DD294374A5 - CIRCUIT ARRANGEMENT OF A PYROELECTRIC SENSOR - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung fuer einen pyroelektrischen Sensor zur Beeinflussung seines Signal-Zeit-Verhaltens. Die erfindungsgemaesze Aufgabe wird dadurch geloest, dasz parallel zum empfindlichen Element ein Schalttransistor angeordnet und dessen Steuerelektrode mit einem Kurzzeitschalter verbunden ist. Mit dem Kurzzeitschalter wird der Schalttransistor kurzzeitig durchgesteuert und danach wieder gesperrt. Waehrend der kurzen aktiven Phase, die gezielt aus einem sprunghaft angestiegenen Eingangssignal oder vorbeugend in Kenntnis eines derartigen bevorstehenden Ereignisses eingeleitet wird, ist die elektrische Zeitkonstante des Vorverstaerkers drastisch verkleinert. Praktisch wird die Anpassungszeit des Systems auf ein kurz zuvor oder in dieser Phase eingegangenes bzw. eingehendes Sprungsignal allein durch die thermische Zeitkonstante bestimmt. Bei Verwendung von Waermesenken betraegt sie wenige 10 Millisekunden. Waehrend dieser Zeit kann mit dem Kurzzeitschalter automatisch auch die Verarbeitung von Meszwerten unterbunden werden, so dasz praktisch keine durch Sprungsignale verfaelschten Werte gemessen werden. Die unter 0,1 s liegenden Unterbrechungen stoeren den Meszablauf kaum. Die Schaltung ist zu bereits angebotenen pyroelektrischen Sensoren voll funktions- und pinkompatibel, kann dementsprechend mit geringem Aufwand realisiert und auch nachgeruestet werden. Fig. 1{Sensor, pyroelektrisch; Schalttransistor; Steuerelektrode; Kurzzeitschalter; Zeitkonstante; Vorverstaerker; Waermesenke}The invention relates to a circuit arrangement for a pyroelectric sensor for influencing its signal-time behavior. The object of the invention is achieved in that a switching transistor is arranged parallel to the sensitive element and its control electrode is connected to a short-time switch. With the short-time switch, the switching transistor is temporarily controlled and then locked again. During the short active phase, which is initiated by a sudden increase in input signal or preventively in the knowledge of such an impending event, the electrical time constant of the preamplifier is drastically reduced. In practice, the adaptation time of the system to a jump signal received or received shortly before or in this phase is determined solely by the thermal time constant. When using heat sinks, it takes a few 10 milliseconds. During this time, the short-time switch can also be used to automatically stop the processing of measurement values, so that practically no values corrupted by jump signals are measured. The interruptions below 0.1 s hardly interfere with the flow of the sample. The circuit is fully functional and pin compatible with already offered pyroelectric sensors, can therefore be realized with little effort and also retrofitted. Fig. 1 {sensor, pyroelectric; Switching transistor; Control electrode; Momentary; Time constant; preamplifier; Waermesenke}

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen pyroelektrischen Sensor zur Beeinflussung seines Signal-Zeit-Verhaltens.The invention relates to a circuit arrangement for a pyroelectric sensor for influencing its signal-time behavior.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Pyroelektrische Einelementsensoren werden sehr häufig in Infrarotmeßgeräten, z. B. Pyrometer, Spektrometer und Interferometer, eingesetzt.Pyroelectric Einelementsensoren are very common in infrared, z. As pyrometer, spectrometer and interferometer used.

Die hohe Empfindlichkeit und spezifische Defektivität dieser Sensoren sind aber mit großen thermischen und elektrischen Zeitkonstanten verbunden. Eine sprunghafte Änderung des Gleichanteils des Strahlungsflusses ruft deshalb am pyroelektrischen Element des Sensors ein hohes, sich zeitlich langsam änderndes Signal hervor, welches das Meßergebnis negativ beeinflussen kann.However, the high sensitivity and specific defectivity of these sensors are associated with large thermal and electrical time constants. A sudden change in the DC component of the radiation flux therefore causes a high, slowly changing signal on the pyroelectric element of the sensor, which can adversely affect the measurement result.

Die Verringerung derthermischen Zeitkonstante des pyroelektrischen Elementes auf wenige Millisekunden wird im allgemeinen durch verschieden gestaltete Wärmesenken erreicht.The reduction of the thermal time constant of the pyroelectric element to a few milliseconds is generally achieved by differently designed heat sinks.

