付裡葉變換紅外分光計的探測器的製作方法

2023-05-12 15:52:46

專利名稱：付裡葉變換紅外分光計的探測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種付裡葉變換紅外分光計(FTIR)的探測器，尤其是一種利用熱電探測器的探測器。
通常慣用的熱電探測器是TGS(硫酸三甘肽)熱電探測器、DTGS熱電探測器(在這類探測器中用重氫原子替代TGS的氫原子)、或DLATGS熱電探測器(在DTGS中摻有L-氨基丙酸)。這些熱電探測器有低的居裡溫度，例如TGS熱電探測器的居裡溫度約為49℃，DTGS和DLATGS熱電探測器的居裡溫度約為62℃。因此，熱電探測器的品質因素強烈地取決於溫度。


圖11表示在熱電探測器中品質因素與溫度依賴關係的一個例子，圖中所列的數據是根據商業名稱為Rpy104的由英國菲力浦公司生產的DLATGS熱電探測器得出的。在圖11中，Rv表示靈敏度，NEP表示噪聲等效功率，D＊完全是由Rv和NEP給定的一種品質因素，表示一種聲噪比S/N。品質因素的數據根據25℃時的數據歸一化，在使用這種DLATGS熱電探測器時，為了得到在光譜的垂直軸向上的穩定性，最好讓探測器在約30°-35℃的溫度範圍內工作，因為在該溫度範圍內，靈敏度Rv是相當穩定的。而另一方面，為了測量時具有最大的S/N比，探測器應該在約60℃時使用最合適。
由於熱電探測器顯示出其品質因素明顯依賴於溫度的關係，所以應該有一個溫度控制機構用於保持熱電探測器有恆定的溫度，無論是在室溫下使用或在較高的溫度下使用，使熱電探測器的溫度均穩定。這樣一種溫度控制機構包含一個熱電冷卻元件，例如珀爾帖元件，使它靠近熱電探測器。在常用熱電探測器的數據採集同步，熱電探測器的輸入阻抗高達1010Ω，因此，在供給靠近熱電探測器的熱電冷卻元件的電源被接通或斷開時，電磁波的輻射噪聲影響熱電探測器，結果明顯影響了探測信號的S/N比。
本發明的目的在於提供一種經改進的探測器，這種探測器由熱電探測器和溫度控制機構組成，溫度控制機構用於保持熱電探測器的溫度，使得熱電探測器的探測信號的S/N比即使在溫度控制機構中的熱電冷卻元件的電源被接通和斷開時也不受影響。
簡述如下，根據本發明，一個探測器由一個熱電探測器和一個溫度控制機構組成，該溫度控制機構包括一個熱電加熱/冷卻元件，該元件用於使熱電探測器的溫度保持穩定，還包括一個溫度傳感器和一個能響應從溫度傳感器來的探測信號的溫度控制器，該溫度控制器用來控制供給熱電加熱/冷卻元件的電源，在溫度控制器內裝有一個控制單元，用於使供給熱電加熱/冷卻元件的電源的接通和斷開只在不從熱電探測器採集數據時進行。
根據本發明，在熱電加熱/冷卻元件的電源被接通和斷開時刻，通過控制溫度控制機構的操作不從熱電探測器中採集數據。在溫度控制器內的控制單元控制溫度控制機構的電源，致使只有在不從熱電控制器內收集數據時該控制單元才接通和斷開熱電加熱/冷卻元件的電源。
為此目的，使熱電探測器的電源其接通和斷開與A/D變換器給出的變換終止信號同步，其中A/D變換器用於把熱電探測器的探測信號變換成數位訊號，還要與來自控制幹涉儀的幹涉信號同步，或者與在收集到一系列幹涉圖後的動鏡的轉動同步。
於是，根據本發明，由於熱電加熱/冷卻元件的電源的接通和斷開與A/D變換的變換終止信號同步，所以任何可能由於電源接通或斷開所產生的進入到探測信號內的噪聲混合物都不可能影響由熱電探測器收集到的數據的S/N比，因為此時被混合的探測信號並不作為數據來收集。
