趙振杰，李凱揚(yáng)

（武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430072）

伴隨著信息技術(shù)的普及以及半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)及新型材料的發(fā)展，推動(dòng)了對(duì)熱釋電效應(yīng)的研究，各種紅外線傳感器相繼問(wèn)世，并被逐步運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)、夜視儀、報(bào)警、防火、醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)及民用產(chǎn)品中[1-2]。

紅外保暖材料是用遠(yuǎn)紅外納米纖維制成的具有優(yōu)良理療功能、熱效應(yīng)功能和排濕透氣抑菌功能的新型材料，能夠發(fā)射一定波長(zhǎng)的遠(yuǎn)紅外線。由匹配原則：當(dāng)輻射源的輻射波長(zhǎng)與被輻射物的吸收波長(zhǎng)相一致時(shí)，物體對(duì)該輻射就會(huì)大量的吸收[3]。紅外保暖材料發(fā)射出的與人體輻射波長(zhǎng)相一致的7.0～14.0 μm的紅外輻射被人體吸收后，由于該輻射具有一定的滲透性，能夠深入皮下組織，此時(shí)細(xì)胞中的C-C、CH、C-N等化學(xué)鍵的振動(dòng)加劇，發(fā)生熱效應(yīng)，使人體組織升溫，進(jìn)而改善微循環(huán)，促進(jìn)新陳代謝與生長(zhǎng)發(fā)育[4]。國(guó)際上要求遠(yuǎn)紅外的發(fā)射率達(dá)到80%以上才可以被稱為合格的紅外保暖材料[5]。這就需要對(duì)參考黑體和紅外保暖材料的紅外輻射功率進(jìn)行測(cè)量和比較，而該波段的輻射使用光電探測(cè)器難以準(zhǔn)確測(cè)量，市場(chǎng)上也缺乏相關(guān)儀器。本文所研制的紅外輻射計(jì)是一種利用熱釋電效應(yīng)制成的新型紅外輻射測(cè)量?jī)x器，專用于測(cè)量人體輻射所在的遠(yuǎn)紅外波段。

文中介紹了紅外輻射計(jì)的工作原理并對(duì)光學(xué)系統(tǒng)和硬件電路進(jìn)行闡述，最后對(duì)儀器進(jìn)行了測(cè)試與總結(jié)。

1 系統(tǒng)工作原理

儀器的理論基礎(chǔ)是黑體輻射定律，綜合了光學(xué)理論和微電子學(xué)的原理。熱輻射是物質(zhì)中帶電粒子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電磁輻射[6-7]。只要絕對(duì)溫度非零的物體均有熱輻射。熱輻射可產(chǎn)生從紫外、可見(jiàn)光、紅外至微波的連續(xù)光譜，其光譜分布隨溫度而異。常溫、低溫物體熱輻射的能量主要集中在紅外波段。電磁輻射頻譜中，將介于可見(jiàn)光與微波之間、波長(zhǎng)范圍為0.76～1 000 μm 的波段命名為紅外[8]，人體輻射在 7～14 μm之間，屬于遠(yuǎn)紅外波段。

熱釋電紅外探測(cè)器是利用某些物質(zhì)對(duì)溫度的敏感特性探測(cè)紅外輻射能量的熱敏元件。熱釋電探測(cè)器對(duì)紅外輻射的探測(cè)過(guò)程分為兩個(gè)階段[9]。第一個(gè)階段是探測(cè)器吸收了紅外輻射后引起了溫度的升高，并且溫度的變化與入射輻射功率的變化相對(duì)應(yīng)；第二個(gè)階段就是，元件通過(guò)其溫度敏感特性即熱釋電效應(yīng)將溫度變化轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后便于測(cè)量[10-11]。

熱釋電晶體的內(nèi)部會(huì)發(fā)生自發(fā)極化效應(yīng)，晶體在與自發(fā)極化強(qiáng)度垂直的表面上會(huì)出現(xiàn)束縛電荷，靜態(tài)下，正負(fù)電荷會(huì)相互抵消。當(dāng)向垂直的晶體表面輻射時(shí)就會(huì)產(chǎn)生熱釋電電荷，此時(shí)晶體的自發(fā)極化強(qiáng)度也會(huì)隨之改變。當(dāng)溫度變化較慢產(chǎn)生自由電荷較少時(shí)，自由電荷與自發(fā)極化產(chǎn)生的內(nèi)部束縛電荷相抵消，無(wú)法外顯電場(chǎng)。當(dāng)溫度變化較快以至于束縛電荷無(wú)法與晶體的自由電荷完全中和時(shí)，就顯出了外電場(chǎng)。這種晶體隨溫度變化而產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)[12]。

