Jump to content

    

Шумы от фоновой засветки

Для обнаружения вспышки с температурой от 400 до 900 град. Цельсия предполагается использовать одиночные фотодиоды ИК диапазона.

Испробованы диоды с тремя разными диапазонами - графики приведены ниже. Все 3 фотодиода используют ТИУ с полосой пропускания (16 - 10000) Гц, различие только в типе микросхемы ОУ: для первого (и самого коротковолнового) используется ОУ с MOSFET на входе, а два другие используют ОУ с биполярными транзисторами на входе, т.к у этих датчиков очень низкое динамическое сопротивление (480 и 70 Ом) и им требуется усилитель с низкими напряженческими шумами (это доказано теоретически и подтверждено на практике). Все датчики с усилителями установлены в одном металлическом корпусе.

К обнаружительной способности вопросов нет - вспышку видят все, но вот что странно, когда прибор подвергается непрямой засветке солнцем - пробовал ставить на окне и на штативе на улице - у первых двух фотодиодов появляются низкочастотные шумы на выходе. Часть я списал на то, что уровень освещенности слегка меняется изза проплывающих облаков, но эффект проявляется и в безоблачную погоду. На улице устройство устанавливалось так, чтобы в датчики не попадал отраженный от земли и других объектов свет. Более того самый длинноволновый датчик вообще не замечает никаких колебаний освещенности, можно было бы предположить, что он не видит спектр солнца, но это не так - если в датчики попадает прямой солнечный свет, то первый каскад (ТИУ) у них у всех уходит в насыщение, значит солнце они "видят" все.

Замечено, что наибольший уровень шумов появляется в самом коротковолновом датчике, более длинноволновый -  в разы меньше. Спектр шумов лежит в диапазоне десятков-сотен герц.

Если светить в лоб датчиков мощным светодиодным фонарем (900 Лм), то никакого увеличения шумов не наблюдается.

Хотелось бы понять в чем причина этих шумов от засветки солнцем.

1.png

2.png

3.png

Share this post


Link to post
Share on other sites

Давайте по-порядку. 

1. Выбор типа ОУ для вашего применения начинается не с оценки шума, а с оценки сопротивления преобразователя ток - напряжение и допустимого входного тока и тока смещения ОУ. Например, входной ток в 1нА на сопротивлении 1ГОм даст вам смещение в 1Вольт!!! Можете также примерно оценить колебания смещения при изменении входного тока от температуры.

2. Как ограничена полоса снизу? Возможно проявляется дробовый шум. 

3. Я правильно понимаю, что для каждого из типов фотодиодов вы использовали 4 варианта ОУ? То есть испытали 12 комбинаций?

4. Если пункт 3 выполнен иначе, то проверяйте даташиты на ОУ.  С уменьшением частоты шум увеличивается у всех ОУ - это такая природа полупроводниковых усилителей.  Для многих ОУ низкочастотный шум ненормирован.

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

1. В моем случае шум это самое главное, т.к. получающийся сигнал/шум на выходе усилителя не слишком высок и он к тому же снижается даже при небольшом нагреве диодов. Оценка сопротивления преобразователя это конечно хорошо, но приходится использовать то, что годно по шумовым хар-кам и по току потребления. Скажем так из нескольких вариантов (там были ТИУ просто на ОУ и на связке jFET+ОУ, и на MOSFET+ОУ и даже bjt+ОУ) я выбирал самый подходящий для каждого конкретного датчика. Колебания смещения меня не волнуют, т.к полезный сигнал имеет достаточно резкий фронт и легко выделяется на фоне медленных колебаний. И да, низкочастотные шумы появлялись сразу по вынесении на солнце, еще до того как всё нагреется.

2. Снизи полоса ограничена просто RC цепочкой на выходе ТИУ. Почему дробовой шум появляется только при рассеянном солнечном свете и только у конкретно коротковолнового датчика? Кстати хочу заметить - для коротковолнового датчика используется ОУ с полевыми транзисторами на входе, входные токи там единицы пикоампер.