作為控制幹涉儀的雷射幹涉儀的幹涉信號用作A/D變換器的觸發信號。因此，與雷射幹涉儀的幹涉信號同步，使熱電加熱/冷卻元件的電源可以在A/D變換不執行變換時被接通和斷開。在此，不需要使電源接通和斷開的時刻與A/D變換的終止完全相一致，而且，在接通和斷開電源的時刻比較靠近A/D轉換的終止時，不會影響下一次A/D變換操作。
在動鏡被轉動那時刻，已經收集到了一系列幹涉圖，所以，在動鏡轉動時，沒有數據被收集，因此，在此時，即使任何可能的由熱電加熱/冷卻元件的電源被接通或斷開所產生的噪聲被混入到探測信號內，數據的S/N比不可能受到影響。
當動鏡的轉動周期為0.5-2.0秒時，熱電探測器的探測信號的A/D變換其工作周期約為100-200微秒。如果熱電加熱/冷卻元件的電源其接通和斷開與A/D變換的終止信號同步，或與雷射幹涉儀的幹涉信號同步，那些電源的接通和斷開可以以約100-200微秒的短周期重複，從而來更精確地控制熱電探測器的溫度。
本發明將從下面給出的說明書和附圖得到更充分的理解。所給出的附圖僅僅是圖示說明，因此不對本發明產生限制。
圖1表示根據本發明最佳實施例，一個由熱電探測器和溫度控制器組成的探測器的側視圖，圖2表示圖1所示的探測器的前視圖;
圖3表示最佳實施例中溫度控制器的電路圖，圖4表示最佳實施例中操作溫度控制單元的時間表;
圖5表示根據本發明的另一個實施例，由另一種熱電探測器和另一種溫度控制器組成的另一個探測器的側視圖;
圖6表示由圖5所示的另一個探測器的前視圖;
圖7表示在另一個最佳實施例中所示的溫度控制器的電路圖;
圖8表示在圖7所示電路圖中上下限幅比較器操作的示意圖;
圖9表示上下限幅比較器的滯後圖表;
圖10表示具有保護電路的溫度控制器的電路圖;
圖11表示熱電探測器中品質因素與溫度依賴關係的曲線圖。
圖1是根據本發明最佳實施例的探測器的一個側視圖，圖2是該探測器的前視圖。屏蔽箱2是用一些螺絲組裝的，裝在屏蔽箱2內的前置放大器4用於放大熱電探測器的探測信號，冷卻底座6由金屬銅製成，它放置在屏蔽箱2的前面。在屏蔽箱2和冷卻底座6之間置有絕熱材料使二者隔熱。一個DLATGS熱電探測器8安裝到冷卻底座6上，一個加熱的珀爾帖元件10和一個冷卻的珀爾帖元件12也安裝在冷卻底座6上，因此熱電探測器8和珀爾帖元件10和12是受到熱耦合的。為了使由珀爾帖元件10和12所產生的熱儘可能地少，最好使珀爾帖元件10和12鄰近於熱電探測器8。一個溫度傳感器14裝到冷卻底座6上，用於探測冷卻底座6的溫度，一個輻射器16靠近兩個珀爾帖元件10和12，一個溫度控制機構由冷卻基座6、珀爾帖元件10和12，溫度傳感器14和輻射器16組成，一溫度控制面板18含有一個用於控制珀爾帖元件10和12的電源的溫度控制器，控制面板18靠近珀爾帖元件10和12安置，並位於屏蔽箱2的前面。設置在屏蔽箱2前面的一些連接件20用於提供電源或輸出信號。為了在屏蔽箱2和付利葉變換紅外分光儀(FTIR)的底座之間電絕緣，把屏蔽箱2用螺絲固定在一塊膠木板22上，以使分光儀通過膠木板22被牢固地固定到底座上。
圖3表示安裝在溫度控制面板18上的溫度控制器的部分線路圖，放大器24對溫度傳感器14的探測信號進行放大，比較器26響應經放大的探測信號，把它與根據設定溫度而選擇的參考電壓Vr進行比較，依據探測信號相對於參考電壓Vr的比值大小，比較器26輸出一個信號A和一個信號B，信號A用於加熱珀爾帖元件10，信號B用於冷卻珀爾帖元件12。當探測溫度低於設定溫度時，輸出信號A，當探測溫度高於設定溫度時，輸出信號B。控制單元28對控溫用的A信號和B信號產生響應。此外，控制單元28還對A/D變換器的變換終止信號(eoc)產生響應，以便輸出一個能使珀爾帖元件10和12的電源與「eoc」信號同步接通或斷開的信號，其中A/D變換器把來自熱電探測器8的探測信號的模擬信號變換成數位訊號，驅動電晶體30用於驅動加熱珀爾帖元件10，另一個驅動電晶體32用於驅動冷卻珀爾帖元件12，由控制單元28給出的用於驅動珀爾帖元件10和12的信號通過一個電阻器加到每個驅動電晶體30和32的基極上。
