热释电探测器特性参数动态响应测量.pdf

第 2 7 卷第 3期 2 0 0 7年 O 6 月 西 安 工 业 大 学 学 报 J OURNAL OF XI AN TE CHNOL 0GI CAL UNI VERS I TY Vo 1 2 7 No 3 J u r L 2 0 0 7 文章编号：1 6 7 3 9 9 6 5(2 0 0 7)0 3 2 0 5 0 4 热释电探测器特性参数动态响应测量 高爱华，刘卫国，张 伟，秦文罡(西安工业大学 光电工程 学院，西安 7 1 0 0 3 2)摘要：分析了热释电 探测器对单脉冲辐射的响应，并组建了热释电探测器特性参数动态响 应测试 系统，利用相关检测原理检测热释电探 测器的电压响应信号，提 高了信噪 比 设计 了基 于 L a b VI E W 的测试软件，用此 系统测试 了热释 电探测器对脉冲辐射的电压响应率Rv和归一 化探测率 D，为热释电探测器参数测试提供 了一种实用的全 自动测试手段 关键词：热释电探测器；特性参数；电压响应率；归一化探测率；L a b V1 E w 中图号：T N2 1 5 文献标识码：A 热释电探测器 的探测原理l】是入射辐射使材 料的温度发生变 化，引发材料的 自发极化强度变 化，在垂直于 自发极化方向的两个 晶面出现感应电 荷 在 自由电荷与感应电荷 中和之前，通过外电路 将其引出，利用感 应电荷的变化来测量光辐射通 量 与其他热电型探测器不同，热释电探测器是响 应于温度随时间的变化率而不是温度值本身，其工 作过程不需要建立热平衡，只响应于斩波、脉冲或 其他形式的调制辐射源，而不随时间变化的稳定背 景辐射和非交流成分的环境噪声响应可以忽略 此 外，热释电探测器还具有室温下工作频率及光谱响 应宽(红外到毫米波，通过使用适宜 的黑体涂层来 吸收辐射，光谱响应范围还可进一步扩展)、探测率 较高、积分灵敏度极高等特点，因此发展 日益迅速，并获得极为广泛 的应用E z-3 由于热释电材料的输出阻抗很高，故一般采用 高输入阻抗、低输出阻抗、低 噪声 的 J F E T作为源 极跟随器与其匹配，以达到阻抗变换的 目的l 5 J 应 用中也有用反相 串联或并联的双元补偿结构敏感 元或电桥结构的四元敏感元来提高探测灵敏度 热释电探测器的响应率和归一化探测率是评 价探测器性能的两个重要参数l 6 在热释电探测器 的开发、研制和使用过程中，准确、迅速、定量测试 评价其性能参数，以便进一步改进其质量、提高热 释电红外探测器的整体性能以及指导人们正确使 用具有重要意义 文 中组建 的热释电探测器特性参数测试系统 基于相关检测原理，利用斩波器获得调制辐射，实 现了对探测器参数的自动测试 1 热释电探测器主要参数测试原理 根据热释电探测器不 同调制频率下动态响应 的测试方法，只需测量不同调制频率下的背景响应 电压及黑体加背景响应电压，即可计算出各个调制 频率下热释电探测器的响应率和归一化探测率 1 1 热释电探测器对单脉冲辐射的响应 热释电探测器对单脉冲辐射的响应实际上是 对两个阶跃辐射响应之和 而热释电探测器受到的 阶跃辐射功率表示为 一W。t 0，器件温升 丁满足的热平衡方程 为 C o d(AT)GAT一,T w。(1)式 中：C Q为器件的热容量；G为热导率；叩 为光敏面 的吸收率 *收稿 日期：2 0 0 7 0 3 0 8 基金资助：陕西省教育厅科研项 目(0 6 J K2 7 8)作者简介：高爱华(1 9 6 7 一)，女，西安工业大学教授，主要研究方向为光电智能化测量与控制系统 E-ma i l：f r e e g a h 1 2 6 c o r l 1 维普资讯 2 0 6 西安工业大学学报 第 2 7 卷 解方程(1)，并利用初始条件，则得 AT=(1 T)(2)r =C Q G为器件的热时问常数 由于器件的温升是均匀的，因此 d_AT一d AT一 P 叫 T (3)dt dt LQ 于是热释电探测器的电流为，一 一 警 一 学()式中：c 和 分别为热释电材料的体积比热和热释 电系数；A和 1 分别为器件的电极面积和厚度 此 时，热释电信号电压为 一()()一 e-tre 其中 C为热释电探测器的电容 在单脉冲辐射照射下，热释电探测器 的温升、热释电电流和电压不仅与热时间常数 r 和电时间 常数 r 有关，而且还与辐射脉冲宽度 C o 有关 热释电探测器对单脉冲辐射 的响应由两个不 同时刻的阶跃辐射响应叠加得到，设脉冲辐照宽度 为 T O，当0 t T O 时，与前面所讨论 的对阶跃辐射 响应情况相同，而 t r 0 时刻器件的温升和电信号 便成为求解 t r o时器件温升和电信号的初始条 件 最后得到在单脉冲辐射照射下，当 r T O 时，热释电探测器的信号电流和电压随时问的变化 规律如图 1 所示 据此用连续调制的脉冲辐射照射 热释电探测器来测量响应率和归一化探测率 、p n 承 l t 辐 射 l J 叶 t 目J 巾崭 t “b 图 1 热释电探测器对单脉冲辐 射的响应 F i g 1 Re s p o n s e o f p y r o e l e c t r i c d e t e c t o r t o s i n g l e p u l s e r a