一种非制冷红外探测器的温度稳定装置

权利要求

1.一种非制冷红外探测器的温度稳定装置，其特征在于，该装置包括：控制器、热电制冷器和一个或多个温度传感器；

所述温度传感器，设置在非制冷红外探测器上，用于采集非制冷红外探测器的温度数据，并将采集到的温度数据发送给所述控制器；

所述控制器，包括：模数转换单元、控制单元和全桥功率输出单元；

所述模数转换单元，用于对所述温度传感器发送的温度数据进行模数转换，并将转换后的温度数据发送给所述控制单元；

所述控制单元，用于根据接收到的温度数据计算得到目标温度，并根据目标温度通过增量式比例积分微分PID算法计算得到控制量；将控制量发送给所述全桥功率输出单元；

所述全桥功率输出单元，用于根据接收到的控制量向所述热电制冷器输出对应的功率；

所述热电制冷器，设置在所述非制冷红外探测器的背部，用于在所述全桥功率输出单元输出的功率的驱动下制冷；

其中，所述控制单元根据目标温度通过增量式比例积分微分PID算法计算得到控制量包括：从内存中调入PID参数：Kp、Ki、Kd、e(k-1)和e(k-2)；其中，Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数；e(k-1)为第k-1采样时刻的输入偏差；e(k-2)为第k-2个采样时刻的输入偏差。

根据第k个采样时刻的设定目标值和采样值，计算得到第k个采样时刻的输入偏差e(k)；

计算得到第k个采样时刻的控制增量△u(k)；

存储新参数，使用e(k)替换e(k-1)，使用e(k-1)替换e(k-2)；

将控制增量△u(k)作为控制量输出。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，通过如下的公式计算得到第k个采样时刻的输入偏差e(k)：e(k)＝r(k)-y(k)

其中，r(k)为第k个采样时刻的设定目标值，y(k)为第k个采样时刻的采样值。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，通过如下的公式计算得到第k个采样时刻的控制增量△u(k)：△u(k)＝Kp*e(k)-Ki*e(k-1)+Kd*e(k-2)。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述控制单元为32位高性能微控制器STM32F107VCT6。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述全桥功率输出单元为H桥驱动电路。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述模数转换单元为16位高精度AD芯片ADS1110A7IDBVT。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述温度传感器为铂电阻温度传感器或非制冷红外探测器上集成的片上温度传感器。

说明书

一种非制冷红外探测器的温度稳定装置

技术领域

[0001] 本申请涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种非制冷红外探测器的温度稳定装置。

背景技术

[0002] 非制冷红外探测器以其低成本、低功耗、高可靠性等特点得到了广泛的应用。常用的一种非制冷红外探测器为微测辐射热计，其利用电阻的温度特性，探测红外目标。然而，在非制冷红外探测器中，只有保证焦平面阵列中各敏感像素自身基准温度的一致性和稳定性，才能提高热成像系统的分辨率，减小后期非均匀性校正的难度，从根本上改善成像质量。因此，虽然与制冷探测器相比，非制冷探测器可以在常温下工作，但仍需温度控制装置来保持非制冷探测器工作时温度均匀稳定。

[0003] 然而，目前并没有一种可以适应不同大小探测器的通用解决方案。因此，急需研制一种体积小，低功耗，高精度的非制冷红外探测器温度稳定装置，从而可方便地嵌入到各种非制冷红外成像系统中，以解决非制冷探测器工作时温度波动的问题。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明提供了一种非制冷红外探测器的温度稳定装置，从而可以解决非制冷红外探测器工作时温度波动的问题，改善成像质量。

[0005] 本发明的技术方案具体是这样实现的：

[0006] 一种非制冷红外探测器的温度稳定装置，该装置包括：控制器、热电制冷器和一个或多个温度传感器；

[0007] 所述温度传感器，设置在非制冷红外探测器上，用于采集非制冷红外探测器的温度数据，并将采集到的温度数据发送给所述控制器；

[0008] 所述控制器，包括：模数转换单元、控制单元和全桥功率输出单元；

[0009] 所述模数转换单元，用于对所述温度传感器发送的温度数据进行模数转换，并将转换后的温度数据发送给所述控制单元；

[0010] 所述控制单元，用于根据接收到的温度数据计算得到目标温度，并根据目标温度通过增量式比例积分微分PID算法计算得到控制量；将控制量发送给所述全桥功率输出单元；