圖4表示了圖3所示的控制單元28操作的時間表。珀爾帖元件10和12的on/off受到控制，把由溫度傳感器14探測到的輸出與設定電壓Vr進行比較，使比較器26輸出信號A和B並送入控制單元28。在把「eoc」信號施加於A/D變換時，A/D變換依據「eoc」信號的上升而起動，並在「eoc」下降時A/D變換終止，當「eoc」信號下降而A信號處於低電位狀態時，控制單元28輸出一信號接通驅動電晶體30以對加熱珀爾帖元件10進行驅動。當「eoc」信號下降而B信號處於低電位狀態時，控制單元28輸出另一個信號導通驅動電晶體32以對冷卻珀爾帖元件12進行驅動。
在把DLATGS熱電探測器作為熱電探測器8的實例中，使探測置定在60℃下進行，在這種情況下要提供一個高的S/N比，溫度必需受到精確的控制，PID控制就適用於這種控制。考慮到溫度的誤差，最好使珀爾帖元件10和12的電源從接通到斷開的時間儘可能地短。在這種情況下，最好是如在最佳實施例中那樣使用A/D變換的「eoc」信號，或者使用雷射幹涉儀的幹涉信號，或用在收集到一系列幹涉圖後動鏡的轉動信號。珀爾帖元件具有不同的熱運動方向，這取決於所加電壓的極化方向。所以，單個珀爾帖元件能控制一個接近室溫的恆定溫度。
圖5和圖6表示另一個最佳實施例，在該實施例中用單個珀爾帖元件對探測器進行加熱和冷卻。設置在屏蔽箱2內的前置放大器4對熱電探測器的探測信號進行放大，在屏蔽箱2的前面，設置有如同PLATGS系統的熱電探測器8，該熱電探測器8經過冷卻基座6以熱連接方式與單個珀爾帖元件11相連接。溫度傳感器14設置在靠近珀爾帖元件11，11處，用來探測冷卻基座6的溫度，金屬13起到對珀爾帖元件11的熱量進行輻射的作用，溫度控制面板18含有控制珀爾帖元件11電源的溫度控制器。還設有膠木板12和連接器20。
在所述的另一個最佳實施例中，單個珀爾帖元件11與由圖7所示的電路所構成的溫度控制器相連接，起到加熱和冷卻探測器的作用，溫度控制器安裝在溫度控制面板18上。
參見圖7，比較器36A用於致使珀爾帖元件對探測器加熱，而另一個比較器36B則用於使珀爾帖元件對探測器進行冷卻。從溫度傳感器14給出的信號進入比較器36A，在經過一定的電壓降之後也輸入到比較器36B，用一個Eener穩壓二極體把參考電壓Vr加到比較器36A和36B上，以構成一個限幅比較器34，來自溫度傳感器14的信號提供了一個作為環境溫度函數的電壓。
在限幅比較器內，來自於二個比較器36A和36B的輸出被輸入到控制單元28a，使珀爾帖元件11的電源其接通和斷開與如圖4所示的A/D變換的「eoc」變換終止信號同步。為了把電源加到珀爾帖元件11上，採用由電晶體Q1到Q4組成的二個串接的單端推挽放大電路。
圖7所示電路的溫度控制操作如下如圖8所示，限幅放大器3，4有一個高壓閥值b和低壓閾值a，當溫度傳感器14的探測電壓位於閥值a和b之間時，二個比較器36A和36B的輸出都處於低電平，以使電晶體Q1-Q4沒有一個被導通，因此沒有電流流過珀爾帖元件11。當溫度傳感器14的探測電壓超過閾值b時，在A/D變換器的「eoc」信號下降時，電晶體Q3和Q2被導通，以使電流通過珀爾帖元件11，從A點流到另一個B點，此時，珀爾帖元件11冷卻熱電探測器。
