熱釋電傳感器原理特性

熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱電偶，其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。為了抑制因自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾該傳感器在工藝上將兩個(gè)特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動(dòng)平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測(cè)出物體放出的紅外線能量變化并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場(chǎng)效應(yīng)管的目的在于完成阻抗變換。

由于熱電元輸出的是電荷信號(hào)，并不能直接使用因而需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式該電阻阻抗高達(dá)104MΩ，故引入的N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)接成共漏形式即源極跟隨器來完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測(cè)元、干涉濾光片和場(chǎng)效應(yīng)管匹配器三部分組成。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對(duì)其進(jìn)行極化，這樣便制成了熱釋電探測(cè)元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測(cè)元也是有正、負(fù)極性的。

熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)電路圖

　　熱釋電傳感器由濾光片、熱釋電探測(cè)元和前置放大器組成，補(bǔ)償型熱釋電傳感器還帶有溫度補(bǔ)償元件，國1-1所示為熱釋電傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為防止外部環(huán)境對(duì)傳感器輸出信號(hào)的干擾，上述元件被真空封裝在—個(gè)金屬營內(nèi)。

　　圖1-1熱釋電傳感器的結(jié)構(gòu)

　　熱釋電傳感器的濾光片為帶通濾光片，它封裝在傳感器殼體的頂端，使特定波長的紅外輻射選擇性地通過，到達(dá)熱釋電探測(cè)元+在其截止范圍外的紅外輻射則不能通過。

　　熱釋電探測(cè)元是熱釋電傳感器的核心元件，它是在熱釋電晶體的兩面鍍上金屬電極后，加電極化制成，相當(dāng)于一個(gè)以熱釋電晶體為電介質(zhì)的平板電容器。當(dāng)它受到非恒定強(qiáng)度的紅外光照射時(shí)，產(chǎn)生的溫度變化導(dǎo)致其表面電極的電荷密度發(fā)生改變，從而產(chǎn)生熱釋電電流。

　　前置放大器由一個(gè)高內(nèi)阻的場(chǎng)效應(yīng)管源極跟隨器構(gòu)成，通過阻抗變換，將熱釋電探測(cè)元微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為有用的電壓信號(hào)輸出。

　　前置放大器將微弱的熱釋電電流轉(zhuǎn)換為有效電壓輸出。前置放大器必須具備高增益、低噪聲、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，以便從眾多的噪聲干擾中提取微弱的有用信號(hào)。國18是熱釋電傳感器的內(nèi)部電路。熱釋電探測(cè)元和前置放大器通常集成封裝在晶體管內(nèi)，以避免空氣濕度使泄露電流增大。這種結(jié)構(gòu)的前置放大器信噪比高，受溫度影響小。

　　圖1-8電路中的電壓增益與場(chǎng)效應(yīng)管在工作點(diǎn)的跨導(dǎo)和源極電阻有關(guān)，計(jì)算公式如下：

　　由公式（7）可知，增大源極電阻，或減小漏極電流可以提高前置放大器的電壓增益。但是增大源極電阻的同時(shí)，輸出電阻會(huì)變大，從而導(dǎo)致漏極電壓升高，當(dāng)源極電阻達(dá)到100Kohm時(shí)，漏極電壓會(huì)升高到15V，因此源極電阻不應(yīng)過大，一般不超過100Kohm，增大電壓增益能降低溫度對(duì)跨導(dǎo)的影響，提高增益的溫度穩(wěn)定性。

熱釋電傳感器的工作原理：

圖1開始的階段（T），在沒有紅外照射下，熱釋電紅外傳感器的溫度沒有變化，傳感器表面的電荷處于中和狀態(tài)，正負(fù)電子對(duì)等（A），此時(shí)，傳感器沒有輸出（0）。圖1第二階段（T+△T），有溫度變化時(shí)，在人體紅外線的照射下，熱釋電紅外傳感器的溫度如果上升△T，那么傳感器表面的電荷就如圖2（B）所示的那樣發(fā)生相應(yīng)的變化。如果溫度變化為△T，其對(duì)應(yīng)的電荷變化就產(chǎn)生△V的變化，因此，傳感器輸出△V。隨著時(shí)間的延長，傳感器表面就會(huì)重新吸附空氣中的離子并相互抵消由此而達(dá)到如圖2C所示的中和狀態(tài)。此時(shí)，傳感器又恢復(fù)到?jīng)]有輸出（0），如圖3所示。

當(dāng)溫度下降時(shí)，溫度又回到原來的狀態(tài)（T），其自由極化狀態(tài)如圖2D所示。由于溫度的下降變化（相對(duì)而言）過程與溫度上升變化相反，所以，傳感器表面的電荷變化與上升時(shí)變化過程剛好相反，是個(gè)反過程。因此，傳感器的輸出信號(hào)就是-△V，如圖3所示。同理，隨著時(shí)間的延長，傳感器的表面也會(huì)重新吸附空氣中的離子，而使傳感器的輸出信號(hào)再次為零。

傳感器對(duì)人體活動(dòng)信息的感應(yīng)全過程輸出信號(hào)如圖3所示。從傳感器輸出圖中不難看出，傳感器對(duì)人體活動(dòng)的一個(gè)動(dòng)作所輸出的信號(hào)是一個(gè)完整的波形。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果用放大器把該信號(hào)放大，再用示波器觀察就是一個(gè)正脈沖和一個(gè)負(fù)脈沖。也就是說，傳感器感應(yīng)到的一個(gè)移動(dòng)信號(hào)近似于一個(gè)完整的1Hz脈沖信號(hào)。