d i a t i o n 2 测试装置硬件构成 所用双元热释电探测器的内部等效 电路如图 2所示，其输出为热释 电电压信号，用低噪声 电压 前置放大器放大后进行测量 热释电探测器性能参 数动态测试系统 由辐射 的产生与调制、样品夹持、热释电信号的检测、读取、处理、显示和保存等部分 组成 动态测试 系统原理框 图如 图 3所示 使 用 E S 1 0 0 0 1 0 0黑体炉作 为标准辐射源，产生红外辐 射；S R5 4 0斩波器对红外辐射进行调制，将人射 的 红外辐射调制成所需工作频率的脉冲信号，S R 5 4 0 同时输 出一个相应的同频信号作为 S R8 3 0锁相放 大器的参考信号 热释电探测器在经过调制的红外 辐射作用下，产生热释电电压，S R 5 6 0电压前置放 大器对信号进行放大，锁相放大器利用相关检测原 理将被测信号从噪声中检测提取出来，同时可以测 量出噪声电压的大小 S R 8 3 0是带并行 GP I B通信 口的智能可程控仪器，通过 GP I B并行通信 口与计 算机进行通信，S R 5 6 0是带串行通信 口的程控仪 器，计算机对前置放大器、锁相放大器进行程控，并 读取数据，进行处理、显示 f 图 2 双元热释电探测器等效电路 F i g 2 E q u i v ale n t c i r c u i t o f d u a l e l e me n t p y r o e l e c t r i c d e t e c t o r 引 ：广厂 丽 网 GPI B 图 3热释电探测器动态响应测试装置框图 Fi g 3 Di a g r a m o f d y n a mi c r e s p o n s e me a s u r e me n t s y s t e m o f p y r o e l e c t r i c d e t e c t o r 为了提高测量的信噪比，并满足热释电器件的 输人变化条件，用斩波器对黑体炉辐射输出进行调 制，利用锁相放大器的相关检测去除噪声信号 斩 波器调制频率不变、黑体炉温度不变时，锁相放大 器直接输出直流电压响应值，用示波器可以实时观 察电压响应输出波形的变化 测量中发现，当光阑 靠近黑体炉，且斩波器、热释电探测器与光阑距离 越近，输 出电压信号越大，这是由于黑体炉的辐射 有一立体角，随着距离变远，能量密度下降所致 3 软件设计 为 了实现测 量 的 自动 化，设计 了基于 L a b VI E w 的测试软件_ 8 L a b VI E W 是一种高性能 的 图形化虚拟仪器编程软件，它在测试与测量、过程 维普资讯 第 3 期 高爱华等：热释电探测器特性参数动态响应测量 2 0 7 控制与处理、科学研究和分析等方面有广泛 的应 用，具有强大、灵活的仪器控制功能，很好的外观效 果，其用户界面可与实际仪器 的操作面板相媲美 提供了功能强大的函数库，包括底 层的 I O控制 子程序、仪器驱动程序、基本的数学函数、图形显示 和分析以及各种高级的分析和处理工具，由于其图 形化编程的特点，易学易用，特别是各大仪器厂家 为了推广其产品，都开发了免费的与 L a b VI E W 接 口的仪器驱动软件，使软件 的编制变得非常容易 软件流程如图 4 所示 同时利用 L a b VI E W 的公式 节点很容易实现被测参数 的计算 图 4测 试 软 件 流 程 图 Fi g 4 Fl o w c h a r t o f me a s u r e me n t s o f t wa r e 本测量控制软件有以下功能：1)提供友好的界面，方便用户设置与测量有 关的参数 2)适时监控检测仪器的工作，根据 当前测试 数据调整相关参数的设置 3)测试数据 及相关参数存人 Mi c r o s o f t e x c e l，增强数据在读取、分析和进一步数据处理方面 的能力 4)测试数据和曲线实时显示 程序的应用模块包括所用测试仪器状态检测、参数及初始值设定；数据采集 数据分析处理、显示 和保存 4 数据处理和计算 测试采用 R E 2 0 0 B热释电探测器，其敏感元阵 列为双元，其面积为 2 6 6 m mX 1 6 2 m i n，光阑孔直 径为 3 2 1 T i m，光阑孔与敏感元距离为 3 1 c m，噪声 的等效带宽为 1 Hz，辐射到探测器的功率 3 P为 P C As AD (6)7 c L 式 中：C 一 为能量均方根转换系数，与斩波器叶面 的形状有关，本测试 中斩波器输 出为矩形脉 冲信 号，(一 取 1 (2 2)；为斯忒藩 一 玻 耳兹曼 常数 5 6 6 7 1 0 1。w(c m。