Цифровой инфракрасный датчик

(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Цифровой инфракрасный датчик, содержащий схему управления, опорный конденсатор, конденсатор переменной емкости с возможностью ее изменения падающим входным инфракрасным излучением и коммутатор, соответствующими входами соединенный с первыми выводами опорного конденсатора и конденсатора переменной емкости, вторые выводы которых заземлены, и с первым выходом схемы управления, отличающийся тем,что содержит реверсивный счетчик, первый вход которого соединен с выходом генератора электрических сигналов, а второй вход - со вторым выходом схемы управления, выход коммутатора соединен со входом генератора электрических сигналов, причем опорный конденсатор выполнен идентичным конденсатору переменной емкости и защищен от воздействия входного инфракрасного излучения. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что генератор электрических сигналов выполнен высокочастотным и широкополосным. 16605 1 2012.12.30 Изобретение относится к преобразователям инфракрасного электромагнитного излучения в цифровой выходной электрический сигнал и может быть использовано при разработке тепловизионных устройств с цифровым выходом. Известно устройство для регистрации электромагнитного излучения, в особенности инфракрасного излучения 1, содержащее матрицу элементарных болометров, которые чувствительны к падающему излучению и называются активными болометрами, и дополнительную строку болометров, которые, по существу, нечувствительны к излучению и называются слепыми, причем активные и слепые болометры сформированы на подложке,в которой сформирована считывающая схема для последовательного обращения к каждой из строк матрицы и строке слепых болометров, причем каждый из них в одной и той же строке получает смещение одновременно, при этом в упомянутом устройстве имеется считывающая схема, а также источник для выработки опорного тока на основе дополнительного слепого болометра, который также сформирован на подложке, и средство копирования опорного тока в каждый из столбцов матрицы, состоящее из токового зеркала,каждый из столбцов матрицы содержит компенсационную структуру, способную шунтировать большую часть фонового электрического тока или тока общего уровня, содержащую слепой болометр указанной дополнительной строки, связанный с интегратором тока,способным интегрировать разность между током, текущим через активный болометр строки, которая считывается в данный момент, и током компенсации, выдаваемым слепым болометром на стадии формирования сигнала считывания указанной дополнительной строки копия опорного тока выводится из тока, выдаваемого слепым болометром через переключатель. Данное устройство имеет низкую пороговую чувствительность преобразования ИК-излучения в выходной сигнал, так как все частотные составляющие шумового сигнала(как информационного, так и опорного, т.е. слепого), появляющиеся в период считывания, поступают на вход интегратора и соответственно на выход устройства. Преобразование выходного сигнала в цифровой код во время считывания затруднено, так как достоверный выходной сигнал получают после интегрирования. Наиболее близким по технической сущности является инфракрасный датчик 2, который имеет выходной емкостный элемент и опорный емкостной элемент с определенными величинами емкости, а также инфракрасный емкостный элемент, у которого величина емкости меняется в зависимости от интенсивности падающего на него инфракрасного излучения, и коммутатор, соединенный с первыми выводами выходного, опорного и инфракрасного емкостных элементов, вторые выводы которых подключены к схеме выборки, причем коммутатор электрически связан с блоком вычитания, который получает сигнал интенсивности инфракрасного излучения, определяемый как разность между опорным и измеряемым потенциалами, при этом определенное напряжение на вторых выводах выходного и опорного емкостных элементов устанавливает потенциал коммутатора в качестве исходного, а определенное напряжение на вторых выводах выходного емкостного элемента и инфракрасного емкостного элементов устанавливает потенциал коммутатора в качестве измеряемого. Устройство не обладает высокой пороговой чувствительностью, так как коммутация потенциалов всех емкостных элементов на выход связана с протеканием разных по амплитуде токов и, следовательно, с появлением шумовой составляющей, зависящей от амплитуд этих токов, а также от длительности времени опроса инфракрасного датчика. Техническая задача - увеличение пороговой чувствительности и быстродействия устройства. Поставленная техническая задача решается тем, что цифровой инфракрасный датчик,содержащий схему управления, опорный конденсатор, конденсатор переменной емкости с возможностью ее изменения падающим входным инфракрасным излучением и коммутатор, соответствующими входами соединенный с первыми выводами опорного конденса 2 16605 1 