红外传感器的微弱信号检测与处理

周雷刚，梁 庭，高利聪

(1.仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051；2.电子测试技术国防科技重点实验室，山西太原 030051)

0 引言

红外技术在夜视仪、防火防爆、自动控制等领域获得了飞速的发展。利用红外技术对瓦斯、乙烯、氢气等气体浓度的检测发展很快，利用MEMS技术制成的热释电红外探测器测量的气体信号经常十分微弱，且容易受到背景噪声、光照强弱、电磁干扰的影响，容易被噪声淹没[1]。为很好实现对微弱信号的检测和处理，依据设计的检测放大电路应具有很高的信噪比的要求，设计了新型的具有低噪声、低功率、高增益的处理电路，并依此研制了具有响应速率快、灵敏度高的测量甲烷浓度的气体传感器。

1 系统的整体设计

整个系统的工作过程如图1所示。

图1 热释电红外传感器信号处理流程图

用控制器发出1个方波信号，经过光耦隔离和稳流电路调制后，驱动红外光源照射在热释电探测器上，得到信号通过前置放大变化电路和二级放大滤波电路转换成能够满足控制器可处理的电压信号，经过控制器的A/D转化处理，得到气体的浓度值显示信号并显示。

从信号的处理设计可以看出，信号输出时采用差动式双通道设计，而且放大滤波过程也完全一致，这样差动信号处理设计可以很好地降低噪声的影响。

2 热释电传感器的噪声分析

由于探测器的输出信号十分微弱，而且影响因素都比较多，有必要对传感器输出信号的干扰进行分析。在热释电传感器探测甲烷的应用中，影响传感器输出信号的噪声来源主要分为两大类：外部噪声和内部噪声。

由外部干扰源产生并通过某种途径耦合到信号检测电路的噪声称为外部噪声。常见的有电器设备影响噪声，如辉光放电、火花放电等；机械振动噪声，如压电效应、颤噪效应等；电力线噪声，如电磁干扰、电工电网电压波动等。这些噪声通过电源耦合、阻抗耦合、传导耦合等方式影响信号。内部噪声主要是探测器固有噪声和热噪声。图2显示了这些内部和外部噪声大致的频谱分布以及各类噪声的频率范围[2]。

图2 系统内外部噪声频率分布

对传感器探测的输出信号做了频率分析，由图3可以看出噪声对有用信号的影响十分明显，对比噪声分布图，可以看出主要的噪声干扰为热噪声、1/f噪声(接触噪声)、机械振动和工频干扰等。

图3 探测器的初始输出信号频谱分析

对比可以看出，1/f噪声的影响最小。1/f噪声是2种导体的接触点电导的随机涨落引起的，凡是有导体接触不理想的器件都存在该噪声。该噪声幅值一般为十几μV，服从高斯分布,在10 Hz以下电路内部的噪声就主要受它的影响[3]。

热噪声是由于元件电荷载体的随机运动引起的电流随机波动造成的。它包括结型场效应管、热释电器件、负载电阻产生的噪声。热噪声主要受温度的影响，不仅对传感器系统本身，而且对引起测量误差的干扰量也有影响。

对于有传感器内阻和负载电阻产生的热噪声，根据玻尔兹曼定律，可以分析得到热噪声幅值：

式中:K为玻尔兹曼常数；T为传感器的绝对温度；R为传感器的等效内阻或负载的阻值；B为频谱宽度；C为探测器元件的等效电容[4]。

结型场效应管的电流噪声将随温度的增加而迅速增加，特别是在高温时，成指数增长。对其进行噪声分析时，一般都是将内部所有的噪声源都等效到输入端，用图4的等效噪声模型表示。

图4 热释电探测器的等效噪声模型

电压源与电流源的功率谱密度分别表示为：

式中：En、In分别为等效输入噪声的电压有效值和电流有效值。

为了将噪声的影响降到最小，在合理设计放大滤波电路的同时，可以通过选择合理的器件降低系统的固有噪声；通过屏蔽、接地等方法抑制外部噪声，使信噪比达到最高。

3 电路设计

由于微弱信号幅值小，信噪比较低，容易淹没在噪声中，因此对具体的信号采用合理的处理方法显得很重要。一般的处理方法有滤波处理、相关检测技术、同步累积法等。比较新的方法有基于混沌振子和噪声的检测技术、小波变化的检测技术等。文中采用滤波放大技术，它具有低噪声、高增益、低输出阻抗、低功耗的特点，能够很好地放大该热释电元件的信号。

3.1 信号提取设计

热释电探测器的源内阻非常高，能够达到1012Ω，使用结型场效应管2SK545(跨导高、噪声小)与敏感单元进行匹配，对探测器的信号进行一次放大和转化，可以变成mV级的电压信号。可将敏感单元前置电路等效为图5。其中CA是等效电阻的输入电容，Rf是负载电阻。将2个一样的热释电元件反向串联起来，构成差动平衡电路，能够将背景噪声的影响降到最低。这样的设计满足了前置放大电路应该具备的低噪声、高增益、低输出阻抗和较低功耗的要求[5]。

图5 热释电元件及其前置放大等效电路图

通过示波器测量探测器的输出信号如图6所示。

图6 探测器的初始输出信号

3.2 信号的放大滤波设计

由上面得到的信号还只是mV级的且噪声影响明显。因此设计了如下的电路进行处理。使用LM358双通道、高增益、具有频率补偿的运算放大器进行放大处理。将放大滤波电路设计成可调增益的两级电路，这样不仅能够将环境噪声降到较小值，而且能够对实际信号进行合理放大，处理后的信号也能更加平稳，驱动后级电路的能力得到加强[6]。

处理电路如图7所示，它是带通的滤波放大电路，将得到的电压信号从Input输入，电容C1隔断输入信号的直流电压，提供电路2.5 V的直流偏置进行工作。该滤波器的高通截止频率为：

低通截止频率为

图7 二级可调增益滤波电路图

放大增益有两级，第一级的放大倍数为

A1=1+(R9+R7右)/(R7左+R8)

第二级的放大倍数为：

A2=R1/R2

总的放大增益为：

A=A1·A2

通过测量经过处理放大后的信号如图8所示。图9为该信号的频谱分析图。

图8 经过处理后的信号

图9 处理后信号的频谱分析

由图9可知，采用放大和滤波处理之后，输出信号已经达到单片机处理信号的要求，可以送入单片机进行处理。

4 结束语

对热释电探测信号进行检测处理，通过分析其信号特性设计了可调增益的放大滤波电路，很好地满足了放大微弱信号低功耗、低噪声、高增益的要求，外部噪声和内部噪声都能基本滤除。并利用配气系统组成的测试平台对传感器性能进行了测试，测试结果表明：信号处理响应速率快、灵敏度高，并具有很好的稳定性和重复性，能够应用到实际中，而且对以后瓦斯、乙烯等气体的监测仪器的设计都有借鉴意义。

参考文献：

[1] 万小敏.光谱吸收式气体传感器探测电路的设计与实现：[学位论文] .武汉:华中科技大学，2011.

[2] 高晋占.微弱信号检测．2版.北京：清华大学出版社，2011.

[3] 惠建江，刘朝晖，刘文.红外图像的噪声分析和弱小目标的增强.红外技术,2005,27(2):135-138．

[4] 刘岗，梁庭，林斯佳，等.铌酸锂晶片热释电红外探测器设计及性能测试.传感技术学报,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] 毕满清.模拟电子技术.北京：电子工业出版社，2009.