热释电红外探测器组成和原理.doc

热释电红外探测器组成和原理1热释电红外探测器的组成11.1热释电红外传感器的结构11.2热释电红外探测器的光学系统22热释电红外探测器的原理5在过去的几十年里，传感器这一用语经历了从诞生到家喻户晓的过程。今天很难找到一个科学领域或产业部门能够完全脱离传感器而存在。热释电红外传感器作为热释电红外探测器的核心部件因其新颖的工作原理越来越受到人们的关注。本章将先介绍热释电红外探测器的工作原理，并深入分析热释电红外传感器的工作原理，然后对热释电红外探测器的组成和关键技术做详细介绍。1热释电红外探测器的组成目前市场上的热释电红外传感器是探测器的核心器件。如图1所示。它的主要部分是由高热电系数的材料制成尺寸约在2×1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件、并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度变化而产生的干扰。热释电红外传感器的作用主要是探测接收红外辐射并将其转换为微弱的电压信号。下面小节中将对热释电红外传感器的热释电效应做详细分析介绍。图1 热释电红外探测器的基本组成1.1热释电红外传感器的结构热释红外传感器和热电偶一样是基于热电效应的热电型红外传感器。不同的是，它的热释电系数远远高于热电偶，其内部的热电元件采用高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化强度随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰，在工艺上将两个特征一致的热电敏感元反向串联接成差动平衡电路，它能以非接触式探测出物体放出的红外线能量变化，并将其转换为电信号输出。典型的热释电红外传感器结构如图2所示，热释电陶瓷敏感元件、场效应管和偏置高阻被封在管壳内。器件的性能不仅与敏感元件本身的特性有关，与敏感元件的物理尺寸、固定方式、以及偏置电阻的大小和场效应管的类型也有关。红外窗口的性能、器件密封方式以及外围电路的特性都会影响器件的探测效率。图2 热释电红外传感器内部结构热释电红外传感器是以探测人体辐射为目标，所以热释电元件对波长为左右的红外辐射必须非常敏感。为了仅仅对移动人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅尔透镜系统，使环境的干扰受到明显的控制作用。热释电红外传感器包含两个互相串联或并联的热释电敏感元，而且两个敏感元的电极化方向正好相反，如图3所示。环境背景红外热辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。菲涅尔透镜系统根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。图3 热释电传感器的内部电路示意图热释电红外传感器的封装形式有多种，早期的树脂封装因为不能对外界的电磁波有效屏蔽，已经被淘汰，目前的热释电红外传感器几乎都采用带红外窗口的TO-5型金属壳封装。1.2热释电红外探测器的光学系统热释电红外探测器的光学系统其基本功能是将目标红外热能辐射汇聚到热释电传感器表面。视区概念的建立能将入侵目标在防护区域内的移动转化为热释电元件表面的脉动热能变化，为信号的后续处理奠定基础。为了将移动目标从静态热背景下区分出来，热释电红外探测器设有一个复杂的光学系统，分层结构的多组光学透镜和反光镜，形成向下俯瞰的扇形保护区，张开扇形视角的同时，兼顾远、中、近等不同区域的目标探测。聚乙烯菲涅尔透镜因加工成型方便，价格低廉，被广泛应用于探测距离在30米以内的探测器中，抛物面反射镜构成的光学系统效率高、聚焦准确，但是体积大。为了取长补短，菲涅尔透镜、抛物面反射镜、遮挡片三种类型的聚焦手段经常用于同一个探测器当中，相互配合点检出最佳的光学系统。热释电红外传感器内封装了两片热释电敏感元，其大小及排列如图4所示。为了探测红外移动目标需要将移动目标的红外热能辐射反射到热释电敏感元件上。这是靠特殊的光学系统设计实现的。在热释电元件旁设置光学系统，经由透镜、反射镜将现场的景物（红外热量）投射到热释电元件表面，形成红外成像。这一过程与常见照相机在底片上成像原理完全相同，区别在于热释电红外探测器的光学系统不需要很高的成像精度，更不必考虑影像轮廓是否准确。图4 热释电敏感元件的几何排列普通照相机设有一组镜头，在底片上的影像是唯一的。而热释电红外探测器的设计目的不同，为了使单一热释电元件能探测特定范围的移动目标，热释电红外探测器的光学系统设有多组镜头组成有序的光学阵列，阵列中各个镜头的光轴有不同的指向，但是红外热量汇聚在同一热释电敏感元的表面，即多幅红外影像在同一热释电元件表面重叠在一起。在没有移动目标的情况下，这些重叠的红外影像反映的是现场背景的红外热能辐射情况，持续的静态热能辐射并不会引起热电输出。如果用图4所示的热释电元件充当透镜的镜面，两个热释电元件表面就会呈现现场景物的倒像。由于每一个热释电元件的大小只有2×1mm2，经过透镜能够投射到元件矩形范围内的现场景物就局限在一个漏斗型的空间里。换言之，热释电元件只能“看”到这个漏斗型空间内的热能景物，我们把这个漏斗型敏感空间称为热释电元件的视区（FOV, Field of View），如图5所示。图5 热释电红外传感器的光学视区双元热释电红外传感器这种类型的热释电元件由于其性能稳定已被广泛使用，配合单一凸透镜后会形成两个规则排列的热敏感视区。