一种PbS红外探测器电制冷自整定恒温控制电路的设计

张伟 张建尹 德有 霍亮��

摘要：本文介绍了一种应用于电制冷PbS红外探测器的自整定恒温控制电路的设计方法。由于PbS探测器特性使得温度变化直接影响其本身的探测效率，因此对于红外探测器的温度控制尤为重要。本设计能够实现PbS探测器温度自动检测整定并调整探测器电制冷控制电压，形成闭环控制，提高了控制响应速度和输出稳定性。

关键词：PbS；电制冷；自整定；恒温控制；稳定性

A design of selftuning constant temperature control circuit

for electric refrigeration PbS infrared detector

ZhangWeiZhangJianYinDeYouHuoLiang

LiaoNingDanDong.DongFangCeKongLiaoNing DanDong 118000[WT]

Abstract：This paper introduces a method of the selftuning constant temperature control circuit applied to electric refrigeration PbS infrared detectors. Due to the performance of PbS detectors， the temperature changes can directly affect the detection efficiency of themselves， so the temperature control is particularly important to the infrared detectors. This design can realize the automatic detection and settingof the PbS detectors temperature， and adjusttheelectric refrigeration control voltage of detectors， to form a closedloop control which improves theresponse speed and output stability.

Key words：PbS；Electric refrigeration；selftuning；temperature control；stability

1 概述

随着科学技术的不断发展，红外线应用领域不断拓展，不光在军事领域，民用领域也越来越重视红外线的应用。PbS探测器是一种针对红外线检测的探测器，现今已经在工业检测仪表，食品检测，图像处理，医学等领域中得到了广泛的应用。

PbS探测器是一种对温度变化非常敏感的器件，由于其探测效率随温度的升高而降低，因此保证探测器的恒温对于检测信号的稳定性和分辨率有重要影响。目前针对电制冷PbS探测器的温度控制基本都是电制冷恒压控制的开环方式，这种方式不能处理由于环境温度变化和红外线光源对于探测器长时间照射引起的温度变化而带来的探测效率的不稳定性，并且由于其温度变化率较快，用数控方式存在滯后现象。本文介绍的是一种基于模拟电路快速响应的自整定恒温电路的设计方法，并已得到应用。

2 PbS探测器

本文使用的是一级电制冷PbS探测器，带有内部温敏反馈电阻。PbS探测器是一种对温度非常敏感的器件，如图1所示，其探测器效率随温度的升高而降低，根据曲线图和实际应用，最佳适应工作温度为0℃到5摄氏度。如图2，图3所示，一级制冷PbS探测器的电制冷特性其工作电压为0到0.8V，工作电流小于1.4A，而对应0℃的工作电压为0.5V，0.5A左右。

3 电路设计

3.1温度自整定电路

一级电制冷PbS探测器带有内部的温敏反馈电阻，其阻值随温度的变化而变化，如图4所示，J13，J14为PbS探测器温敏电阻端口，将温敏电阻引入桥式电阻电路中，其中R28是探测器温敏电阻的温度匹配电阻，即阻值是设定温度的阻值，R5是运算放大器的放大电阻，用于控制探测器电制冷响应时间和控制精度。当探测器温度大于设定温度时，运算放大器输入偏差为正，经过输出正向放大电压，反之，输出负电压。

3.2 制冷控制

如图5所示，J1D为制冷片供电电压输入，R31为限流保护电阻，J14，J1E为PbS探测器制冷电压输出端。R11和R10构成控制电压反馈电路，Q1，Q4，Q7构成制冷电压输出缓冲器， R1为PbS探测器制冷器匹配电阻。当前端运算放大器输出正向电压时，Q7三极管导通，Q1，Q4构成并联电路，即R1与PbS探测器制冷器为并联状态，R1为功率电阻，其阻值与PbS探测器的制冷器阻值相匹配，由于R1阻值与制冷器的阻值相近，可以通过测试R1两端电压测得制冷器的电流；当前端运算放大器输出负向电压时，Q7截止，无电流经过PbS探测器，而电流可经过R1向另一个PbS探测器的制冷器供电。

4 设计实现与验证

本文作者将此设计应用到红外线纸张水分检测系统中，使用红外线斩波光源，经过平行光路，照射到纸张后，经过平行光路，由3路红外探测器接收信号，3路PbS探测器信号通过信号处理电路，进入上位机A/D采集卡，并在主机中显示器电压变化。如图6所示原理图。

如图7所示，纵轴代表幅值，粉色线代表温度，红色，蓝色，黑色线代表3路PbS探测器的采样信号幅值。由于PbS探测器制冷电压使用固定输出，造成探测器温度随环境温度变化受到影响，因此造成其信号输出不稳定。而图8为使用自整定恒温控制的探测器信号，前后对比可知，由于增加了自整定恒温控制电路，PbS探测器的信号变化不受环境温度的变化影响，输出更加稳定。

在实际测试中，PbS探测器信号还受到光源，斩波器的输出稳定性等因素影响，但是温度变化带来的影响是最大的，从采样显示的结果显示，在未使用自整定恒温控制电路时，由于制冷器受固定输出电压控制，不能很好的适应环境温度变化，因此造成采样信号的不稳定，影响了检测仪表的精度和稳定性；通过实验分析，设计实现的自整定恒温控制电路能够很好的消除环境温度变化对探测器的影响，而且由于使用的是模拟电路，避免了使用数控调整带来的滞后效应，很好的适应了PbS探测器的温度敏感特性。

5 结语

PbS探测器是目前流行的一种低成本红外线探测器，在民用领域中得到了越来越多的应用，本文设计的自整定恒温控制电路提高了PbS探测器温度适应性，从而提高了产品的精度和稳定性，另外应当注意的是在电路中的散热问题，这是由于三极管和功率电阻的上通过的电流造成热效应而导致的，在实际应用中，建议三极管使用铝制散热片导热和对功率电阻的散热，最好能够保证仪表壳体的内部恒温，以便能够更好的保证探测器的稳定性和精度。

参考文献：

[1]李国伟.PbS红外探测器的制备和性能研究[D].电子科技大学，2010.

[2]魏桂香，姜波.一种数字式红外火焰探测器[J].北京理工大学学报，1999（05）.