周雷剛，梁 庭，高利聰

(1.儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051；2.電子測試技術國防科技重點實驗室，山西太原 030051)

0 引言

紅外技術在夜視儀、防火防爆、自動控制等領域獲得了飛速的發(fā)展。利用紅外技術對瓦斯、乙烯、氫氣等氣體濃度的檢測發(fā)展很快，利用MEMS技術制成的熱釋電紅外探測器測量的氣體信號經(jīng)常十分微弱，且容易受到背景噪聲、光照強弱、電磁干擾的影響，容易被噪聲淹沒[1]。為很好實現(xiàn)對微弱信號的檢測和處理，依據(jù)設計的檢測放大電路應具有很高的信噪比的要求，設計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)的整體設計

整個系統(tǒng)的工作過程如圖1所示。

圖1 熱釋電紅外傳感器信號處理流程圖

用控制器發(fā)出1個方波信號，經(jīng)過光耦隔離和穩(wěn)流電路調制后，驅動紅外光源照射在熱釋電探測器上，得到信號通過前置放大變化電路和二級放大濾波電路轉換成能夠滿足控制器可處理的電壓信號，經(jīng)過控制器的A/D轉化處理，得到氣體的濃度值顯示信號并顯示。

從信號的處理設計可以看出，信號輸出時采用差動式雙通道設計，而且放大濾波過程也完全一致，這樣差動信號處理設計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十分微弱，而且影響因素都比較多，有必要對傳感器輸出信號的干擾進行分析。在熱釋電傳感器探測甲烷的應用中，影響傳感器輸出信號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檢測電路的噪聲稱為外部噪聲。常見的有電器設備影響噪聲，如輝光放電、火花放電等；機械振動噪聲，如壓電效應、顫噪效應等；電力線噪聲，如電磁干擾、電工電網(wǎng)電壓波動等。這些噪聲通過電源耦合、阻抗耦合、傳導耦合等方式影響信號。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

對傳感器探測的輸出信號做了頻率分析，由圖3可以看出噪聲對有用信號的影響十分明顯，對比噪聲分布圖，可以看出主要的噪聲干擾為熱噪聲、1/f噪聲(接觸噪聲)、機械振動和工頻干擾等。

圖3 探測器的初始輸出信號頻譜分析

對比可以看出，1/f噪聲的影響最小。1/f噪聲是2種導體的接觸點電導的隨機漲落引起的，凡是有導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運動引起的電流隨機波動造成的。它包括結型場效應管、熱釋電器件、負載電阻產(chǎn)生的噪聲。熱噪聲主要受溫度的影響，不僅對傳感器系統(tǒng)本身，而且對引起測量誤差的干擾量也有影響。

對于有傳感器內(nèi)阻和負載電阻產(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為傳感器的絕對溫度；R為傳感器的等效內(nèi)阻或負載的阻值；B為頻譜寬度；C為探測器元件的等效電容[4]。

結型場效應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，成指數(shù)增長。對其進行噪聲分析時，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，在合理設計放大濾波電路的同時，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，使信噪比達到最高。

3 電路設計

由于微弱信號幅值小，信噪比較低，容易淹沒在噪聲中，因此對具體的信號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、相關檢測技術、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、小波變化的檢測技術等。文中采用濾波放大技術，它具有低噪聲、高增益、低輸出阻抗、低功耗的特點，能夠很好地放大該熱釋電元件的信號。

3.1 信號提取設計

熱釋電探測器的源內(nèi)阻非常高，能夠達到1012Ω，使用結型場效應管2SK545(跨導高、噪聲小)與敏感單元進行匹配，對探測器的信號進行一次放大和轉化，可以變成mV級的電壓信號?？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是負載電阻。將2個一樣的熱釋電元件反向串聯(lián)起來，構成差動平衡電路，能夠將背景噪聲的影響降到最低。這樣的設計滿足了前置放大電路應該具備的低噪聲、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如圖6所示。

圖6 探測器的初始輸出信號

3.2 信號的放大濾波設計

由上面得到的信號還只是mV級的且噪聲影響明顯。因此設計了如下的電路進行處理。使用LM358雙通道、高增益、具有頻率補償?shù)倪\算放大器進行放大處理。將放大濾波電路設計成可調增益的兩級電路，這樣不僅能夠將環(huán)境噪聲降到較小值，而且能夠對實際信號進行合理放大，處理后的信號也能更加平穩(wěn)，驅動后級電路的能力得到加強[6]。

處理電路如圖7所示，它是帶通的濾波放大電路，將得到的電壓信號從Input輸入，電容C1隔斷輸入信號的直流電壓，提供電路2.5 V的直流偏置進行工作。該濾波器的高通截止頻率為：

低通截止頻率為

圖7 二級可調增益濾波電路圖

放大增益有兩級，第一級的放大倍數(shù)為

A1=1+(R9+R7右)/(R7左+R8)

第二級的放大倍數(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如圖8所示。圖9為該信號的頻譜分析圖。

圖8 經(jīng)過處理后的信號

圖9 處理后信號的頻譜分析

由圖9可知，采用放大和濾波處理之后，輸出信號已經(jīng)達到單片機處理信號的要求，可以送入單片機進行處理。

4 結束語

對熱釋電探測信號進行檢測處理，通過分析其信號特性設計了可調增益的放大濾波電路，很好地滿足了放大微弱信號低功耗、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)組成的測試平臺對傳感器性能進行了測試，測試結果表明：信號處理響應速率快、靈敏度高，并具有很好的穩(wěn)定性和重復性，能夠應用到實際中，而且對以后瓦斯、乙烯等氣體的監(jiān)測儀器的設計都有借鑒意義。

參考文獻：

[1] 萬小敏.光譜吸收式氣體傳感器探測電路的設計與實現(xiàn)：[學位論文] .武漢:華中科技大學，2011.

[2] 高晉占.微弱信號檢測．2版.北京：清華大學出版社，2011.

[3] 惠建江，劉朝暉，劉文.紅外圖像的噪聲分析和弱小目標的增強.紅外技術,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計及性能測試.傳感技術學報,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.北京：電子工業(yè)出版社，2009.