號處理電路，進入上位機A/D采集卡，并在主機中顯示器電壓變化。如圖6所示原理圖。

如圖7所示，縱軸代表幅值，粉色線代表溫度，紅色，藍色，黑色線代表3路PbS探測器的采樣信號幅值。由于PbS探測器制冷電壓使用固定輸出，造成探測器溫度隨環境溫度變化受到影響，因此造成其信號輸出不穩定。而圖8為使用自整定恒溫控制的探測器信號，前后對比可知，由于增加了自整定恒溫控制電路，PbS探測器的信號變化不受環境溫度的變化影響，輸出更加穩定。

在實際測試中，PbS探測器信號還受到光源，斬波器的輸出穩定性等因素影響，但是溫度變化帶來的影響是最大的，從采樣顯示的結果顯示，在未使用自整定恒溫控制電路時，由于制冷器受固定輸出電壓控制，不能很好的適應環境溫度變化，因此造成采樣信號的不穩定，影響了檢測儀表的精度和穩定性；通過實驗分析，設計實現的自整定恒溫控制電路能夠很好的消除環境溫度變化對探測器的影響，而且由于使用的是模擬電路，避免了使用數控調整帶來的滯后效應，很好的適應了PbS探測器的溫度敏感特性。

5 結語

PbS探測器是目前流行的一種低成本紅外線探測器，在民用領域中得到了越來越多的應用，本文設計的自整定恒溫控制電路提高了PbS探測器溫度適應性，從而提高了產品的精度和穩定性，另外應當注意的是在電路中的散熱問題，這是由于三極管和功率電阻的上通過的電流造成熱效應而導致的，在實際應用中，建議三極管使用鋁制散熱片導熱和對功率電阻的散熱，最好能夠保證儀表殼體的內部恒溫，以便能夠更好的保證探測器的穩定性和精度。

參考文獻：

[1]李國偉.PbS紅外探測器的制備和性能研究[D].電子科技大學，2010.

[2]魏桂香，姜波.一種數字式紅外火焰探測器[J].北京理工大學學報，1999（05）.