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user: 3. 系统架构 本系统由发射端、接收端、待测红外光学系统及电子电路所组成，发射端IR光源使用薄膜陶瓷材料(thin film ceramic)当红外线辐射体，经准直镜发射准直光。IR光源所使用的薄膜陶瓷发射体是奈米结构为无定形的碳薄膜电阻器，保护光窗使用ZnSe材料当做的，其穿透率光谱范围0.55~20.0 μm，因此辐射波长范围也是0.55~20.0 μm。接收端使用热电堆检知器(thermopile sensor)感测红外线信号。图2所示为红外光学系统穿透率量测系统装置方块图，由红外准直光束、热电堆检知器、OP放大电路与A/D IC及8051微处理器等所组成。图3(a)所示为红外光光源配上抛物面镜形成准直系统外观图，图3(b)所示为红外光源调制曲线 [ 3 ]，图中红线代表工作周期(duty cycle) 25%，蓝线代表工作周期(duty cycle) 50%。在调制频率100 Hz以内时，红外光源调制深度达50%。 图2. 量测系统方块图 图3. (a) 薄膜红外光源和抛物面反射镜；(b) 红外光源调制曲线 红外光源为正方形1.5 mm × 1.5 mm，有效发射面积2.25 mm 2 ，需扩束为外径30 mm，调制频率最高达100 Hz。使用TO-5包装，工作温度500℃~750℃，寿命三年。热型检知器的热电堆系由116个小型热感测单元所组成，小型热感测单元直径大小为545 μm，用金属壳封装，图4所示为热电堆检知器外观图。热电堆器(thermopile)前有一5~12 μm的宽带光谱窗口滤光片 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]。热电堆检知器相关光电参数特性如表1所列，输出电压与输入温度特性如图5所示，图5中A与E曲线分别代表不同光谱特性的滤光片。因为红外信号非常弱，thermopile之后需使用低噪声的高放大倍率的OP放大器放大。为提高系统分辨率OP放大器之后使用13 Bit的A/D converter转换成数字信号，此数字信号再经微处理器处理。 图4. 热电堆检知器 Table 1 Optical electrical characteristic 参数 条件 最小值 标准值 最大值 单位 感测单元数目 116 芯片大小 1740*1740 μm 2 感测有效区域 界面层 直径545 μm 基板厚度 硅基板 600 625 650 μm 热电堆电阻 50 65 80 KΩ 灵敏度 5~14 μm滤光片 70 85 100 V/W 检知度 1.0*10 8 1.3*10 8 1.7*10 8 cm*Hz 1/2 /W 时间常数 16 ms 噪声电压 28 32 36 nV/Hz 1/2 等效热噪声 0.28 0.36 0.48 nV/Hz 1/2 温度范围 操作 −20 100 ℃ 表1. 光电参数特性 图5. 输入与输出曲线 本装置关键组件包含发射端的红外线光源(IR Source)和接收端检知热辐射源的热电堆组件(Thermopile)，图6所示为系统架构，系统设计时两者的相关电路必须同时考虑进去，设计方法简述如下：IR Source脉冲电路的目的在于将电源端的直流讯号转换成5 Hz、50 % duty cycle的交流讯号，另一方面输入的直流电压值经由ADC接口解析成数字讯号后，透过89C51处理显示在LCD上。根据LCD显示IR Source的输入电压值，转动旋钮调整至需要量测的红外线光源大小。由于Thermopile属于热电型传感器，依据接收到热辐射量产生对应的电压差，不过产生的电压值约为数百μV，前置放大电路的目的在于将Thermopile的讯号做适当的放大，且Thermopile有可能产生负值电压，电路上加上一个晶体管组件使其有稳定的初始电压，利于当Thermopile产生负值电压时可分辨其不同，后端滤波电路则用于滤除由外部进入同时也被放大的60 HZ噪声，将放大后的讯号转换成直流电压准位输出，以适合后续的A/D转换需求。IR Source所需的输入电压和Thermopile的输出电压都是属于模拟讯号，要将得到的电压值显示在LCD显示接口上，须先将其转换成数字讯号。