紅外探測與控制電路

第1章　紅外探測/控制原理及光電接收　1

1.1　紅外探測/控制基本原理　1

1.1.1　紅外輻射及近紅外光波譜　1

1.1.2　紅外光發(fā)射方式及紅外發(fā)收系統(tǒng)的基本組成　1

1.2　紅外光探測/遙控系統(tǒng)的基本結構和控制方式　3

1.3　紅外發(fā)光二極管的驅動和紅外光發(fā)射電路設計　5

1.3.1　發(fā)光二極管直流驅動方式　5

1.3.2　發(fā)光二極管的交流驅動方式　7

1.3.3　發(fā)光二極管的脈動電流驅動與數字調制　7

1.3.4　紅外光束脈沖編碼與發(fā)射效率　8

1.3.5　種實用紅外發(fā)射電路　9

1.4　紅外光電轉換傳感頭電路　13

1.4.1　紅外光電轉換器件概述　13

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本書共8章，從紅外光電轉換，紅外裝置的基本組成講起，系統(tǒng)地分章介紹了紅外探測和控制的基本原理、簡易單通的紅外遙控，單通道步進式遙控、頻分多路控制、碼分多路控制、熱釋電紅外探測原理及復合探測技術、各種實用控制電路和系統(tǒng)等，全書由淺入深，從簡單到復雜，條理清楚，系統(tǒng)性強，每章在闡明其工作原理和系統(tǒng)組成后，插進相應的紅外應用電路或系統(tǒng)，全書計紅300例，內容豐富，資料翔實，實例中還介紹了各種紅外傳感器件和不同的單元電路間的配置方法、電路的設計技巧，典型的電路的設計步驟，計算方法及電子元器件的合理選用等。

本書從光電轉換，紅外裝置的基本組成講起，系統(tǒng)地介紹了紅外探測/控制的基本原理，簡易單通道的紅外遙控、單通道步進式遙控、頻分多路的遙控，熱釋電紅外探測原理及應用，各種實用的遙控電路和系統(tǒng)等，本書內容豐富，由簡單到復雜，由淺入深，條理清楚，圖文并茂，通俗易懂，書中給出的各種紅外應用電路和紅外系統(tǒng)300余例，介紹了各種紅外感器件和單元電路間的配置方法和設計的技巧，典型電路和設計的步驟及元器件的合理選用等，資料翔實，實用性強。

本書適合從事測控技術，光電技術和電子電路設計，開發(fā)工作的人員以及廣大電子愛好者的閱讀，也可以作為大專院校、軍事院校的測控，自動控制、電子工程、信息工程、通信工程、紅外激光、應用物理以及微電子技術等專業(yè)的師生進行教學、課程設計、開展電子競賽的參考書。

與半導體探測器一樣，高溫超導紅外探測器可分為熱敏型和光子型兩大類，以下著重談談這兩類探測器的探測機理。目前國內外高溫超導紅外探測器應用研究，主要精力是放在熱敏型(Bolometer)上，且熱敏型探測器的研制已逐漸成熟，并進入實用階段。其工作原理為:Bolometer即測輻射熱計，是一種測量紅外輻射的熱敏電阻，是一種阻值隨所接收紅外輻射量變化的紅外探測器，它是利用超導體從正常態(tài)轉變到超導態(tài)時電阻隨溫度變化而急劇變化的特性來檢測紅外輻射的，如圖1所示。從圖1中可見，在超導轉變邊緣，微小的溫度變化，將產生急劇的電阻變化，且轉變區(qū)越陡越好，曲線越陡，超導器件的靈敏度將越高.P.LRichards等人對于超導轉變溫度Tc=90K，超導零電阻溫度Tc0=80K的高溫超導Bolometer的性能進行了估算，其噪聲等效功率NEP為(1~20)x10^-15WHz^1/2。并且由于Bolometer的熱效應，高溫超導Bolometer的光譜響應是很寬的，它提供較平坦的響應直到亞毫米甚至毫米波段，且響應僅與吸收的輻射功率有關，而與波長無關。

