热敏探测器时间特性测试仪研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 6 4 1.47MB 65 页 15积分

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摘要

随着工农业生产和科学技术的迅速发展，红外技术在各个领域中得到日益广

泛的应用。由于热敏探测器具有探测率高、结构牢靠、稳定性好、能在室温下工

作等优点，其应用范围与应用领域不断扩大。

时间常数是热敏探测器的一个重要的性能参数，它反映了热敏探测器响应速度

的快慢，也是衡量热敏探测器动态测试性能的一项重要指标。在工农业生产、航

天、环保、国防和科研等许多应用领域，对热敏探测器的时间常数都有具体的要

求。因此根据需要应用的场合选择具有合适的时间常数的热敏探测器是一项很有

意义并且必不可少的工作。为了便于我们挑选探测器或者判断一个探测器能否用

于某种场合，必须对热敏探测器的时间常数进行测试。

为了解决目前热敏探测器时间特性测试中存在的测试不方便，测量误差大的问

题，本文设计了一套通用的、使用方便、测试精度高、可靠性强的新型热敏探测

器时间特性测试系统。用可调制半导体激光器替代黑体辐射源，利用前置放大器

将热敏探测器输出的微弱信号放大，然后用高精度的数据采集卡实时采集数据，

并将数据保存在上位机硬盘上，最后通过 VB 调用 MATLAB 来实现响应波形的输出

和时间常数的计算。研制的时间特性测试仪具有如下特点：

（1）采用半导体激光器作为热辐射源，易于调制，并使得仪器易做到小型化。

（2）能直观的显示出被测热敏探测器的时间常数及响应特性曲线，不需要通

过示波器来观察估算，测量精度较高，降低了测量仪器的成本。

（3）这是一个自动测试系统，整个测试过程无需人的干预，全由计算机的智

能控制来完成，操作起来简单方便。

使用单位反馈信息表明，该仪器的测量精度为 3%，重复性好，可以满足实际

使用需要，为热敏探测器的时间常数测试和科研工作提供了有力的工具，具有良

好的应用和推广价值。

关键词：热敏探测器时间常数调制半导体激光器

VB MATLAB

ABSTRACT

As the rapid development of the technology in industry and agriculture, infrared

technology has been used in various fields. A thermal detector has so many advantages

such as high detectivity, firm structure, good stability, working under room temperature

and so on that its applications have been expanded.

Time constant can reflect the responding speed of a thermal detector, it is not only

an important technical parameter but also a crucial point on scaling its dynamic testing

capability. Actually in the fields of industrial and agricultural production,aerospace,

environment protection, national defence and scientific research and many other

applications,the time constant of a thermal detector has specific requirements.Therefore,

selecting a thermal detector with appropriate time constant according to the application

is an important and essential work. In order to facilitate our selection of detectors or

determine whether a detector can be used to a certain occasion,it is very necessary to

test the time constant of the thermal detectors.

In order to resolve the problem of unconvenient to test and having high error rate

during the time constant testing, we design a new suit of test system in this article,

which is common,easy to use,has high accuracy and reliability.This system bases on

semiconductor modulated laser, which replaces blackbody radiation source,using a

preamplifier to amplify the weak signal that the thernal detector outputs, and then uses

high-precision data acquisition card to collect real-time data,which will be stored in the

host computer hard drive,and at last, uses the technology of VB calling MATLAB to

realize outputing graphic model and calculating time constant. The tester has the

following characteristics:

(1)It uses a semiconductor laser as the heat radiation, which is easy to be modulated,

and this makes the instrument easy to be small.

(2)It can demonstrate the thermal detector’s time constant and response

characteristic curve, without going through the oscilloscope to observe and

estimate,which reduces the cost of the instrument and makes it have high measurement

precision.

(3) This is an automated test system ,and the entire testing process is completed by

the computer’s intelligent control,so it can be easy and convenient operated.

Feedback from the users indicates that the instrument has good reproducibility and

its measurement accuracy is 3%, which can meet the actual needs. It provides a

powerful tool for the test of thermal detectors’ time constant and research work, and it

has good value and popularization.

Key Word: thermal detector, time constant, modulation,

semiconductor laser, VB , MATLAB

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ......................................................... 1