ADC讯号撷取接口在此处就是负责将取得的模拟讯号转换成数字讯号供89C51处理，且不只一个讯号需要ADC做转换，因此ADC讯号撷取接口还有多任务处理的功能，以便根据89C51的需求，分批转换成数字讯号。输入电压的大小及Thermopile量测到的讯号都要在LCD显示器显示数值，而各处讯号处理的中心89C51，它负责传送所需位置给ADC，ADC再传送数值回来给89C51，再透过89C51将对应的LCD的编码解译，并显示在LCD显示器上。 1) IR Source脉冲电路 主动式的红外线光源(IR Source)，选用HawkEye Technologies LLC公司的IR-55型红外光源发射器(IR Emitter)。IR-55可应用在最高6.4 V的工作电压下(交/直流)。提供高达500℃~750℃的红外光源，光源热区1.7 mm × 1.7 mm。加热时间只要35 ms，而冷却时间更只需11.5 ms，快速度的加热、冷却可以令检测时间大幅的缩短。由于IR-55提供了高温的红外线辐射源，这样就可让热电堆感测组件得到更大感度的讯号输出。另一方面，IR-55所幅射出的红外光源温度远大于待测物体本身的温度，因此待测物体的温度变动就变的不重要了，室温下的温度变动并不会影响反射光源的程度。此外我们用交流电压的方式控制IR-55红外线光源强度，交流电压控制会使组件寿命比直流电压方式控制长久。 图6. 系统架构 为避免红外线光源对待测物产生温升热效应影响，本研究，对红外线光源进行PWM调变，考虑红外线光源加热时间为35 ms，热电堆响应时间也大约为20~40 ms左右，因此设定PWM频率为5 HZ、duty cycle为50%。且每1秒钟PWM停止发射2秒，全部周期为3秒。如图7所示。 图7. PWM调变 程序进行撷取读值时，必须跳过等待热电堆的响应时间，所以是由PWM上升缘后50 ms开始读值，每5 ms撷取一次，然后求其平均值做为数据。在红外线光源的规格数据中提到，要使其发射的红外线相当于750℃的温度需给予6.4 Volts (AC or DC)，为了使红外线光源达到PWM调变，且整体系统架构为单一电源供给，使用以下电路设计。首先用IC HEF40106B使直流电压转换成频率5 Hz，50% duty cycle的脉冲电压，不过转换后的脉冲电压范围为0~5 V，利用桥式整流的观念，我们使用了许多BJT晶体管组合，使其造成频率5 Hz，6.4 Volts的AC讯号如图8红外线光源电路图。 图8. 红外线光源电路 以图8为例Q3组件为npn型BJT电路，三个端点分别是Emitter (射极)、Base (基极)、Collector (集极)，电流I B 及I C 的方向是流入基极和集极，而I E 则是流出射极。BJT晶体管主要利用输入电压(V BE )控制输出电流(I C )，在不同的工作模式下，V BE 与I C 的关系不同。 2) Thermopile的讯号放大 Thermopile的讯号输出大约只有数十μV~数mV左右，为了后续A/D数据撷取，必须进行高倍数的讯号放大。且因制程及材质的关系其内部阻抗也相当大，约在数十KΩ左右且变化很大，因此放大器的选择即是一项重要的工作。要选用适合的放大器，首先要考虑组件的特性。Thermopile的输出为一直流电压准位且压降微弱，只有数十μV~数mV左右，故选用的放大器带宽并不是我们在意的项目，必须特别注意的是V OS (Offset Voltage)这项参数。过大的V OS 将会使电压输出失真，因此我们必须选用低V OS 的运算放大器。另外V OS 的温度飘移(Offset Drift)也应尽量选择低的参数值，以增加整个放大电路的稳定性。总和以上要点，我们选用了MAXIM的MAX4238，MAX4238的V OS 在室温下的典型值只有0.1 μV，即使最大值也只有2 μV，且其V OS 温度飘移为10 nV/℃。另外，MAX4238的增益带宽积(GBWP)也高达1 MHZ，在高倍数放大下也不至于失真，各规格特性均可完全符合我们的需求。 