Die elektrische Zeitkonstante des Sensors kann durch Verkleinern des hochohmigen Eingangswiderstandes des Verstärkers, der dem empfindlichen Element parallel geschaltet ist, verringert werden. Dadurch nimmt aber auch zugleich, insbesondere bei tiefen Frequenzen, die spezifische Defektivität ab, so daß Widerstandswerte in der Größenordnung von einigen Gigaohm nicht unterschritten werden können.The electrical time constant of the sensor can be reduced by reducing the high impedance input resistance of the amplifier, which is connected in parallel with the sensitive element. As a result, however, the specific defectivity also decreases at the same time, in particular at low frequencies, so that resistance values of the order of a few gigaohms can not be undershot.

Die Hersteller begnügen sich mit dem Hinwels darauf, daß bei sprunghaften Änderungen der Eingangssignale, z. B. beim Wechsel von Kanälen, mit der Messung 1 bis 2s zu warten Ist. Wartet der Benutzer diese Zeit nicht, so sind die in diesem Intervall gemessenen Werte mehr oder weniger falsch. Diese Wartevorschrift ist insbesondere für unmittelbar aufeinanderfolgende wiederholte Messungen, wie z. B. beim Scanning von Oberflächen mit einem Interferometer, störend. Die Meßzeit erhöht sich wesentlich.The manufacturers are satisfied with the Hinwels that in case of sudden changes in the input signals, eg. B. when changing channels, with the measurement 1 to 2 s to wait. If the user does not wait this time, the values measured in this interval are more or less wrong. This waiting provision is especially for immediately consecutive repeated measurements, such. B. when scanning surfaces with an interferometer, disturbing. The measuring time increases significantly.

In der DE-OS 2816580 werden ähnliche Probleme beschrieben. Die Lösung sehen die Au. uen darin, im Eingangskreis das Sensors antiparallel geschaltete Dioden zu verwenden. Die Wirkung dieser Lösung bester t aber allein darin, den Meßwert bzw. den maximal möglichen Fehler zu begrenzen. Gemessen wird weiterhin. Ob der Meßweu falsch oder richtig ist, kann nur subjektiv interpretiert werden.In DE-OS 2816580 similar problems are described. The solution is the Au. uen in the input circuit to use the sensor antiparallel connected diodes. But the effect of this solution is best only to limit the measured value or the maximum possible error. It is still measured. Whether the measurement is wrong or correct can only be interpreted subjectively.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung ist ein hochwertiger pyroelektrischer Sensor für Messungen, in deren Verlauf häufig sprunghaft wechselnde Eingar issignale vorkommen.The aim of the invention is a high-quality pyroelectric sensor for measurements, often occur in the course of leaps and bounds Einar issignale.

-2- 294 Darlegung des Wesens der Erfindung-2- 294 Explanation of the nature of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, bei Beibehaltung hoher Empfindlichkeit und spezifischer Defektivität die meßwertverfälschendeThe object of the invention is, while maintaining high sensitivity and specific deficiency the Meßwertverfälschende Wirkung sprunghafter Eingangssignale zu begrenzen.Limit the effect of erratic input signals. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß parallel zum empfindlichen Element ein Schalttransistor angeordnetAccording to the invention the object is achieved in that arranged parallel to the sensitive element, a switching transistor

und dessen Steuerelektrode mit einem Kurzzeitschalter verbunden ist.and whose control electrode is connected to a short-time switch.

Mit dem Kurzzeitschalter wird der Schalttransistor kurzzeitig durchgesteuert und danach wieder gesperrt. Während der kurzenWith the short-time switch, the switching transistor is temporarily controlled and then locked again. During the short

aktiven Phase, die gezielt aus einem sprunghaft angestiegenen Eingangssignal oder vorbeugend in Kenntnis eines derartigenbevorstehenden Ereignisses eingeleitet wird, ist die elektrische Zeitkonstante des Vorverstärkers drastisch verkleinert. Praktischwird die Anpassungszeit des Systems auf ein kurz zuvor oder in dieser Phase eingegangenes bzw. eingehendes Sprungsignalallein durch die thermische Zeitkonstante bestimmt. Bei Verwendung von Wärmesenken beträgt sie wenige 10 Millisekunden.active phase, which is initiated deliberately from a sudden increase in the input signal or preventive in knowledge of such a preceding event, the electrical time constant of the preamplifier is drastically reduced. Practically, the adaptation time of the system to a jump signal received shortly before or in this phase is determined solely by the thermal time constant. When using heat sinks, it is a few 10 milliseconds.

Während dieser Zeit kann mit dem Kurzzeitschalter automatisch auch die Verarbeitung von Meßwerten unterbunden werden, soDuring this time, the short-time switch can automatically prevent the processing of measured values, so

daß praktisch keine durch Sprungsignale verfälschten Werte gemessen werden. Die unter 0,1 s liegenden Unterbrechungenstören den Meßablauf kaum.that virtually no values distorted by jump signals are measured. The interruptions below 0.1 s hardly disturb the measurement process.

