【正文】 x處光生載流子密度為光生載流子在外電場E作用下的漂移速度。利用半導體的光電導效應(yīng)制成的紅外探測器叫做光電導探測器，目前，它是種類最多、應(yīng)用最廣的一類光子探測器。其在77 K下對8~14波段的紅外輻射有很高的探測率。(3)光伏探測器利用光伏效應(yīng)制成的紅外探測器稱為光伏探測器(簡稱PV器件)。在圖210中，pn結(jié)結(jié)區(qū)存在一個由n指向p的內(nèi)建電場，熱平衡時，多數(shù)載流子的擴散作用與少數(shù)載流子的漂移作用相抵消，沒有電流通過pn結(jié)；當有光照射pn結(jié)時，樣品對光子的本征和非本征吸收都將產(chǎn)生光生載流子，但由于p區(qū)和n區(qū)的多數(shù)載流子都被勢壘阻擋而不能穿過結(jié)，因而只有本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子能引起光伏效應(yīng)；p區(qū)的光生電子和n區(qū)的光生空穴以及結(jié)區(qū)的電子空穴對擴散到結(jié)電場附近時，在內(nèi)建電場的作用下漂移過結(jié)，電子空穴對被阻擋層的內(nèi)建電場分開，光生電子與空穴分別被拉向n區(qū)與p區(qū)，從而在阻擋層兩側(cè)形成電荷堆積，產(chǎn)生與內(nèi)建電場反向的光生電場，使得內(nèi)建電場勢壘降低，降低量等于光生電勢差。光伏效應(yīng)有兩個重要參數(shù)：開路電壓與短路電流，它們的定義都要從pn結(jié)電流出發(fā)。利用pn結(jié)的光伏效應(yīng)制成的紅外探測器已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。利用光磁電效應(yīng)制成的探測器稱為光磁電探測器(簡稱為PEM器件)。光子探測器能否產(chǎn)生光子效應(yīng)，決定于光子的能量。常利用的物理性能變化有下列幾種，利用其中的一種就可以制備一種類型的熱探測器。負溫度系數(shù)熱敏電阻用得較多，這種熱敏電阻室溫下的阻值為幾歐至幾兆歐。前一類的電阻溫度系數(shù)很高；后一類材料的電阻溫度系數(shù)比較低，性能比較穩(wěn)定，可用于較大的溫度范圍。如圖212所示，兩種不同材料或材料相同而逸出功不同的物體，當它們構(gòu)成閉環(huán)回路時，如果兩個接點的溫度不同，環(huán)路中就產(chǎn)生溫差電動勢，這就是溫差電效應(yīng)。圖213是輻射熱電偶工作電路示意圖，圖中，為輻射熱電偶吸收輻射產(chǎn)生的溫差電動勢，為熱電偶的內(nèi)阻，為負載電阻。為熱探測器的吸收系數(shù)，為熱電偶熱端溫度，為輻射能的幅值，為圓頻率。將若干個熱電偶串聯(lián)在一起就成為熱電堆。壓強增加的大小與吸收的紅外輻射功率成正比，由此，可測量被吸收的紅外輻射功率。熱探測器是一種對一切波長的輻射都具有相同響應(yīng)的無選擇性探測器。二、熱探測器對各種波長的紅外吸收均有響應(yīng)，是無選擇性探測器；而光子探測器只對短于或等于截止波長的紅外輻射才有響應(yīng)，是有選擇性的探測器。常用的熱釋電探測器有：硫酸三甘肽(TGS)探測器[40,41]、鈮酸鍶鋇(SBN)探測器[42]、鉭酸鋰(LiTaO3)探測器[43,44]、鋯鈦酸鉛(PZT)探測器等[45,46]。在管殼的頂部設(shè)有濾光鏡。但這些面束縛電荷常常被晶體內(nèi)部或外部的電荷所中和，因而顯示不出來。如果在熱釋電晶體沿極化軸的端面裝上電極，那么自發(fā)極化在電極上感應(yīng)的電荷量為 (235)式中A為光敏面面積。所以利用熱釋電探測器探測的紅外輻射必須要經(jīng)過調(diào)制。熱釋電晶體自發(fā)極化強度隨溫度變化，使電極表面感應(yīng)電荷發(fā)生變化，其電路連接和等效電路如圖215所示[49]：電流源的電流強度為式中為熱釋電系數(shù)；為光敏面的面積[50]。工作電壓~15V工作電流~24A本章詳細介紹了紅外測溫儀光學系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計和選擇。為了探測目標，需要對目標輻射能進行調(diào)制，即把紅外系統(tǒng)接收到的恒定輻射能轉(zhuǎn)換成隨時間變化的斷續(xù)的輻射能，以便熱釋電紅外探測器的接收和后續(xù)電路的處理。課題中所使用的斬波器形狀如圖31所示。為了可靠地控制斬波器的轉(zhuǎn)動，課題中采用步進電機帶動斬波器轉(zhuǎn)動，而步進電機則由SAA1042芯片進行驅(qū)動。步進電機具有轉(zhuǎn)動慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點?？梢圆捎脙上嚯p四拍的驅(qū)動方式，按AB—BA—BA—BA—AB的次序，依次給四個線圈通電，步進電機就能順時針旋轉(zhuǎn)。SAA1042的各引腳功能如下：三個輸入端接收微處理器來的控制指令，內(nèi)部均設(shè)有滯環(huán)緩沖電路，以消除噪聲影響。