§1.1 课题的研究背景 ............................................ 1

§1.2 课题所研究的内容及实施方案 ................................ 3

§1.3 课题的创新点 .............................................. 4

第二章热敏探测器时间特性测试系统的原理 ............................. 5

§2.1 热敏探测器时间特性测试系统的组成及特点 .................... 5

§2.2 光辐射热源的选择 .......................................... 5

§2.2.1 光辐射热源的选择依据 ................................. 5

§2.2.2 本设计中选用的光源类型 ............................... 6

§2.3 热敏探测器的工作原理及其特性 .............................. 7

§2.3.1 热敏探测器的结构 ..................................... 7

§2.3.2 热敏探测器的工作原理 ................................. 8

§2.3.3 热敏探测器的时间特性 ................................. 9

§2.4 时间常数测试方法的选择与论证 .............................. 9

第三章系统硬件平台的设计 .......................................... 14

§3.1 系统的硬件结构 ........................................... 14

§3.2 光学系统的设计 ........................................... 15

§3.3 前置放大器的设计 ......................................... 16

§3.4 XY 二维平移台运动控制电路的设计 ........................... 18

§3.4.1 二维平台的型号选择及其参数 .......................... 18

§3.4.2 步进电机的工作原理及其细分驱动电路板的型号选择 ...... 19

§3.5 数据采集系统的设计 ....................................... 21

§3.6 电源模块的设计 ........................................... 24

§3.7 系统实物图 ............................................... 24

第四章系统软件平台的设计 .......................................... 26

§4.1 软件的整体结构与功能及其设计方式 ......................... 26

§4.1.1 软件的整体结构与功能 ................................ 26

§4.1.2 软件的使用 .......................................... 28

§4.1.3 软件的设计方法 ...................................... 29

§4.2 各个模块的功能及其设计方式 ............................... 30

§4.2.1 光源调制模块的设计 .................................. 31

§4.2.2 数据采集模块的设计 .................................. 31

§4.2.3 保存数据模块的设计 .................................. 34

§4.2.4 二维平台运动控制模块的设计 .......................... 36

§4.2.5 时间常数的计算与图形生成模块的设计 .................. 39

§4.3 软件调试过程中所出现的典型问题及其解决方法 ............... 46

第五章系统测试结果及讨论 .......................................... 49

§5.1 硬件测试 ................................................. 49

§5.2 系统测试 ................................................. 50

§5.2.1 热敏探测器时间特性测试仪的使用说明 .................. 51

§5.2.2 系统整体测试的结果 .................................. 51

第六章总结与展望 .................................................. 56

参考文献 ............................................................ 59

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 61

致谢 ................................................................ 62

第一章绪论

1.1 课题的研究背景

随着工农业生产和科学技术的迅速发展，热探测技术在各个领域中得到日益广

泛的应用，并引起科研及工业部门的重视。由于热探测的探测率高，对波长基本

上没有选择性，能在室温下使用以及结构较牢靠，稳定性较好等优点，使得热探

测的应用范围和应用领域不断扩大。目前，热探测已经被广泛地应用在气象预报、

森林的火险探测、地质灾害和各种自然灾害的预报以及军事等许多方面。

由于热敏探测器的非接触测量特性，在有毒、有害、高温、移动的对象的测量

方面有着其他的接触式热测量方法无可比拟的优点，因而其应用领域越来越广，

不仅应用于空间探测中，而且在国防、工业生产、交通运输及科研战线等很多领

域都有着广泛的应用。在热敏探测器的各个组成部分中，最重要的是探测器前端

的热敏元件，其性能的好坏直接关系到探测器的性能，影响到测试的结果，因此

受到各国科研人员的重视。

时间常数是热敏探测器的一个重要的性能参数，它反映了热敏探测器响应速

度的快慢，也是衡量热敏探测器动态测试性能的一项重要指标。在工农业生产、

航天、环保、国防和科研等许多应用领域，对热敏探测器的时间常数都有具体的

要求。例如测量汽车发动机吸入空气的温度，要求热响应时间小于 1s ；内燃机燃

烧室表面瞬态温度测量要求 1ms～2ms ；测量冲击波和爆轰波波阵面的温度，则要

求达到 10ns【1】

。因此根据需要应用的场合选择具有合适的时间常数的热敏探测器

是一项很有意义并且必不可少的工作。为了便于我们挑选探测器或者判断一个探

测器能否用于某种场合，对热敏探测器的时间常数进行测试是十分必须的。

目前国内外测量热敏探测器的时间常数的方法主要有以下几种：

（1）电加热法。利用电加热法来测量热敏探测器的时间常数，即检测热敏探

测器随着通过它的阶跃电流的变化，用曲线拟合的方法来计算时间常数。由于热

敏探测器的偏差，从而引入了误差。误差的大小决定于测量电流，因而，可通过

限制电流的大小来减小误差，但这将导致信号也会减小【2 , 3】。

（2）把正负阶跃电流加到热敏探测器上测定时间常数的方法。对于这种方法，

电流噪音误差和曲线拟合引起的误差较大【3】

。

（3）用调制盘对黑体辐射源进行调制，通过示波器来测量时间常数的方法。

热敏探测器时间特性测试仪研究

中国科学院上海技术物理研究所正在使用的用于测量热敏探测器时间常数的设备

就是采用这种方法。该测试设备如图 1-1 所示：

图 1-1 调制盘调制法测热敏探测器时间特性的设备实物图

它使用黑体作为热辐射源，通过电机带动的调制盘对热辐射进行调制，然后

透过小孔照射到热敏探测器平面上，信号经过放大以后通过示波器来观察响应波

形。在测量过程中，调制盘对热辐射按照一定的频率不断的进行脉冲调制，每一

个脉冲就相当于一个阶跃目标信号，对于每一个阶跃信号，都能在示波器上看到

对应的响应波形，挑选出比较稳定的波形进行分析，从而得出时间常数。

使用黑体作为辐射源，仪器不易做到小型化。

（4）激光调制并通过示波器来测量时间常数的方法。该方法的测试原理图如

图 1-2 所示【4】

：

图 1-2 热敏探测器动态特性测试原理图

激光器输出激光经过光隔离器由平面镀金全反射镜入射到聚焦镜，两镜距离

60mm，平面镀金全反射镜与激光输出成 45°夹角，经聚焦镜后输出的激光被热敏

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摘要：

摘要随着工农业生产和科学技术的迅速发展，红外技术在各个领域中得到日益广泛的应用。由于热敏探测器具有探测率高、结构牢靠、稳定性好、能在室温下工作等优点，其应用范围与应用领域不断扩大。时间常数是热敏探测器的一个重要的性能参数，它反映了热敏探测器响应速度的快慢，也是衡量热敏探测器动态测试性能的一项重要指标。在工农业生产、航天、环保、国防和科研等许多应用领域，对热敏探测器的时间常数都有具体的要求。因此根据需要应用的场合选择具有合适的时间常数的热敏探测器是一项很有意义并且必不可少的工作。为了便于我们挑选探测器或者判断一个探测器能否用于某种场合，必须对热敏探测器的时间常数进行测试。为了解决目前热敏探测器时...

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