如图5所示。漏斗形视区任一横断面其高度比均为2:1，漏斗张角（视角）的大小取决于镜头焦距的设计。焦距越小，漏斗的视角越大。一般而言，希望防范较远的区域的移动目标应采纳小视角视区，即采用较长焦距的镜头，反之亦然。单一透镜所能形成的视区只有两个，防范区域也只能限定在视区作用的范围内，为了获得更大的防范区域，需要增加互不重叠的视区数目。在被动红外探测器中扩充视区数量的方法是在热释电红外传感器的前段放置菲涅尔透镜（Fresnel lens）。菲涅尔透镜由多层、不同焦距的透镜组成。各透镜的法线汇聚于热释电元件中心，法线向外辐射，以形成等间距视区分布。如图6所示，使用了三片镜头弧形排列，于是形成了六个视区，扇形分布，防范区域得到扩充。图6 三镜头六视区示意图多个透镜组合在热释电元件表面形成了多幅热影像，并不会影响到热释电红外元件的正常工作。在没有移动目标进入视区的情况下，热释电元件表面的多幅影像均为现场背景的热辐射成像。这样的静态背景所产生的热辐射为持续不变的能量场，这样的热辐射会使热释电元件处于热平衡状态，不会有热点信号输出。当有移动目标进入任何一个视区，持续的背景能量辐射受到扰动，热释电元件接收到的热能发生变化，原有的热平衡状态被打破，热电元件产生热电信号输出，如图7所示。图7 热释电红外传感器视场及输出信号2热释电红外探测器的原理约在公元前300年人们就发现了热释电效应，不过热释电的现代名称Pyroelectric是1824年才由英国物理学家D.布儒斯特引入的。热释电效应很早就被发现的原因是他们很容易显示出来。关于热释电效应的最早的记录就是电气石吸引轻小物体。早期主要是对现象的描述，从19世纪末开始，随着近代物理的发展，关于热释电效应的定量和理论的研究日益发展。在二十世纪六十年代以来，激光和红外技术的发展极大的促进了热释电效应及其应用的研究，丰富和发展了热释电理论，发现了一些重要的热释电材料，并研制了性能优良的热释电探测器和热释电摄像管等热释电器件。热释电效应及其应用已经成为凝聚态物理和技术中活跃的研究领域之一。图8 热释电效应所谓热释电效应是指晶体随温度的变化而在晶体表面产生电荷聚集的物理现象，并且该种材料自发极化的强度随温度的变化而变化。热释电效应是自然界普遍存在的一种物理现象。宏观上，温度的改变使材料的两端出现电压或产生电流。考虑一个单畴化的铁电体，其中极化强度的排列使靠近极化矢量两端的表面附近出现束缚电荷。在热平衡状态下，这些束缚电荷被等量反号的自由电荷所屏蔽，所以铁电体对外界并不显示电的作用。当温度改变时，极化强度发生变化，原先的自由电荷不能再完全屏蔽束缚电荷，于是表面出现自由电荷，他们在附近空间形成电场，对带电微粒有吸引或者排斥作用，如图8所示。通过与外电路连接，则可在电路中观测到电流。升温和降温两种情况下电流的方向相反，与铁电体中的压电效应相似，热释电效应中电荷或电流的出现是由于极化改变后对自由电荷的吸引能力发生变化，使在相应表面上自由电荷增加或减少。与压电效应不同的是，热释电效应中极化的改变由温度变化引起，压电效应中极化的改变则是由应力造成的。属于具有特殊极性方向的10个极性点群的晶体具有热释电性，所以常称它们为热释电体。其中大多数的极化可因电场作用而重新取向，是铁电体。经过强直流电场处理的铁电陶瓷，其性能可按极性点群晶体来描写，也具有热释电效应。根据普朗克定律，黑体的单色辐射强度随波长和热力学温度变化而变化的关系式为： (1)式中：黑体单色辐射强度（），普朗克第一辐射常数（），普朗克第二辐射常数（），黑体的绝对温度。在温度低于300K的可见光范围内，一般用维恩公式来代替(1)式，即： (2)红外辐射理论表明：任何温度高于绝对零度(-273.15) 的物体，由于分子的热运动，都会产生红外辐射，并且这种红外辐射的特性与辐射的能量是跟物体的温度高低成正比的。 对于温度为3637的人体，其自身就是一个红外热辐射源，且发射率很高，这种辐射是与肤色无关的。在室温下人体裸露皮肤的温度大约为32，辐射能量大部分集中在812的光谱波段内，也就是说人体所发出的红外线属于中红外波段。人体红外辐射强度的个体差异不大，但频谱特性的差异却较大。因此，可以利用人体与背景温度和辐射特性的自然差异，借助红外光学系统、红外敏感组件（红外探测器）、以及现代信号处理技术，研制出被动式红外探测器，应用与生产生活当中。凡是自发极化的晶体，其表面会出现面束缚电荷，而这些面束缚电荷平时被晶体内部和外部来的自由电荷所中和，因此在常态下呈中性。如果交变的辐射照射在光敏元上，则光敏元的温度、晶片的自发极化强度以及由此引起的面束缚电荷的密度均以同样频率发生周期性变化。如果面束缚电荷变化较快，自由电荷来不及中和，在垂直于自发极化矢量的两个端面间会出现交变的端电压。当晶体处于低于Curie温度的恒温环境时，其自极化强度保持不变，即极化电荷面密度保持不变。这些极化电荷被空气中的带电粒子中和，当红外辐射入射晶体，被晶体吸收后，晶体温度升高，自极化强度变小，即电荷面密度变小。这样，晶体表面存在多余的中和电荷，这些电荷以电压或电流的形式输出，该输出信号可用来探测辐射。热释电红外探测技术利用热释电红外传感器和一系列由光学系统零件形成的离散灵敏区域进行探测监控，接收物体通过监控区域时产生的红外信号并转换成电信号输出，经过信号调理电路后，输入到信号分析处理单元进行信号分析处理，对信号进行判断识别，以决定是否发出报警信号。