[0011] 所述全桥功率输出单元，用于根据接收到的控制量向所述热电制冷器输出对应的功率；

[0012] 所述热电制冷器，设置在所述非制冷红外探测器的背部，用于在所述全桥功率输出单元输出的功率的驱动下制冷。

[0013] 较佳的，所述控制单元根据目标温度通过增量式比例积分微分PID算法计算得到控制量包括：

[0014] 从内存中调入PID参数：Kp、Ki、Kd、e(k-1)和e(k-2)；其中，Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数；e(k-1)为第k-1采样时刻的输入偏差；e(k-2)为第k-2个采样时刻的输入偏差。

[0015] 根据第k个采样时刻的设定目标值和采样值，计算得到第k个采样时刻的输入偏差e(k)；

[0016] 计算得到第k个采样时刻的控制增量△u(k)；

[0017] 存储新参数，使用e(k)替换e(k-1)，使用e(k-1)替换e(k-2)；

[0018] 将控制增量△u(k)作为控制量输出。

[0019] 较佳的，通过如下的公式计算得到第k个采样时刻的输入偏差e(k)：

[0020] e(k)＝r(k)-y(k)

[0021] 其中，r(k)为第k个采样时刻的设定目标值，y(k)为第k个采样时刻的采样值。

[0022] 较佳的，通过如下的公式计算得到第k个采样时刻的控制增量△u(k)：

[0023] △u(k)＝Kp*e(k)-Ki*e(k-1)+Kd*e(k-2)。

[0024] 较佳的，所述控制单元为32位高性能微控制器STM32F107VCT6。

[0025] 较佳的，所述全桥功率输出单元为H桥驱动电路。

[0026] 较佳的，所述模数转换单元为16位高精度AD芯片ADS1110A7IDBVT。

[0027] 较佳的，所述温度传感器为铂电阻温度传感器或非制冷红外探测器上集成的片上温度传感器。

[0028] 如上可见，在本发明的非制冷红外探测器的温度稳定装置中，由于使用高精度的温度传感器采集温度数据，并通过模数转换单元进行转换后，通过控制单元使用增量PID算法计算控制量，并通过全桥功率输出单元(例如，H桥驱动电路)驱动热电制冷器实现高精度的温度控制，在室温条件下控温精度可达0.01℃，从而可以解决非制冷红外探测器工作时温度波动的问题，改善成像质量。

[0029] 更进一步的，由于考虑到使用及嵌入不同系统的便捷性，本发明中的非制冷红外探测器的温度稳定装置还实现了装置小型化设计，其控制器的最小尺寸可达40mm×30mm，可以很方便地嵌入到各种非制冷红外成像系统中。此外，对于所使用的热电制冷器及温度传感器，也可根据实际情况的需要选择合适的型号，因此只需微调相应的设置即可满足不同系统应用。

附图说明

[0030] 图1为本发明实施例中的非制冷红外探测器的温度稳定装置的结构示意图。

具体实施方式

[0031] 为使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。

[0032] 图1为本发明实施例中的非制冷红外探测器的温度稳定装置的结构示意图。如图1所示，本发明实施例中的非制冷红外探测器的温度稳定装置包括：控制器11、热电制冷器(TEC，Thermoelectric Cooler)12和一个或多个温度传感器13；

[0033] 所述温度传感器13，设置在非制冷红外探测器20上，用于采集非制冷红外探测器20的温度数据，并将采集到的温度数据发送给所述控制器11；

[0034] 所述控制器11，包括：模数转换单元111、控制单元112和全桥功率输出单元113；

[0035] 所述模数转换单元111，用于对所述温度传感器13发送的温度数据进行模数转换，并将转换后的温度数据发送给所述控制单元112；

[0036] 所述控制单元112，用于根据接收到的温度数据计算得到目标温度，并根据目标温度通过增量式比例积分微分(PID)算法计算得到控制量；将控制量发送给所述全桥功率输出单元113；