Thermopile的结构上约有数50~150 KΩ的内阻，且非定值，不同组件间的内阻差异也很大，为了排除Thermopile内部阻抗的影响，放大器电路设计上必须使用具有高输入阻抗的放大型式。非反向放大器即具有高输入阻抗的特性，此类型放大器输入阻抗一般可有数十MΩ~数百MΩ的等级。 因此Thermopile讯号输出放大的工作，我们采用此一电路模式，并且设定放大器的放大倍率为1001倍，以提供足够大的讯号放大输出。如图9所示为前置放大电路。 图9. 热电堆前置放大电路 为了滤除同时也被放大的噪声，在放大器的输出端加上一组低通滤波器，以增进参考电压输出的稳定度使得A/D转换上更加精准。设计的低通滤波器电阻为10 KΩ、电容为1 μF，截止频率为15.9 HZ。完整的放大电路如图10所示为Thermopile前置放大电路。 f c = 1 2 π R C = 1 2 π × 10 k × 1 μ = 15.9   Hz (8) 图10. Thermopile前置放大电路 3) ADC讯号转换接口 一般使用微处理机或单芯片来做控制时，若外部电路为模拟讯号需将模拟讯号转换成CPU看的懂得数字讯号，常见的IC为ADC0804来做为A/D模拟转数字的硬件IC，此颗IC有8位的分辨率，如果当成一般实验用，这样的分辨率是可被允许的；若需要相当精准的模拟值，这样的分辨率是不够的。以ADC0804为例，其输入电压是0~5 V，一次的A/D转换时间为100 μs，是使用并列阜做为传输接口，想要更快转换速度且更精准的分辨率，我们选用Microchip的MCP3302来进行A/D转换的工作。 MCP3302是一个SPI (Serial Peripheral Interface)串行接口的13bit SAR型模拟/数字转换器(A/D Converter)，可依需求使用4通道单端输入或2通道差动输入，电源电压使用5 V时，取样频率(sampling rate)可以达到100 KHZ，量测误差最大为±1 LSB INL (MCP3302-B)或±2 LSB INL (MCP3302-C)。 MCP3302使用上必须遵循其制定的SPI命令格式来对其进行转换与读取的动作。MCP3302的串行接口有三个入接脚，一个讯号输出接脚，其通讯格式里为一个启始位之后接着4个命令位，此4个位指定了MCP3302的动作模式，分别为1 bit的单端/差动选择位(Single/Diff)和3 bits的channel选择位(D2~D0)。 本研究ADC讯号撷取接口电路图如图11所示。电路图中MCP3302与MCU通讯脚位只使用了4 pin，分别是CLK、DOUT、DIN、ADCS。MCP3302在和MCU的通讯里，属于Slave的周边组件，时序控制皆由扮演Master角色的89C51来决定。CLK为串行接口的频率输入(clock)，CLK的速度决定了SPI的通讯速率。 图11. ADC讯号撷取接口电路图 当MCP3302启动时，电荷储存在取样电容上。取样周期结束后，组件每接收到一个时钟脉冲就转换一位。必须注意的是，如果采用较慢的时钟速率，取样电容将在转换过程中释放电荷。对于MCP3302而言，转换周期(TCONV)内推荐的最低时钟速率为105 kHz，最快不能超过1.2 MHZ。如果不能满足此条件，就可能会使转换的线性误差超过规定值。 4) 单芯片89C51处理器 单芯片微电脑(single chip microcomputer)主要用于控制方面，所以亦被称为微控制器(microcontroller)。单芯片89C51内部含有8位CPU、内存、I/O、串行传输接口、16位的计时/计数器，且使用单芯片89C51有下列几项好处：体积小、接线简单、价格低廉。在本系统中单芯片89C51主要用来控制ADC输入channel选择位、LCD显示数值，处理接受的数据。 5) 红外线检测装置实体 图12(a)所示为系统实体图。包括了IR Source发射端、IR Source脉冲电路设计、Thermopile接收端、前置放大电路、ADC模拟数字转换器、89C51讯号处理单元、LCD显示接口。图12(b)及图12(c)分别为IR Source脉冲电路与Thermopile量测电路。 图12. (a)系统硬品图；(b) IR Source脉冲电路；(c) Thermopile量测电路