K)；As 为光阑孔面积；AD 为 敏感元面积；L为光 阑孔与探测器敏感元之间的距 离；T 为黑体温度；T o 为叶片表面温度，通常采用 环境温度 电压响应率 R 为 R 一 Vs P 或R 一 I s P (7)其中 P为辐射到探测器 的功率 归一化探测率 D 为 n 一 一 一 丝 一 N EP N EP 7 硫NE P Vs V N 一(8)y N 式 中：A为探测器的面积；A f为测量系统带宽；为噪声 电压，可从 S R8 3 0锁相放大器直接读出 RE 2 0 0 B是一种低频响应(频率 响应范 围：0 3 3 Hz)的热释电探测器，工作时斩波器的频率超 出这一范围，输出电压信号非常微弱甚至完全淹没 在噪声 中，为 了用 S R 5 4 0得到所需的调制频率，将 S R5 4 0的转盘叶面用白色光面纸遮住，只留下一个 方孔透过黑体辐射信号，满足了频率调制要求 去掉测 量 的最大值 和最小 值每 次取 剩下 的 1 0 0 组数求平均值作为本次 电压响应输出的测量 结果，其他值按上面指标代人即可 用示波器 同时观察到的探测器对脉冲辐射的 动态响应波形如图 5所示，0 5 Hz 时响应电压较 大，2 Hz 时信号已经有衰减 与前面理论分析的热 释电探测器对脉冲辐射的电压响应波形吻合(a)温度 4 3 9 K频率 0 5 Hz 时的响应电压(b)温度 4 3 9 K频率 2 Hz 时的响应电压 图 5 示波器显示的探测器对脉冲辐射的动态响应波形 F i g 5 Re s p o n s e wa v e f o r m o n o s c i l l o s c o p e o f p y r o e l e c t r i c d e t e c t o r t o p u l s e r a d i a t io n 维普资讯 2 0 8 西安工业大学学报 第 2 7卷 5 结 论 从理论上分析 了热释 电红外探测器对脉冲辐 射的响应 曲线，组建的全 自动测量系统对热释电探 测器响应参数进行了实际的测试和计算，一方面通 过示波器观察响应信号的实时波形，另一方面利用 锁相放大器的相关检测原理，测量热释电探测器的 响应电压，提高了信噪比 同时锁相放大器直接输 出直流响应电压值的大小，配合计算机软件可以直 接获得所需测量 的响应参数，组建的测量系统可以 推广应用于测量其他热探测器的响应参数 参 考 文 献：1 2 1-3 雷玉堂，王庆有，何加铭，等 光 电检测技术 M 北 京：中国计量出版社，2 0 0 2 I EI Yu t a n g。WANG Qi n y o u，He J i a mi n g，e t a 1 Op t o e l e c t r i c T e c h n o l o g y l,M B e ij i n g：C h i n a Me t r o l o g Y Pu b l i s h i n g Ho u s e，2 0 0 2 (i n Ch i n e s e)闫军，庄乾章 热释电红外传感器的类别特性及应用 J 长春大学学报，2 0 0 4，1 4(6)：2 2 YAN J u n。Z HUANG Qi a n z h a n g Py r o e l e c t r i c I n f r a r e d S e n s o r S Cl a s s i f i c a t i o n C h a r a c t e r i s t i c a n d Ap p l i c a t i o n s l,J J o u r n a l o f C h a n g c h u n Un i v e r s i t y，2 0 0 4，1 4(6)：2 2 (i n Ch i n e s e)陈实，张海波，姜 胜林，等 热释 电非制冷红 外焦平面 现状及发展趋势 J ，红外与激光工程，2 0 0 6，3 5(4)：41 9 CHE N S h i Z HANG Ha i b o，J I ANG S h e n g l i n，e t a 1 1-s 6 7 S t a t u s a n d Tr e n d o f P y r o e l e c t r i c Un c o o l e d I n f r a r e d F o c a l P l a n e Ar r a y s l,J ，I n f r a r e d a n d L a s e r E n g i n e e r i n g，2 0 0 6，3 5(4)：4 1 9 (i n Ch i n e s e)La n g S B。Da s Gu p t a D K Py r o e l e c t r i c i t y：Fu n d a me n t a l s a n d Ap p l i c a t i o n J F e r r o e l e c t r i c s R e v i e w，2 0 0 0(2)：2 1 7 金娜，刘卫国热释电探测器的前置放大电路研究 l-J 西安工业大学学报 2 0 0 4，2 4(3)：2 4 4 J I N Na。