Vorzugsweise ist parallel zum empfindlichen Element ein selbstsperrender Feldeffekttransistor (FET) geschaltet und dessenPreferably, a self-locking field effect transistor (FET) is connected in parallel with the sensitive element and its Gate über eine Potentialverschiebestufe an die Betriebsspannung des Sensors gelegt.Gate via a potential shift stage to the operating voltage of the sensor. Der Triggerimpuls kann sowohl extern (z. B. durch Kopplung an den Kanalwähler eines mehrkanaligen Infrarotmeßgerätes oderThe trigger pulse can be both externally (eg by coupling to the channel selector of a multichannel infrared measuring device or

an das Abtastsystem eines Interferometers) als auch intern (z. B. aus dem Ausgangssignal über einen Komparator) abgeleitetwerden.to the sampling system of an interferometer) as well as internally (eg from the output signal via a comparator).

Die Schaltung ist zu bereits angebotenen pyroelektrischen Sensoren voll funktions- und pinkompatibel, kann dementsprechendThe circuit is fully functional and pin compatible to already offered pyroelectric sensors, can accordingly

mit geringem Aufwand realisiert und auch nachgerüstet werden.realized and retrofitted with little effort.

Ausführungsbeispielembodiment In den Zeichnungen zeigen ,In the drawings show Fig. 1: einen pyroelektrischen Sensor mit Schalttransistor,1: a pyroelectric sensor with switching transistor, Fig. 2: die Realisierung der Schaltung an einem mehrkanaligen pyroelektrischen Sensor,2 shows the realization of the circuit on a multi-channel pyroelectric sensor, Fig. 3: die Realisierung der Schaltung an einem Interferometer,3 shows the realization of the circuit on an interferometer, Fig.4: eine Schaltungsanordnung mit interner Auslösung des Steuersignals.4 shows a circuit arrangement with internal triggering of the control signal.

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 besteht aus einem strahlungsempfindlichen pyroelektrischen Element 1, einem Höchstohmwidersiand 2 (etwa 2 · 10" Ω) und einem Schalttransistor 3, die einander parallelgeschaltet sind. Ihnen nachgeschaltet ist ein als Vorverstärker arbeitender MOSFET 4, eineZ-Diode 5 (mit U_Z>U_B-U_P, z. B. 12 V) und ein Widerstand (etwa 1OkO). Das empfindliche Element besteht aus modifiziertem Triglycinsulfat. Durch eine nicht dargestellte Wärmesenke beträgt die thermische Zeitkonstante etwa 5ms. Der Schalttransistor 3 Ist ein n-Kanal-MOSFET vom Anreicherungstyp mit der Schwellspannung Up. Das Ausgangssignal wird an der Sourceelektrode des MOSFET 4 (Klemme A) gegenüber der Masse (Klemme M) abgenommen. Durch Erhöhung der Betriebsspannung U₈ auf Spannungen über U_z + Up (z. B. auf 15 V) wird der MOSFET 3 leitend. Sein Kanalwiderstand sinkt dadurch auf einen niedrigen Wert von etwa 10 kO. Nach der Zeit t, die etwa das Zehnfache der thermischen Zeitkonstante betragen sollte, ist die durch den Gleichanteil des Strahlungsflusses bewirkte Temperaturänderung des pyroelektrischen Elementes soweit abgeschlossen, daß die Betriebsspannung auf 9V abgesenkt werden kann und der Sensor wieder betriebsbereit ist.1 consists of a radiation-sensitive pyroelectric element 1, a maximum impedance 2 (approximately 2.times.10.sup.-1) and a switching transistor 3 which are connected in parallel with each other, followed by a MOSFET 4 operating as a preamplifier, anZ diode 5 (FIG. with U _Z > U _B -U _P , eg 12 V) and a resistor (about 10 kO) The sensitive element consists of modified triglycine sulfate The thermal time constant is about 5 ms through a heat sink (not shown) The switching transistor 3 is on The output signal is taken from the source of MOSFET 4 (terminal A) opposite the ground (terminal M) by increasing the operating voltage U ₈ to voltages above U _z + Up (e.g. 15 V), the MOSFET 3 becomes conductive, reducing its channel resistance to a low value of approximately 10 kΩ., After the time t, which is approximately ten times the thermal time constant should be te, caused by the DC component of the radiation flux temperature change of the pyroelectric element is completed so far that the operating voltage can be lowered to 9V and the sensor is ready for operation again.

