劉 霞，王曉琨，焦玉驍，李杰龍，李雪燕，曹連振

（濰坊學(xué)院，山東 濰坊 261061）

早在20世紀(jì)初，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)當(dāng)一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷。這種由于熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)［1］?；跓後岆娦?yīng)制作的各種熱釋電探測器，已廣泛地用于輻射和非接觸式溫度測量、紅外光譜測量、激光參數(shù)測量、工業(yè)自動控制、空間技術(shù)、紅外攝像中等。雖然熱釋電探測器的設(shè)計和應(yīng)用研究已取得了很大進展，但是現(xiàn)有的熱釋電探測器還是存在諸多亟需解決的問題，比如［2］：

（1）探測信號幅度小，容易受各種熱源、光源和射頻輻射等的干擾；

（2）被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收；

（3）環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度明顯下降，有時造成短時失靈；

（4）被動紅外探測器的主要檢測的運動方向為橫向運動方向，對徑向方向運動的物體檢測能力比較差。

本文以鈦酸鋇紅外熱釋電材料為基礎(chǔ)，利用Multisim7模擬仿真軟件設(shè)計了一個與基本器件結(jié)構(gòu)更加匹配，抗噪聲能力更強，相同的外界溫差時輸出電壓更強的三級電路。并通過理論和實驗相結(jié)合的方法，根據(jù)實驗中出現(xiàn)的問題不斷優(yōu)化和改進電路，從而達到設(shè)計要求。該電路采用集成運算電路方式進一步增大了對熱釋電信號的放大穩(wěn)定作用，降低了噪聲等外界因素干擾對系統(tǒng)的影響，使其抗干擾能力增強，同時提高了探頭的靈敏性和探測范圍。

1 熱釋電原理及熱釋電探測器工作原理［3－7］

熱釋電效應(yīng)原理示意圖如圖1（a）所示。當(dāng)已極化的熱電晶體薄片受到輻射熱的時候，薄片溫度升高，極化強度下降，表面電荷減少，相當(dāng)于“釋放”一部分電荷，故名熱釋電。釋放的電荷通過一系列的放大，轉(zhuǎn)化成輸出電壓。如果繼續(xù)照射，晶體薄片的溫度升高到TC（居里溫度）值時，自極化突然消失。不再釋放電荷，輸出信號為零，如圖1（b）所示。

因此，熱釋電傳感器只能探測交流斬波式的輻射（紅外光輻射要有變化量）。［7］當(dāng)面積為A的熱釋電晶體受到調(diào)制加熱，而使其溫度T發(fā)生微小變化時，就有熱釋電電流。，A為面積，P為熱電體材料熱釋電系數(shù)是溫度的變化率。

熱釋電紅外傳感器通過目標(biāo)與背景的溫差來探測目標(biāo)，其工作原理是利用熱釋電效應(yīng)，即在鈦酸鋇等一類晶體的上、下表面設(shè)置電極，覆以黑色膜，若有紅外線間歇地照射，其表面溫度上升△T，其晶體內(nèi)部的原子排列將產(chǎn)生變化，引起自發(fā)極化電荷，在上下電極之間產(chǎn)生電壓△U。常用的熱釋電紅外線光敏元件的材料有陶瓷氧化物和壓電晶體，如鈦酸鋇、鉭酸鋰、硫酸三甘肽及鈦鉛酸鉛等。熱釋電紅外傳感器內(nèi)部由光學(xué)濾鏡、場效應(yīng)管、紅外感應(yīng)源（熱釋電元件）、偏置電阻、EMI電容等元器件組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖1

圖2 紅外探測器結(jié)構(gòu)示意圖

2 探測器的分析與改進研究

2.1 受干擾原因分析

熱釋電紅外探測器在應(yīng)用中存在的主要問題是輸出的信號微弱易受噪聲和環(huán)境熱源的干擾。為了解決問題，首先要分析和研究環(huán)境熱源和噪聲干擾對熱釋電探測器的影響。

（1）大多數(shù)熱釋電探測器都是由兩個熱釋電敏感元件通過反極性串聯(lián)或并聯(lián)方式組成的。當(dāng)敏感元件的特性一致時，反極性串聯(lián)或并聯(lián)的兩個敏感元件可以抵消近環(huán)境背景熱源的干擾，也可以減小相對靜止熱源的外部干擾，而對移動的熱源對象具有較高的檢測靈敏度。然而在實際應(yīng)用中，這種方法很不可靠。通常，外部的靜止熱源干擾在兩個熱釋電敏感元件上所產(chǎn)生的感測信息可歸結(jié)為三種情況。［8］①兩個熱釋電敏感元件同時探測到了幅度基本相同大小的熱釋電信號，此時由于兩個熱釋電元件是反極性串聯(lián)，所以兩個信號基本可以相互抵消，即UOUT＝0，這種情況下幾乎沒有探測信號輸出。②兩個熱釋電敏感元件探測到了幅度不同大小的靜止熱釋電信號，由于兩個信號幅度不相等，因此不可能完全相互抵消，UOUT≠0，這種情況下輸出一個單方向相對較小的探測信號。③只有一個熱釋電元件探測到了靜止熱釋電信號，因此不可能存在相互抵消的作用，這種情況輸出一個幾乎完整的單方向探測信號。這就說明，當(dāng)外界的靜止熱源的溫度變化速度和強度達到一定幅度時，熱釋電探測器受到的干擾很明顯，尤其是干擾熱源的溫度范圍接近于被測對象的溫度時。