光子型紅外探測器，按工作原理可分為3種:光輔助隧道效應、非平衡光電效應和光磁量子效應。3種當中以光輔助隧道效應為基礎的Josephson結探測器進展較快，現簡述其工作原理.光輔助隧道效應即Josephson效應的工作原理是:把具有超導體(s)一絕緣體(I)一超導體(S)結構叫做Josephson結.當對這種隧道結加恒定電場時，結區(qū)產生高頻電流，并輻射或吸引電磁波，其頻率v與電壓有如下關系:v=e(V)/h該公式說明光子能量hv可引起超導隧道結的I一V特性發(fā)生變化.根據這個原理可以制成性能優(yōu)良的紅外探測器.但目前高溫超導Josephson結探測器研究由于機理較為復雜，特性較難控制，仍處于實驗室中的探索研究階段。

閉環(huán)控制電路是指與控制對象存在反饋聯(lián)系的控制電路。開環(huán)控制電路結構簡單，成本低，但控制精度較低。為在系統(tǒng)中保持轉速的恒定，可以加入一些測量比較元件組成閉環(huán)系統(tǒng)。

與控制對象存在反饋聯(lián)系的控制電路。開環(huán)控制電路結構簡單，成本低，但控制精度較低。為在系統(tǒng)中保持轉速的恒定，可以加入一些測量比較元件組成閉環(huán)系統(tǒng)。

閉環(huán)控制測速發(fā)電機SF就是測量元件。將測速發(fā)電機的電壓取出一部分Uf與給定電壓Ug反向串聯(lián),并將差值ΔU作為放大器的輸入信號,即ΔU=Ug-Uf。自動調速過程如下：設電動機(M)原來穩(wěn)定工作于額定轉速,若負載突然增大，主回路電壓降增大，電動機轉速下降，反饋電壓Uf也隨之下降。由于給定電壓Ug沒有變，所以加到放大器輸入端的電壓ΔU 便自動升高,它使晶閘管整流電路輸出電壓Ud增加，補償了所增大的電壓降，于是電動機轉速又回升到接近原來的數值。反饋作用有兩種情況，若反饋信號和原輸入信號極性相同叫正反饋；反之，叫負反饋。正反饋使系統(tǒng)放大倍數增大，負反饋使系統(tǒng)放大倍數減小。在自動控制系統(tǒng)中主要應用的是負反饋。在單閉環(huán)調速系統(tǒng)中，忽略一些次要因數后，各環(huán)節(jié)的靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）規(guī)律如下:電壓比較環(huán)節(jié)ΔU=Ug-Uf；放大器Uk=KpΔU；觸發(fā)器及晶閘管整流裝置Ud=KsUk；晶閘管-電動機系統(tǒng)開環(huán)機械特性n=(Ud-IdR∑)/Ce;測速發(fā)電機Uf=αn。以上各式中,Kp是放大器的電壓放大倍數；Ks是晶閘管裝置的電壓放大倍數；α 是測速發(fā)電機的反饋系數。上述關系式中消去中間變量，可得轉速負反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性方程式 。

式中K=KpKsα/Ce,叫做閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數，它好象是在測速發(fā)電機輸出端把反饋回路斷開，從放大器輸入一直到測速發(fā)電機輸出的總的電壓放大倍數，是各個環(huán)節(jié)單獨放大倍數的乘積。這里是以1/Ce=n/ED作為電動機環(huán)節(jié)的“放大倍數”的。

閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性根據調速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的靜態(tài)關系式可以畫出系統(tǒng)的靜態(tài)結構圖(圖1)。圖1中各方塊中的符號是該環(huán)節(jié)的放大倍數

分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性?？梢?，只要系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數K足夠大，總可以把閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)轉速降Δпb減小到允許的范圍，并把調速范圍提高到預定的要求。2100433B