輸入低電平時為整步方式，輸入高電平時為半步方式。二、在RB上加上一定電壓信號作為本集成電路的狀態(tài)設(shè)置(Set信號)。NE555工作于多諧振蕩狀態(tài)的外部接線圖如圖34所示。在這種工作方式中，電容的充電值和放電值分別在(1/3) Vcc和(2/3) Vcc之間。=(33)中，可得R1= R2≈750k。對這種能量過于微弱的電信號，既無法直接顯示，一般也很難做進一步的分析處理。此外，由于集成運算放大電路的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出阻抗又低，構(gòu)成有源濾波器后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。因此可以計算出來紅外測溫儀的工作頻率為20 Hz。OP07的具體參數(shù)如表32所示 表 32 OP07的功能參數(shù) Table 32 Function parameter of OP07參數(shù)參數(shù)值參數(shù)參數(shù)值參數(shù)參數(shù)值輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電流轉(zhuǎn)換速率輸入偏置電流2nA最大輸出電壓177。則濾波電路和放大電路的連接如圖36所示由下列公式可計算出濾波器的中心頻率和帶寬式中B為濾波器的帶寬，f0為濾波器的中心頻率，G39。 課題中采用的放大電路如圖38所示課題中采用兩級耦合放大電路，級間采用阻容耦合方式，以消除直流信號的影響。兩級電路的放大倍數(shù)約為1 000倍左右。整形電路采用四個鍺二極管組成的橋式整流電路，經(jīng)過整形后的信號就成為單向的脈動信號。第4章數(shù)據(jù)的采集和顯示 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇A/D轉(zhuǎn)換器的種類繁多，特性各異。而A/D的轉(zhuǎn)換精度是指在一個轉(zhuǎn)換器中，任何數(shù)碼所對應(yīng)的實際模擬電壓與其理想電壓之差的最大值。綜合考慮，本課題選用了美國BB公司生產(chǎn)的ADS7824模數(shù)轉(zhuǎn)換器。與其它ADC相比，ADS7824具有非常低的功耗和豐富的片上資源，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，工作性能好，可在40~80℃范圍內(nèi)正常工作，非常適用于儀器儀表及便攜式探測器使用。積分非線性(INL)最大為177。孔徑延遲(aperture delay)時間為40 ns。采用單+5 V電源供電。采樣后，公共端與地斷開，自由端與輸入信號斷開。ADS2874有28個引腳，其各引腳定義如下：AGND1(1)，AGND2(8)：模擬地。D7～D5(9，10，11)：當PAR/SER端為高時，為8位并行數(shù)據(jù)高三位輸出，為低時呈高阻態(tài)。D3(13)：當PAR/SER端為高時，該端輸出8位并行數(shù)據(jù)bit3，PAR/SER為低時，該端輸出為同步信號SYN，當系統(tǒng)使用多個ADS7824時，使用該引腳可實現(xiàn)各個芯片數(shù)據(jù)輸出的同步。D0(17)：當PAR/SER為高時，該端輸出為8位并行數(shù)據(jù)bit0，PAR/SER為低時，該端為串行輸出標記端。在讀取期間，若BYTE為0，則高8位有效；若為1，則低4位有效。轉(zhuǎn)換開始時，BUSY為低電平；轉(zhuǎn)換完成后，該端輸出為高電平。Vs1，Vs2(27，28)：+5 V電源輸入端。圖中，（非）狀態(tài)，BUSY（非）為1時，表示ADS782完成了一次轉(zhuǎn)換。同時由于74LS373的片選端CE（非）。其典型封裝有3腳TO92，8腳SOIC和6腳TSOC等形式。與目前多數(shù)標準串行數(shù)據(jù)通信方式，如SPI/I2（平方）C/MICROWIRE不同，它采用單根信號線既傳輸時鐘又傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。單總線只有一根數(shù)據(jù)線。 單總線要求外接一個約5 k的上拉電阻，這樣，單總線的閑置狀態(tài)為高電平。另外在寄生方式供電時，為了保證單總線器件在某些工作狀態(tài)下(如溫度轉(zhuǎn)換期間、EEPROM寫入等)具有足夠的電源電流，必須在總線上提供強上拉(如圖45所示的MOSFET)?；趩慰偩€上的所有傳輸過程都是以初始化開始的，初始化過程由主機發(fā)出的復位脈沖和從機響應(yīng)的應(yīng)答脈沖組成。這些命令還允許主機能夠檢測到總線上有多少個從機設(shè)備以及其設(shè)備類型，或者有沒有設(shè)備處于報警狀態(tài)。這些命令允許主機寫入或讀出DS18B20暫存器、啟動溫度轉(zhuǎn)換以及判斷。主機在發(fā)出功能命令之前，必須送出合適的ROM命令。