在居里溫度以下，熱釋電材料溫度變化ΔT時(shí)引起的流入外部電路的電流Is為：

式中，A表示的是探測(cè)面積；ρ為熱電系數(shù)。

熱釋電探測(cè)器沒(méi)有直流相應(yīng)。必須要有斬波器對(duì)輻射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后才會(huì)有相應(yīng)頻率的輸出。探測(cè)器會(huì)均勻地響應(yīng)所有波段，為了檢測(cè)人體波段的紅外輻射，必須在熱釋電探測(cè)器前使用特定的濾光片進(jìn)行濾光[13]，同時(shí)需要設(shè)置參考黑體以消除環(huán)境溫度的影響，因此需要一整套對(duì)應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)。

文中設(shè)計(jì)了一套高精度的熱釋電紅外輻射計(jì)，該系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、CPU主控模塊、信號(hào)處理模塊、控制模塊和人機(jī)交互模塊組成；光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光輻射進(jìn)行采集調(diào)制與光電轉(zhuǎn)換；CPU主控模塊完成信息采集、計(jì)算、顯示與控制；信息處理模塊可完成對(duì)信號(hào)高精度的放大及濾波；控制系統(tǒng)的作用是對(duì)斬波器轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制；人機(jī)交互模塊完成命令輸入與顯示。

其主要技術(shù)特點(diǎn)是，具有較為完善的紅外光接受與調(diào)制系統(tǒng)；添加了參考黑體，該參考黑體通過(guò)設(shè)置使之與周圍環(huán)境的溫度保持相一致；采用了雙路的設(shè)計(jì)，使得紅外輻射功率計(jì)中的探測(cè)器分別接收來(lái)自被測(cè)對(duì)象的輻射和內(nèi)部參考黑體的輻射，兩路相對(duì)比消除了環(huán)境溫度的干擾。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體流程圖

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)包括望遠(yuǎn)裝置、聚光裝置、斬波器、濾光片、熱釋電探測(cè)器以及參考黑體。各個(gè)光學(xué)器件均在同一光學(xué)導(dǎo)軌上，以保證光軸的一致性。布局簡(jiǎn)略，光能傳輸效率高。通過(guò)大口徑和望遠(yuǎn)裝置，接收的光能多，提高了探測(cè)靈敏度。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 光學(xué)系統(tǒng)組成

光學(xué)系統(tǒng)前端是兩個(gè)ZnSe柱面透鏡組成的望遠(yuǎn)裝置。望遠(yuǎn)裝置中的兩個(gè)柱面透鏡分別為負(fù)焦距平凹柱面透鏡和正焦距平凸柱面透鏡。平凹柱面鏡的像方虛焦線與平凸柱面鏡的物方實(shí)焦線重合，實(shí)現(xiàn)將視角按照焦距之比縮小以達(dá)到望遠(yuǎn)效果，兩個(gè)柱面鏡通過(guò)各自下面的支架固定在殼體的底板上。

聚光裝置焦距范圍為480～600 mm，入瞳口徑為160 mm，放置在望遠(yuǎn)裝置之后，通過(guò)下部的支架固定在殼體的底板上。

斬波器由6片鋁葉片組成，直徑為160 mm，通過(guò)支架與電機(jī)一起固定在殼體的頂板。斬波器與光導(dǎo)軌成45度角，在其背向光路的方向鍍有高反射率的金膜層以便將參考黑體發(fā)出的輻射反射進(jìn)光路。步進(jìn)電機(jī)在相敏檢波中采用鎖相環(huán)技術(shù)使調(diào)制頻率誤差在0.1 Hz之內(nèi)。

內(nèi)置參考黑體放置在斬波器與望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)之間，處于斬波器的下方并與光軸相平行。在其輻射面涂覆高發(fā)射率的銅材料，可直接設(shè)置其溫度。由參考黑體發(fā)射的紅外輻射由斬波器反射進(jìn)光路進(jìn)行測(cè)量以消除環(huán)境溫度的影響。