[0037] 所述全桥功率输出单元113，用于根据接收到的控制量向所述热电制冷器12输出对应的功率；

[0038] 所述热电制冷器12，设置在所述非制冷红外探测器20的背部，用于在所述全桥功率输出单元113输出的功率的驱动下制冷。

[0039] 根据上述的具体结构可知，在上述非制冷红外探测器的温度稳定装置中，温度传感器、控制器和热电制冷器形成了一个闭合环路，因此，可以在控制器的控制之下，完成闭环温度控制，从而可以对所述非制冷红外探测器的温度进行控制，从而可以解决非制冷红外探测器工作时温度波动的问题，改善成像质量。

[0040] 另外，在本发明的技术方案中，所述控制器可以使用多种形式或型号的控制器。以下将以其中的一种具体实现方式为例，对本发明的技术方案进行介绍。

[0041] 例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述控制单元可以是32位高性能微控制器STM32F107VCT6。

[0042] 另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述控制单元根据目标温度通过增量式PID算法计算得到控制量可以包括：

[0043] 步骤201，从内存中调入PID参数：Kp、Ki、Kd、e(k-1)和e(k-2)。

[0044] 其中，Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数；e(k-1)为第k-1采样时刻的输入偏差；e(k-2)为第k-2个采样时刻的输入偏差。

[0045] 步骤202，根据第k个采样时刻的设定目标值和采样值，计算得到第k个采样时刻的输入偏差e(k)。

[0046] 例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，可以通过如下的公式计算得到第k个采样时刻的输入偏差e(k)：

[0047] e(k)＝r(k)-y(k)

[0048] 其中，r(k)为第k个采样时刻的设定目标值，y(k)为第k个采样时刻的采样值。

[0049] 步骤203，计算得到第k个采样时刻的控制增量△u(k)。

[0050] 例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，可以通过如下的公式计算得到第k个采样时刻的控制增量△u(k)：

[0051] △u(k)＝Kp*e(k)-Ki*e(k-1)+Kd*e(k-2)

[0052] 步骤204，存储新参数，使用e(k)替换e(k-1)，使用e(k-1)替换e(k-2)。

[0053] 步骤205，将控制增量△u(k)作为控制量输出。

[0054] 通过上述的步骤201～205，即可计算得到控制量。

[0055] 由于上述的增量式PID算法仅需要计算控制增量，因此即使存在一定的计算误差及精度的不足，也不会对控制量产生较大影响。不仅如此，使用上述增量式PID算法还可以抑制执行机构因其控制量的大幅度改变所同时产生的大幅度变化，从而避免了对执行机构的损害。

[0056] 另外，在本发明的技术方案中，所述全桥功率输出单元可以使用多种形式或型号的器件。以下将以其中的一种具体实现方式为例，对本发明的技术方案进行介绍。

[0057] 例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述全桥功率输出单元可以是H桥驱动电路。

[0058] 较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述全桥功率输出单元可以是L298P芯片，采用光耦K1010实现功率部分与控制单元之间的隔离。

[0059] 另外，在本发明的技术方案中，所述模数转换单元可以使用多种形式或型号的器件。以下将以其中的一种具体实现方式为例，对本发明的技术方案进行介绍。

[0060] 例如，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述模数转换单元为16位高精度AD芯片ADS1110A7IDBVT，可以实现温度数据转换。

[0061] 另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述温度传感器可以是非制冷红外探测器上集成的片上温度传感器，因此，可以直接读取探测器温度，简化系统设计。

[0062] 另外，较佳的，在本发明的一个具体实施例中，所述温度传感器也可以是铂电阻温度传感器，从而可以达到高精度的测温要求。

[0063] 综上所述，在本发明的非制冷红外探测器的温度稳定装置中，由于使用高精度的温度传感器采集温度数据，并通过模数转换单元进行转换后，通过控制单元使用增量PID算法计算控制量，并通过全桥功率输出单元(例如，H桥驱动电路)驱动热电制冷器实现高精度的温度控制，在室温条件下控温精度可达0.01℃，从而可以解决非制冷红外探测器工作时温度波动的问题，改善成像质量。

[0064] 更进一步的，由于考虑到使用及嵌入不同系统的便捷性，本发明中的非制冷红外探测器的温度稳定装置还实现了装置小型化设计，其控制器的最小尺寸可达40mm×30mm，可以很方便地嵌入到各种非制冷红外成像系统中。此外，对于所使用的热电制冷器及温度传感器，也可根据实际情况的需要选择合适的型号，因此只需微调相应的设置即可满足不同系统应用。

[0065] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。