2012.12.30 тора и конденсатора переменной емкости, вторые выводы которых заземлены, и с первым выходом схемы управления, содержит реверсивный счетчик, первый вход которого соединен с выходом генератора электрических сигналов, а второй - со вторым выходом схемы управления, выход коммутатора соединен со входом генератора электрических сигналов, причем опорный конденсатор выполнен идентичным конденсатору переменной емкости и защищен от воздействия входного инфракрасного излучения. Для эффективного решения поставленной технической задачи генератор электрических сигналов выполнен высокочастотным и широкополосным. Совокупность указанных признаков позволяет решить техническую задачу за счет уменьшения влияния шумовых составляющих выходных сигналов на процесс формирования выходного цифрового кода, который формируется в процессе считывания информации. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, где 1 - реверсивный счетчик,2 - генератор,3 - схема управления,4 - коммутатор,5 - конденсатор переменной емкости,6 - опорный конденсатор. На фиг. 2 приведен разрез одного из вариантов выполнения инфракрасного емкостного элемента, где 7 - второй вывод,8 - обкладки,9 - первый вывод,10 - подложка,11 - углубление,12 - консоль. В цифровом инфракрасном датчике (фиг. 1) электрически последовательно соединены схема управления 3, коммутатор 4, генератор 2 и реверсивный счетчик 1, входы которого электрически соединены со схемой управления 3. Первые выводы 9 конденсатора переменной емкости 5 и опорного конденсатора 6 электрически подключены к коммутатору 4. Вторые выводы 7 конденсатора переменной емкости 5 и опорного конденсатора 6 заземлены. Входное инфракрасное излучение (ИК) в режиме регистрации поступает на конденсатор переменной емкости 5. В конденсаторе переменной емкости 5 (фиг. 2) одна из обкладок 8 с первым выводом 9 расположена на консоли 12, а вторая обкладка 8 со вторым выводом 7 расположена на дне углубления 11, которое выполнено в подложке 10. В конкретном исполнении реверсивный счетчик 1 - цифровой счетчик, собранный на основе интегральных схем серии 155 по стандартной схеме. Генератор 2 - это автоколебательный мультивибратор, собранный на основе быстродействующего операционного усилителя с полевыми транзисторами на входе КР 544 УД 2, времязадающей емкостью которого являются поочередно конденсатор переменной емкости 5 или опорный конденсатор 6. Схема управления 3 - цифровая комбинационная схема формирования сигналов управления реверсивным счетчиком 1 и коммутатором 4, собранная на основе интегральных схем, например, серии 155. Коммутатор 4 выполнен на двух полевых транзисторах. Опорный конденсатор 6 - это конденсатор, выполненный аналогично конденсатору переменной емкости 5 с той лишь разницей, что он защищен от попадания на него инфракрасного излучения, например, светозащитным экраном. Обкладки 8, первый 9 и второй 7 выводы представляют собой пленки алюминия, выполненные по вакуумной технологии. Подложка 10 - стандартная пластина кремния. 16605 1 2012.12.30 Работает устройство следующим образом. В исходном состоянии, когда отсутствует на входе инфракрасное излучение, все элементы устройства находятся при температуре окружающей среды Т и реверсивный счетчик 1 обнулен сигналом, поступающим из схемы управления 3. Для получения исходного значения отсчета в начале работы по сигналу из схемы управления 3 через коммутатор 4 конденсатор переменной емкости 5 включается на время 1 в задающую цепь генератора 2 и тем самым определяет его частоту. Количество периодов этой частоты регистрируется реверсивным счетчиком 1, включенным в состояние суммирования сигналом схемы управления 3. Затем из схемы управления 3 через коммутатор 4 опорный конденсатор 6 включается на это же время 1 в задающую цепь генератора 2 и тем самым определяет также его частоту. Количество периодов этой частоты вычитается реверсивным счетчиком 1 из предыдущего результата, так как он включен в состояние вычитания сигналом схемы управления 3. В результате в реверсивном счетчике 1 устанавливается цифровой код, соответствующий начальному отсчету устройства. При поступлении входного инфракрасного излучения конденсатор переменной емкости 5 начинает нагреваться и его емкость уменьшается за счет изгиба консоли 12. После аналогичного опроса конденсатора переменной емкости 5 и опорного конденсатора 6 в реверсивном счетчике 1 сформируется цифровой код, пропорциональный регистрируемому входному потоку инфракрасного излучения. Так как результаты измерения представляются не аналоговыми сигналами, а цифровыми кодами, то они будут более точными, достоверными и не зависящими от воздействия внешних дестабилизирующих факторов. Более того, отсутствие операции вычитания аналоговых сигналов сокращает время измерения. Источники информации 1. Заявка РФ 2008123480/28. 2. Пат. США 7332717 ВВ (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4