LI U W e i g u o Pr e a mp l i f i e r s f o r P y r o e l e c t r i c D e t e c t o r s l,J J o u r n a l o f X i a n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g Y 2 0 0 4，2 4(3)：2 4 4 (i n C h i n e s e)王三红，吴小清，姚熹 复合热释电薄膜红外探测器的 制备和性能测试 J 西安交通大学学报，2 0 0 1，3 5 (2)：1 4 6 W ANG S a n h o n g，W U Xi a o q i n g，YA()Xi F a b r i c a t i o n a n d P r o p e r t i e s o f t h e Mu l t i l a y e r P y r o e l e c t r i c T h i n F i l m I n f r a r e d D e t e c t o r s J J o u r n a l o f X i a n J i a o t o n g Un i v e r s i t y，2 0 0 1，3 5(2)：1 4 6 (i n Ch i n e s e)陈继述，胡燮荣，徐平茂 红外探测器 M 北京：国防 工业出版社，1 9 8 6 CHE N J i s h u。HU Xi e r o n g。XU P i n g ma o I n f r a r e d T e c h n o l o g y-M B e i j i n g：N a t i o n a l Def e n c e I n d u s t r y Pr e s s。1 9 8 6 (i n Ch i n e s e)8 杨乐平，李海涛，杨磊L a b VI E W 程序没计与应用 M 北京：电子_T业出版社，2 0 0 5 YANG Le p i n g，I I Ha i t a o，YANG L e i L a b VI E W P r o g r a m D e s i g n a n d A p p l i c a t i o n l M B e i j i n g：P u b l i s h i n g Ho u s e o f El e c t r o n i c s I n d u s t r y，2 0 0 5 (i n Ch i n e s e)Dy na mi c Re s p o n s e M e a s u r e me nt o f Py r o e l e c t r i c De t e c t o r Pa r a me t e r s GAOAi h u a，L儿 We i gu o，ZHANG We i，QI N We n g a n g (S c h o o l o f Op t o e l e c t r i c a l En g i n e e r i n g。Xi a n Te c h n o l o g i c a l Un i v e r s i t y，Xi a n 7 1 0 0 3 2，Ch i n a)Ab s t r a c t：Th e v o l t a g e r e s p o n s e o f p y r o e l e c t r i c d e t e c t o r s t o p u l s e r a d i a t i o n wa s a n a l y z e d Us i n g l o c k i n a mp l i f i e r b a s e d o n c o r r e l a t i o n d e t e c t i o n p r i n c i p l e，r e s p o n s e v o l t a g e wa s d e t e c t e d A d y n a mi c r e s p o n s e me a s u r i n g s y s t e m o f p y r o e l e c t r i c d e t e c t o r p a r a me t e r s wa s s e t u p S o f t wa r e wa s p r o g r a mme d b a s e d o n La b VI EW Th e p r o p o s e d me a s u r i n g s y s t e m i s u s e d t o me a s u r e t h e v o l t a g e r e s p o n s i b i l i t y a n d n o r ma l d e t e c t r a t i o o f p y r o e l e c t r i c d e t e c t o r t o p u l s e r a d i a t i o n Th e r e s u l t s h o ws t h a t i t i s a p r a c t i c a l a u t o ma t i c s y s t e m f o r me a s u r i n g p y r o e l e c t r i c d e t e c t o r p a r a me t e r s Ke y wo r d s：p y r o e l e c t r i c d e t e c t o r；p e r f o r ma n c e p a r a me t e r s；v o l t a g e r e s p o n s i b i l i t y；n o r ma l d e t e c t r a t i o；I，a b V T FW (责任编辑、校对张立新)维普资讯