3. Откуда вы прознали про 4 варианта? :) На самом деле их было даже больше - 4 типа схем, которые я указал выше, плюс для варианта на одиночном ОУ я пробовал ОУ разных типов.

4. Про фликер я знаю, но как это можно связать с засветкой солнцем? При засветке растет ток фотодиода, который компенсируется током с выхода ОУ, что никак не влияет на входной ток собственно ОУ, ведь режим работы ОУ не меняется (напряжение на входах = const = 0).

Share this post


Link to post
Share on other sites
В 16.11.2018 в 11:01, Alexashka сказал:

эффект проявляется и в безоблачную погоду

Найдите однородную бесконвекционную погоду.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Конвекционные потоки лучше должен чувствовать длинноволновый датчик (как более чувствительный к малым градиентам  температуры).

Share this post


Link to post
Share on other sites
1 hour ago, Alexashka said:

Конвекционные потоки лучше должен чувствовать длинноволновый датчик (как более чувствительный к малым градиентам  температуры).

Не факт...

Share this post


Link to post
Share on other sites

С такими фотоприемниками на улице при солнечной засветке локальное изменение состава воздуха будет очень сильно влиять на сигнал. Проехала машина, концентрация CO2, CO и прочих компонентов выхлопа, которые имеют зоны поглощения в ближнем и среднем ИК диапазоне, изменилась, после рассеяния ситуация будет вновь иная. Плюс конвекция.

Вам либо нужно компенсировать (учитывать) подобный шум, предварительно хорошо изучив его характер, либо проводить измерения в контролируемой среде. Альтернативный вариант - измерять дифференциально, т.е. использовать два идентичных фотоприемника: фотоприемник 1 получает сигнал от объекта и фон, а второй - только фон. Дальше можете вычитать фон в надежде, что он скоррелирован у обоих фотоприемников.

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Спасибо всем за помощь, но по-видимому всё гораздо проще.

Если графики не врут, то мой третий датчик своей областью спектральной чувствительности (2,6 - 4,3) мкм попадает в аккурат в ложбину между спадом солнечного спектра чуть выше 2 мкм и началом длинноволновой зоны ИК обусловленной излучением земли выше 4,3 мкм.

357769_html_6d83ff49.png

 

400px-Atmospheric_Transmission.png

 

Может кто имеет более подробный график солнечного спектра?

Думаю этим и объясняется нечувствительность 3го датчика к фоновой засветке. Скорей всего некоторое (небольшое) влияние всё же есть, но оно маскируется большим собственным темновым шумом датчика и усилителя.

Share this post


Link to post
Share on other sites
16 hours ago, Alexashka said:

...Может кто имеет более подробный график солнечного спектра?

...

Дык, если Вы ищете причину в полосах поглощения, то основной вклад всё равно от воды. И вода же - самая изменчивая составляющая атмосферы.

Но все изменения в полосах поглощения атмосферы - это весьма медленные процессы. Не думаю, что они являются источником шума.

А вот конвекционные потоки вполне могут давать широкополосную шумоподобную модуляцию интенсивности как раз в коротковолновой области.

Share this post


Link to post
Share on other sites
6 hours ago, prig said:

А вот конвекционные потоки вполне могут давать широкополосную шумоподобную модуляцию интенсивности как раз в коротковолновой области.

Ну т.е. опять же, если я правильно Вас понял, причина в том, что уровень самого излучения в коротковолновой области гораздо выше.

Чтож, большинство склоняется к конвекции, ок, попробую к фонарику добавить нагрев поверхности стола феном, чтобы появилась конвекция :) О результатах отпишусь.

Share this post


Link to post
Share on other sites
16 hours ago, Alexashka said:

...

Чтож, большинство склоняется к конвекции,...