（2）熱釋電紅外傳感器是一種高阻抗的器件，熱釋電紅外傳感器輸出的信號很微弱，容易受到噪聲的干擾，甚至有效信號被淹沒在噪聲中。研究發(fā)現(xiàn)傳感器上輸出信號的干擾源主要來自傳感器的熱噪聲、固有噪聲、放大器的電壓和電流噪聲等。熱噪聲是由探測器材料中的電荷載流子的隨機熱運動而產(chǎn)生的。傳感器的固有噪聲電壓峰峰值約為50uv，室外熱空氣流動能夠產(chǎn)生接近250uV的噪聲，在室內(nèi)也接近180uV。其他可能存在的干擾，如空間電磁波干擾和機械振動等，噪聲幅值接近100uV，三種噪聲疊加最大幅值接近300uV。這些噪聲嚴(yán)重影響探測器的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2.2 改進方案

增強探測器的探測性能和對環(huán)境的抗干擾能力關(guān)鍵在于對探測器輸出信號的放大、對環(huán)境熱源信號和目標(biāo)熱源的區(qū)分、識別和對噪聲干擾的處理。熱釋電探頭探測到的目標(biāo)動態(tài)熱源的信號是多脈沖連續(xù)的信號，而環(huán)境熱源產(chǎn)生的信號是不連續(xù)的信號。根據(jù)熱釋電探測器探測到靜止熱源和目標(biāo)動態(tài)熱源信號的不同特征和噪聲的干擾，我們利用Multisim7軟件模擬仿真重新設(shè)計了熱釋電探測器的工作電路，從而增強對環(huán)境熱源和噪聲的抗干擾能力，與此同時提高了熱釋電探測器在工作中的穩(wěn)定性，電路圖如3所示。

圖3 熱釋電探測器的工作電路圖

本電路采用LM324集成運算放大電路，分為三部分［1］：一級放大電路、二級放大電路、窗口比較電路。傳感器D端和5V電源之間串聯(lián)一個10K的電阻，用于降低射頻干擾。G端接地，S端接47K的負(fù)載電阻。傳感器輸出直接耦合至低噪聲運放（LM324）構(gòu)成的帶通濾波和第一級放大電路的反向輸入端，然后再經(jīng)過電阻R7、電容C4耦合至第二級放大電路進行進一步濾波放大［1］。

表1 優(yōu)化前后測量數(shù)據(jù)比較

3 結(jié)論

本文在鈦酸鋇紅外熱釋電材料探測器的基礎(chǔ)上針對熱釋電紅外傳感器普遍存在的輸出信號很微弱，容易受到噪聲的干擾，甚至有效信號被淹沒在噪聲中等缺點，做了進一步的研究和改進，采用Multisim7軟件仿真模擬和實驗驗證相結(jié)合的方法，增大了探測器的輸出信號，提高了探測器的抗干擾能力和穩(wěn)定性，使其更符合實際需求。

［1］童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.4版.北京：高等教育出版社，2009：512－562.

［2］呂宇強，胡明，吳淼，等.熱紅外探測器的最新進展［J］.壓電與聲光，2008，（4）：407－410.

［3］劉新天.能量管理系統(tǒng)（EMS）研究現(xiàn)狀及分析［J］.電器工業(yè)，2011，（6）：60－66.

［4］董顯林，毛朝梁，姚春華，等.非制冷紅外探測器用熱釋電陶瓷材料研究進展［J］.紅外與激光工程，2008，37（1）：37－41.

［5］張光祖.鈦酸鍶鋇場致效應(yīng)及熱釋電特性研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2010.

［6］張漢輝，江鳳玲，楊融生.紅外輻射材料的制備與光譜研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2000，20（6）：761－764.

［7］侯識華，宋世庚，陶明德.熱釋電材料及其應(yīng)用［J］.電子元件與材料，2000，19（6）：26－30.

［8］徐克寶，高潔.具有抗環(huán)境熱源干擾的熱釋電探測器的應(yīng)用研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2006，（19）：758－762.