In Fig. 2 ist ein solcher Sensor 7 Bestandteil eines mehrkanaligen Pyrometers. Der Kurzzeitschalter 9 liegt zwischen der Betriebsspannung U_B und dem Antrieb des Kanalwählers 8. Die zur Hälfte durchlässige und zur anderen Hälfte spiegelnde Scheibe des Kanalwählers stellt bei jeder halben Umdrehung des Kanalwählers mal die Verbindung zum Kanal 10.1 und mal zum Kanal 10.2 her. Beim Umschalten entsteht ein Sprungsignal. Der Kurzzeitschalter 9 wird vom Kanalwähler 8 so getaktet, daß in den Umschaltphasen die Messung kurzzeitig unterbrochen wird.In Fig. 2, such a sensor 7 is part of a multi-channel pyrometer. The short-time switch 9 is between the operating voltage U _B and the drive of the channel selector 8. The half permeable and the other half specular disk of the channel selector makes each half turn of the channel selector times the connection to the channel 10.1 and 10.2 to the channel ago. When switching occurs a jump signal. The short-time switch 9 is clocked by the channel selector 8 so that the measurement is briefly interrupted in the switching phases.

Bei einer nächsten Anwendung (Fig.3) ist der Kurzzeitschalter 9 des Sensors 7 dem Antrieb der Scanning-Einrichtung 12 eines Interferometers 11 zugeordnet. Bekanntermaßen wird der Spiegel der Interferenzeinrichtung bei jedem Start des Antriebs einmal hin- und einmal zurückbewegt. Der Kurzzeitschalter 9 ist so mit dem Antrieb 12 verbunden, daß er kurz vor dem Startsignal betätigt wird.In a next application (FIG. 3), the short-time switch 9 of the sensor 7 is assigned to the drive of the scanning device 12 of an interferometer 11. As is known, the mirror of the interference device is moved once each time the drive is started and once again. The short-time switch 9 is connected to the drive 12 so that it is operated shortly before the start signal.

In Verbindung mit einem Komparator 13 (Fig.4) kann der Kurzzeitschalter 9 auch beim Überschreiten eines Schwellwertes automatisch ausgelöst werden. Das hat den Vorteil, daß unplanmäßige Sprungsignale selbsttätig ausgeblendet werden. Hier wie in der anderen Ausführung kann der Kurzzeitschalter 9 parallel zum Schalten des Schalttransistor 3 direkt auch die Verarbeitung oder die Ausgabe von Meßwerten unterbrechen und wieder zuschalten.In conjunction with a comparator 13 (Figure 4), the short-time switch 9 can be triggered automatically even when a threshold value is exceeded. This has the advantage that unscheduled jump signals are automatically hidden. Here, as in the other embodiment, the short-time switch 9 can also interrupt the processing or the output of measured values in parallel with the switching of the switching transistor 3 and switch it on again.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung eines pyroelektrischen Sensors, bestehend aus einem empfindlichen Element und einem Verstärker, dessen hochohmiger Eingangswiderstand parallel zum empfindlichen Element liegt, gekennzeichnet dadurch, daß parallel zum empfindlichen Element (1) ein Schalttransistor (3) angeordnet und dessen Steuerelektrode mit einem Kurzzeitschalter (9) verbunden ist.1. Circuit arrangement of a pyroelectric sensor consisting of a sensitive element and an amplifier, the high-impedance input resistor is parallel to the sensitive element, characterized in that parallel to the sensitive element (1) a switching transistor (3) and arranged the control electrode with a short-time switch (9 ) connected is. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Steuerelektrode des Schalttransistors (3) über eine Potentialverschiebestufe mit der Betriebsspannung des Sensors verbunden ist.2. A circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the control electrode of the switching transistor (3) is connected via a potential shift stage with the operating voltage of the sensor. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch !,gekennzeichnet dadurch, daß der Kurzzeitschalter (9) dem Kanalwähler (8) eines mehrkanaligen Spektrometer bzw. eines Interferometers zugeordnet ist.3. A circuit arrangement according to claim!, Characterized in that the short-time switch (9) is associated with the channel selector (8) of a multi-channel spectrometer or an interferometer. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Kurzzeitschalter (9) dem Antrieb (12) des Abtastspiegels eines Interferometers zugeordnet ist, wobei der Schaltzeitpunkt des Kurzzeitschalters (9) vor dem Startimpuls des Antriebs (12) liegt.4. A circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the short-time switch (9) is associated with the drive (12) of the scanning mirror of an interferometer, wherein the switching time of the short-time switch (9) before the start pulse of the drive (12). 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch; daß das Ausgangssignal des Sensors an einem Komparator (13) anliegt und der Kurzzeitschalter (9) dem Komparaterausgang zugeordnet ist.5. Circuit arrangement according to claim 1, characterized by; the output signal of the sensor is applied to a comparator (13) and the short-time switch (9) is assigned to the comparator output. 6. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß bei positiver Betriebsspannung als Schalttransistor (3) ein n-Kanal-MOSFET vom Anreicherungstyp vorgesehen ist.6. Circuit arrangement according to claims 1 and 2, characterized in that when the operating voltage is positive as switching transistor (3) an n-channel MOSFET of the accumulation type is provided.