Ну, пока это единственное, хоть сколько-нибудь приемлемое объяснение. Хотя, насколько я понимаю, "узконаправленной" оптики на фотодиодах не было, что в свою очередь вызывает вопросы уже к самому объяснению. Но если уж проверять, то лучше попробовать подобрать оптический фильтр, ч.б. отсечь коротковолновую часть.

И я бы ещё обязательно попробовал побаловаться с нейтральными фильтрами (в отсутствии оптики сгодится дырчатая мет. пластина). Если что-то не так с режимом из-за постоянной засветки, с нейтральными фильтрами это проявится.

 

П.С. С фотодиодами на ближний ИК я работал мало, и было это давно. Но вот ощущение изрядной специфичности оных до сих пор осталось.

Т.ч., Вы с ними повнимательней.

Share this post


Link to post
Share on other sites
18 hours ago, prig said:

Ну, пока это единственное, хоть сколько-нибудь приемлемое объяснение.

Провел эксперимент - на фотодиоды светил сначала светодиодным фонарем, потом лампой накаливания (чтобы сначала оценить эффект как бы от дневного света, а потом со смещением в ИК область), одновременно дул феном (t=100 град.) перпендикулярно оптической оси датчиков в промежуток между лампой и фотодиодами. Сначала (при засветке светодиодным фонарем) был эффект в точности как на улице - т.е самый коротковолновый датчик (первый график из поста #1) давал самый большой шум (на 2 порядка больше собственного), второй датчик давал шум уже на порядок меньше, ну а третий практически на уровне собственных шумов. Зато с лампой накаливания эффект проявлялся примерно одинаково на всех датчиках! И что интересно если отключить лампу, то эффект от дутья феном полностью пропадает.

Т.е. выходит действительно конвекция (изменение коэф. преломления от температуры?) + характерный для солнца спектр излучения объясняют то, что я и наблюдал на улице, т.е имеем заметную модуляцию фоновой засветки, а из-за особенностей спектра реагируют на это только датчики коротковолнового диапазона.

Quote

Хотя, насколько я понимаю, "узконаправленной" оптики на фотодиодах не было

Первые 2 датчика из поста #1 были с рефлекторами, а третий датчик с иммерсионной линзой (15 град.). Не знаю можно ли это считать узконаправленной оптикой?

Quote

И я бы ещё обязательно попробовал побаловаться с нейтральными фильтрами (в отсутствии оптики сгодится дырчатая мет. пластина). Если что-то не так с режимом из-за постоянной засветки, с нейтральными фильтрами это проявится.

Вы имеете в виду, что входной тракт (или сам фотодиод) может насыщаться?

Share this post


Link to post
Share on other sites
3 hours ago, Alexashka said:

...

Вы имеете в виду, что входной тракт (или сам фотодиод) может насыщаться?

Я имел ввиду нелинейные зависимости в принципе. Таки, узкозонные полупроводники технологически от кремния отличаются сильно. В том или ином виде на характеристиках это сказывается.

В своё время надо было сделать очень тихий линейный приёмник на диапазон от 1мкм. Через некоторое время выяснилось, что нигде, кроме питерского Физтеха, ничего приличного не купить в принципе (м.б. у амеров и были, но мы не смогли найти). С остальными были проблемы как в части шума, так и линейности. При этом, сперва обломались именно на импорте.

Но это было давно, работа была срочная, всё делалось впопыхах. Так что, подробности я сейчас навряд ли вспомню.

 

П.С. И да, забыл добавить.

Сильной постоянной внешней засветки у нас не было. 50 Гц от искусственного нам не мешало.

А вот постоянная засветка от собственного излучателя была на уровне более 100% от максимального полезного сигнала.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Спасибо. Кремниевая пластинка в качестве фильтра для отсекания коротковолнового ИК пойдет? Вафля, та что для изготовления микросхем

Share this post


Link to post
Share on other sites

Кремний в качестве слабого нейтрального сгодится. В принципе, с него начинать даже лучше.

В принципе, "вафля" может давать интерференцию, но для вашего случая это навряд ли критично.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this