在主機檢測到應(yīng)答脈沖后，就可以發(fā)出ROM命令。每次訪問單總線器件，必須嚴格遵守這個命令序列，如果出現(xiàn)序列混亂，則單總線器件不會響應(yīng)主機。位傳輸之間的恢復時間沒有限制，只要總線在恢復期間處于空閑狀態(tài)(高電平)。單總線端口為漏極開路。1wire單總線適用于單個主機系統(tǒng)，能夠控制一個或多個從機設(shè)備。其結(jié)構(gòu)如圖44所示。 DS18B20功能簡介DS18B20是美國DALLAS公司推出的單線數(shù)字化測溫IC芯片。數(shù)據(jù)讀取完成后，單片機將R/C（非）和CS（非）端置低40 ns~12μs以啟動下一次轉(zhuǎn)換，此時BUSY輸出為低電平。圖42為ADS7824在并行方式下數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的時序圖[56]。PWRD(26)：電源關(guān)閉模式端，高電平有效。CS(23)（非）：片選端。PAR/SER(20)：并行/串行輸出選擇端。D2(15)：當PAR/SER端為高時，該端輸出8位并行數(shù)據(jù)bit2，PAR/SER為低時，為串行時鐘信號輸出。D4(12)：當PAR/SER端為高時，該端輸出8位并行數(shù)據(jù)bit 4，PAR/SER端為低時，該腳為串行時鐘選擇端。10 V。然后，所有電容的自由端接地以驅(qū)動公共端至一個負壓VIN。 圖41所示為ADS7824的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖它采用的是具有固有采樣/保持功能的電容式DAC(CDAC)轉(zhuǎn)換方式，CDAC是根據(jù)電荷再分配的原理產(chǎn)生模擬輸出電壓的。差分電壓輸入范圍為177。具有連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、轉(zhuǎn)換無失碼。采樣頻率為40k Hz，最大采樣與轉(zhuǎn)換時間為25μs。該芯片是一種開關(guān)電容式逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其內(nèi)部自帶采樣保持器(SHA)、時鐘源、+ V參考電壓及與微處理器的并行/串行接口。A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率應(yīng)大于400 Hz。這樣，就能選擇性能合適、性價比較高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 本章詳細闡述了系統(tǒng)信號的調(diào)制方式及其實現(xiàn)。此信號經(jīng)過放大和濾波，變成了近似于正弦波的交流信號。在放大電路中，對幅值為2 mV，頻率為50 Hz的方波信號進行仿真。對該電路進行Pspice仿真，其仿真結(jié)果如37圖所示。22V開環(huán)增益104dB共模抑制比110dB電源電壓抑制比104dB靜態(tài)功耗4mW輸入電阻失調(diào)電壓溫度系數(shù)開環(huán)帶寬噪聲電壓最大差模輸入電壓177。其共模輸入阻抗可達200 M，輸出阻抗僅為60。每20個時鐘脈沖就會使步進電機旋轉(zhuǎn)一周。另外，由于信號中不可避免的包含有各種噪聲，所以必須要對探測器檢測到的信號進行濾波，以使有用頻率信號通過而同時抑制（或大為衰減）無用頻率信號。 圖 35 步進電機驅(qū)動電路 Fig. 35 Driving circuit of electromator熱釋電探測器接收到經(jīng)過斬波器調(diào)的紅外輻射能量后，轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛔兊拿}沖電信號。充電時間（輸出高電平）為 （31）放電時間（輸出低電平）為 （32）振蕩信號的周期為 (33)占空比為 (34)本課題需要一個100 Hz，占空比為50%的方波信號。工作時，外接電容C2通過電阻R1+R2充電，通過R2放電。中間的113腳為接地端。四端內(nèi)部均接有二極管，它們共同接至引腳2，一般從2腳到15腳之間串入穩(wěn)壓二級管，使繞組產(chǎn)生的過高正向尖脈沖得到鉗位，以保護驅(qū)動級中的晶體管。10腳是Cw/Ccw控制步進電動機轉(zhuǎn)向的輸入端，輸入邏輯電平0或1，分別對應(yīng)于步進電動機順時針(Cw)或逆時針(Ccw)方向。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖33所示。課題選用豐源微特電機有限公司生產(chǎn)的20BY20L01型兩相永磁步進電機，其主要性能指標如表31所示。每輸入一個脈沖，電機轉(zhuǎn)軸就步進一個步距角增量。因此，斬波器不斷地旋轉(zhuǎn)，探測器就會輸出一系列的脈沖信號。對于交流信號，可以用交流放大器進行放大和處理。