热释电红外探测器性能测试与分析

热释电红外探测器性能测试与分析

1红外探测器性能综合测试系统红外探测器是红外系统的重要部件。探测器的性能直接决定着红外系统的性能。因此，对整个测量方法的测试是每个红茶工人必须面对的问题。要了解探测器的综合性能必须分别对探测器的各个参数进行测试,当批量测试时,测试时间较长,工作量大。为了解决这一问题,本文研制了一个红外探测器性能综合测试系统。该系统为微机控制全自动光电测试系统,采用数据采集卡与微机接口,D/A对光源进行数字调制,A/D对探测器输出的信号进行采集,微机对数据进行图形化处理、存盘、打印报表等,操作简单。方便了红外工作者在系统设计时对探测器的选取,为系统的整体性能提供了保障。2理论和技术基础2.1极化强度的影响热释电探测器是利用某些材料的热释电效应探测辐射能量的器件。热释电效应是部分单轴对称点群的晶体所具有的一种物理特性,该类材料在温度发生变化时,其内部自发极化强度发生改变,会在材料表面释放电荷。利用这种效应制作的热释电探测器与量子型红外探测器相比特点如下:1)无选择性;2)室温下工作,无须制冷,体积小;3)制作工艺简单,成本低廉。尽管热释电探测器存在着探测率低、响应速度慢的缺点,但随着材料性能的改善、制作工艺的成熟,多元阵列探测器的出现,这些缺点得到了极大的改善,已在红外热成像、红外摄像管、非接触测温、快速激光脉冲监测和红外遥感技术、亚毫米波测量等方面获得了应用,已成为一种重要的红外探测器。2.2器件热时间常数k热释电探测器接收到的阶跃辐射功率可以表示为W(t)={W00t≥0t＜0(1)W(t)={W00t≥0t＜0(1)当t≥0时,器件温升ΔT所满足的热平衡方程为ξdΔΤdt+GΔΤ=ηW0(2)ξdΔTdt+GΔT=ηW0(2)式中:ξ为器件的热容量,G为热导,η为光敏面的吸收率。解此方程,并利用初始条件ΔT|t=0=0,则得ΔΤ=ηW0G(1-e-t/τΤ)(3)ΔT=ηW0G(1−e−t/τT)(3)式中:τT=ξ/G为器件的热时间常数。由于器件温升是均匀的,因此d¯ΔΤdt=dΔΤdt=ηW0ξe-t/τΤ(4)dΔT¯¯¯¯¯¯dt=dΔTdt=ηW0ξe−t/τT(4)在阶跃辐照下,热释电讯号电压V满足方程:CdVdt+1RV=AλdEdt(5)式中:C=C′(器件电容)+C″(前置放大器输入电容),1R=1R′+1R″,R′为器件电阻,R″为前置放大器输入电阻。由初始条件t=0时,V=0,从上式可解得前置放大器输入端的讯号电压V=Aλ¯ΔΤCe-t/RCt∫0et/RCdˉΤdt′dt′(6)将(1)式中的t换成t′并代入(6)式,则得V=ηW0lC(λCE)τΤτeτΤ-τe(e-t/τΤ-e-t/τe)(7)由以上分析可知,热释电探测器在矩形波的调制下,输出脉冲信号如图1。3测量系统3.1系统的结构框图系统的结构见图2。3.2探测器放大电路系统光源为480℃红外点光源,发出波长为4～8μm波段的红外光,经双反射镜后汇聚于探测器上。点状光源便于光学成像处理,提高了能量的利用率,采用双反射镜在短光程内将光源发出的光汇聚于探测器的灵敏元上。数据采集卡与微机接口输出矩形波电压调制光源,调制频率为1Hz,矩形波占空比为1∶4。热释电探测器工作于室温。热释电探测器输出的信号必须进行交流放大以便后续信号的采集和处理,采用交流放大避免了直流放大的零点漂移。由集成运放LM324构成两级可调增益前置放大电路将探测器输出信号放大到采集卡所要求的电平上,前放应具有低噪声、高增益、高输入阻抗、低输出阻抗、宽频带的特性,还应保证其工作于线性区和具有良好的抗干扰能力。LM324是Motorola公司生产的精密四运算放大器,输出级有短路保护装置,内接频率补偿电路,四个运放之间有良好的匹配性能和隔离性能,可以满足以上要求。因为探测器输出信号动态范围较大,所以在采集卡上另加一级程控放大器,放大倍数由微机控制。采集卡PC7428为北京宏拓控制技术公司生产,A/D转换时间≤10μm,转换误差≤0.02%(电压满量程),输入阻抗≥1MΩ,可满足对前置放大器输出信号采样频率、采样精度的要求,采集卡输出电流不足以驱动光源,所以外加一级隔离放大器。数据采集卡每隔一定的时间对前置放大器的输出进行采样,对时间的控制是由软件实现的。使用MicrosoftVisualC++嵌入汇编语言可以精确定时。采样频率必须符合采样定理。采样结束后进行信号处理,滤除高频干扰后,读出峰值电压。系统对探测器的特性参数均采用峰-峰值标定。系统软件部分是由MicrosoftVisualC++开发完成的。利用Windows消息处理、多线程、MFC文档视窗结构、动态扩展库及VC内嵌汇编直接读写硬件的特点,可以灵活高效的进行程序编写。4探测器的灵敏度、采集卡和测点布置系统对上海尼赛拉传感器有限公司生产的PM622型双灵敏元热释电红外探测器进行了测试,探测器出厂时的型号指标为:1Hz调制频率,72.5dB放大倍数下,输出信号大于2.5V,平衡度小于15%。本系统测试条件为:环境温度:室温,灵敏元面积:2.0mm×1.0mm,工作电压:5V,源极电阻R=26.8kΩ,放大倍数:50dB。光源在矩形波电压调制下发射出红外光,分别汇聚于探测器的两个灵敏元上。图3为采集卡输出幅值依次增高的矩形波电压驱动光源,前置放大器输出的波形,图4为探测器对阶跃辐射的响应曲线,图5为灵敏元A和B分别对光源电压的响应率曲线。由以上实验结果分析:1)在上述条件下经测试可知,PM622型双灵敏元传感器灵敏度≥0.1V,相对光源电压的线性区间为0.2～3.5V,当光源电压大于3.5V以后,探测器渐趋饱和。2)探测器的平衡度≥10%,对于平衡度较大的探测器,在使用时可以调节光路或用线性补偿的方法来满足要求。3)经重复性测试可知,探测器的特性参数随时间的漂移≤1%。5热释电探测器性能测试本文针对热释电探测器的特性,论述了红外探测器综合性能参数测试系统的设计思想和具体环节,