噪声对红外传感器性能的影响研究

噪声对红外传感器性能的影响研究

国亚南 王帅 袁佳怡

中国电子科技集团公司第四十九研究所 黑龙江省哈尔滨市 150000

摘要：随着物联网的飞速发展，各类传感器得到了广泛的应用。可使用传感器将各类物理量如温度、压力、光等转换为电压、电流参数，经线性化处理后上传到网络，汇总物联网中心进行远程的分析、控制，实现资源共享。对热释电红外传感器进行了噪声分析，掌握了影响系统噪声的特点。选用结型场效应管对信号进行前置低噪声放大，利用双路消噪的原理设计了二级增益可调的放大滤波电路。对处理前后的信号进行了分析，消除了系统的外部噪声和内部噪声。通过搭建的测试平台，对制作好的红外传感器进行了数据处理和性能测试。

关键词：红外传感器；原理；应用  

红外线传感器可以将红外辐射直接转化为电能，此类传感器可以分为热释红外传感器与光子红外传感器两种类型，热释电红外传感器可以在室温下使用，虽然其响应速度与探测率比不上光子型传感器，但是已经可以满足大多数行业的使用需求，尤其是在民用领域中，表现出了良好的发展前景。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。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。

一、红外传感器的原理与特征

利用棱镜可分为红、橙、黄、绿、绿、蓝、紫，这几种颜色，这些颜色都属于可见光，波长范围在0.36μm ~ 0.76μm之间，在红色和紫色之间，有我们肉眼看不到的光，这就是不可见光，红外光是不可见光的一种，其波长范围为0.76μm ~ 1000μm。在室温下，任何物体都会发出红色的外部辐射，如动植物、汽车、火焰等，但不同的物体，其红外波长不同，红外还具有折射、反射、散射、吸收和干扰等性能，热效应十分显著。物体的红外波长与温度呈反比关系，温度越低，则红外波长会越长，以人体为例，37℃温度下的红外波长为9μm ~ 10μm，而400℃~ 700℃的物体，其波长为3μm ~ 5μm。热释电红外传感器是利用不同物体红外波长的差异来达到温度检测的目的。热释电红色外丝传感器的内部热电元件由Ba-TiO2、PZT和LiTaO3组成。在温度的变化下，铁电体的极化强度也会发生变化。当照射不同的物体时，晶圆片的温度也会发生变化，这会影响传感器的偏振强度。如果铁电片能接负载电阻，那么负载电阻就会显示一个信号，温度变化就会不同，输出的信号也会不同，这就会影响入射红外光的强度。只要有红外光照射，传感器的温度就会发生变化，发出交变信号。热释电红外传感器的内部元件主要包括壳体、热释电元件、滤波器、结场效应管等。滤光片的应用可以避免其他光线对测量数据的干扰，结场效应管设置在管的底部，将敏感元件发出的热释电信号进行抵消，可以最大限度地减少外界因素对测试数据准确性的影响。另外，热释电红外传感器要顺利完成工作，还离不开滤光材料，避免红外线进入传感器，不同的检测区域对于光谱响应范围的要求是不同的，在具体应用过程中，可以根据需求添加硅、锗、聚乙烯等材料。

二、热释电传感器的噪声分析

由于探测器的输出信号非常微弱，影响因素很多，所以有必要对传感器输出信号的干扰进行分析。在热释电传感器检测甲烷的应用中，影响传感器输出信号的噪声源主要分为两类:外部噪声和内部噪声。由外部干扰源产生并以某种方式耦合到信号检测电路的噪声称为外部噪声。常见的电气设备会影响噪声，如辉光放电、火花放电等。机械振动噪声，如压电效应、颤振效应等;电力线噪声，如电磁干扰、电网电压波动等。这些噪声通过功率耦合、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的固有噪声和热噪声。如图。

对传感器检测到的输出信号进行频率分析。从图中可以看出，噪声对有用信号的影响是非常明显的。对比噪声分布图可以看出，主要的噪声干扰是热噪声、1/f噪声(接触噪声)、机械振动和工频干扰。如图所示。

对比表明，1/f噪声的影响最小。1/f噪声是由两导体接触点电导的随机波动引起的，它存在于所有导体接触不理想的器件中。噪声的幅值一般为10 μV，服从高斯分布，10 Hz以下的电路内部噪声主要受其影响。热噪声是由元件载流子的随机运动引起的随机电流波动引起的。它包括结场效应管、热释电元件和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：

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，用图的等效噪声模型表示。

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。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。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。

1、信号提取设计。热释电探测器的源内阻非常高，可达1012Ω，使用结场效应管2SK545(高跨导，低噪声)与敏感单元匹配，将探测器信号放大变换一次，即可变成mV电压信号，其中CA为等效电阻的输入电容，Rf为负载电阻。将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。

2、信号的放大滤波设计。由得到的信号仍然只有毫伏级，噪声效应明显。因此，设计如下电路进行处理。放大使用LM358双通道，高增益，频率补偿运算放大器。放大滤波电路设计为增益可调的两级电路，既可以将环境噪声降低到较小的值，又可以合理地放大实际信号，处理后的信号可以更加稳定，增强了后级电路的驱动能力。它是一个带通滤波和放大电路，从输入端得到的电压信号是输入。电容C1阻挡输入信号的直流电压，为电路提供2.5V的直流偏置以供运行。 该滤波器的高通截止频率为：

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。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。对于微弱的外部噪声，红外传感器的性能未受到显著影响，当噪声逐渐变强增长到一定程度后，红外传感器的性能明显下降并严重影响了传感器成像效果,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] 周蓉 . 物联网技术在食品冷链物流中的应用参考模型 [D]. 北京 ：北京交通大学，2012.

[2] 骆大伟 . 冷链物流发展现状及关键技术分析 [J]. 物流科技，2011 （12）：116-118.

[3]兰洪杰，康彪.食品冷链物流系统要素分析 [J].物流技术，2010 （21）：22-25.

[4] 秦立公，吴娇，董津津. 基于物联网的冷链物流设备管控研究[J].安徽农业科学，2012 （18）：376-379.

[5] 王晓娟 . 冷链设备无线监控系统采集模块的设计与实现 [D].青岛 ：中国海洋大学，2007.