當溫度傳感器14的探測電壓低於閥值a時電晶體Q1和Q4在A/D變換器的「eoc」信號下降時被導通，以使電流B點到A點流經珀爾帖元件11，此時，珀爾帖元件加熱熱電探測器。
通常，限幅比較器34有如圖9所示的滯後，依據比較器36A和36B的偏離，二個比較器36A和36B的輸出有可能都處於高電位，雖然這種情況是不常碰到的。在這種情況下，在圖7電路內所示的所有電晶體Q1-Q4都被導通，使短路電流從電晶體Q1到Q2，或從電晶體Q3到Q4流過，而不流過珀爾帖元件11。
圖10所示的電路中包括了一個用於阻止上面所述的短路發生的保護電路38，在圖10所示的電路中，保護電路38被設置在限幅比較器34和控制單元28a之間，該保護電路38包括一個「異一或」邏輯門電路和一個「與」門電路，當比較器36A和36B都處於一個高電位時，「異一或」邏輯門電路的輸出是處於一個低電位，使得「與」門電路阻止Q1到Q4所有的電晶體被導通，由此保護電晶體Q1至Q4不受損壞。
圖7表示的是一種簡單的比較控制的例子，根據溫度傳感器14提供的溫度信息是可能有一種更為適宜的控制。
如上所述，根據本發明，在為保護熱電探測器溫度恆定的溫度控制機構中，對熱電冷卻元件的電源接通和斷開只是在對從熱電探測器來的探測信號不作數據收集的情況下進行的，從而使從熱電探測器給出的數據的S/N比得到提高。
在此僅描述了本發明的幾種實施例，顯然對於本技術領域內的人員來說，在不偏離如權利要求所述的本發明的精神和範圍下可以作出各種改變和改進。
權利要求
1.一種探測器，包括用於探測熱電性的熱電探測器；用於保持所述的熱電探測器溫度的熱電加熱/冷卻裝置；用於對所述熱電探測器的溫度進行傳感的溫度傳感器；與由所述的溫度傳感器給出的探測信號響應以對所述的熱電加熱/冷卻裝置的電源進行控制的溫度控制器；以及在溫度控制器內用於對所述的熱電加熱/冷卻裝置的電源接通和斷開提供控制的控制單元；這種控制在所述的熱電探測器收集信號時不進行。
2.如權利要求1所述的探測器，其特徵是所述的控制單元使所述的熱電加熱/冷卻裝置的電源的接通和斷開與用於把所述熱電探測器的探測信號變換成數位訊號的A/N變換器所給出的變換終止信號同步，與來自於控制幹涉儀的幹涉信號同步，或者與在收集到一系列幹涉圖後動鏡的轉動同步。
3.如權利要求1所述的探測器，其特徵是所說的熱電加熱/冷卻裝置是由一個熱電加熱元件和一個熱電冷卻元件組成。
4.如權利要求1所述的探測器，其特徵是所述的熱電加熱/冷卻裝置是由單個熱電元件組成。
5.如權利要求4所述的探測器，其特徵是所述的溫度控制器由二個比較器和二個單端推挽放大電路所組成。
6.如權利要求5所述的探測器，其特徵是，所述的溫度控制器還包括設置在兩個比較器和二個單端推挽放大電路之間的保護電路，用於保護在所述單端推挽放大電路中的電晶體。
全文摘要
一種探測器，包括熱電探測器，具有用於保持熱電探測器溫度恆定的熱電加熱/冷卻元件的溫度控制機構，溫度傳感器，和與溫度傳感器給出的信號響應以控制熱電加熱/冷卻元件的電源的溫度控制器，以及在溫度控制器內用於接通和斷開熱電加熱/冷卻元件的控制單元，在從熱電探測器收集數據時該控制單元不工作。
文檔編號G01J3/453GK1054311SQ91100748
公開日1991年9月4日 申請日期1990年12月28日 優先權日1990年2月23日
發明者吉川治 申請人:株式會社島津製作所