濾光片放置在內(nèi)置參考黑體之后進(jìn)行濾光，通過(guò)下部支架固定在殼體底板上，并將濾光片的中心放置于光軸上，其前后表面均鍍膜，使其在7～14 μm波段內(nèi)具有80%以上的透過(guò)率，在以外的波段透過(guò)率接近于0。

在光學(xué)系統(tǒng)的末尾，熱釋電探測(cè)器通過(guò)下部支架固定在殼體的底板上。探測(cè)器選用了LN-206單元型熱釋電紅外探測(cè)器，聚光裝置的像方焦點(diǎn)處即為其光敏面的中心，探測(cè)器的輸出端與信號(hào)處理電路相連，信號(hào)處理電路的輸出信號(hào)送入單片機(jī)中。

2.2 光學(xué)系統(tǒng)原理

整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)行方式為：對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，平行光束經(jīng)望遠(yuǎn)裝置后出射依舊為平行光，先后到達(dá)聚光裝置和斬波器。斬波器以固定頻率旋轉(zhuǎn)，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。如果位于光路的是斬波器葉片間的縫隙時(shí)，光束不會(huì)受到阻擋，經(jīng)由聚光裝置聚光和濾光片濾光后照射到探測(cè)器上，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。而當(dāng)位于光路的是斬波器葉片的實(shí)體部分時(shí)，光束受到阻擋，達(dá)到探測(cè)器光敏面的只有參考黑體發(fā)出的輻射，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光信號(hào)的調(diào)制和光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

單片機(jī)對(duì)透射光信號(hào)和相應(yīng)的參考黑體的輻射信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，處理得到對(duì)應(yīng)的輻射量值。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要分為以下4個(gè)模塊，分別為：1）主控CPU模塊；2）斬波器控制模塊；3）信號(hào)處理模塊；4）人機(jī)交互模塊。

3.1 主控CPU模塊

系統(tǒng)選用美國(guó)TI公司的MSP430作為主控制器，其具有兩個(gè)定時(shí)器，16 KB的程序存儲(chǔ)空間以及512B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，完全能實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的功能[12]。

3.2 斬波器控制模塊

紅外信號(hào)需要通過(guò)斬波器調(diào)試才能由探測(cè)器進(jìn)行測(cè)量。本系統(tǒng)采用能將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制斬波器的轉(zhuǎn)動(dòng)。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用適宜于兩相步進(jìn)電機(jī)雙極性驅(qū)動(dòng)的SAA1042芯片，其時(shí)鐘來(lái)源于NE555產(chǎn)生的矩形波震蕩信號(hào)，芯片內(nèi)部PWM電流控制電路可通過(guò)串行接口被設(shè)置為電流快、慢、混合衰減模式，使得步進(jìn)電機(jī)在不同的負(fù)載和轉(zhuǎn)速下，都能獲得較理想的電流波形，驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3.3 信號(hào)處理模塊

由于探測(cè)器輸出的電信號(hào)非常微弱，需要高倍率放大后才能驅(qū)動(dòng)信號(hào)處理等后續(xù)電路，因此通常需要經(jīng)多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)放大。為了使探測(cè)器和放大器組件的等效輸入噪聲盡量接近探測(cè)器的噪聲，需要運(yùn)用合適的信號(hào)放大器和信號(hào)處理電路。

1）信號(hào)放大電路

經(jīng)過(guò)斬波器調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)過(guò)熱釋電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后就會(huì)變?yōu)榫哂幸欢l率的微弱的交變脈沖信號(hào)。這樣微弱的信號(hào)是無(wú)法進(jìn)行后續(xù)處理的。前置放大器的作用是：放大熱釋電探測(cè)器輸出的微弱電信號(hào)，將后續(xù)處理電路與探測(cè)器之間的阻抗相匹配[13]。

為了將微弱的信號(hào)不失真的進(jìn)行放大，前置放大器要有低的輸入阻抗，足夠的信號(hào)寬帶，低噪聲，高增益，抗干擾能力強(qiáng)。同時(shí)屏蔽性良好，盡量的靠近探測(cè)器，這樣可以將原來(lái)微弱的輸出信號(hào)進(jìn)行較大增益的放大同時(shí)又具有盡可能高的信噪比，本系統(tǒng)選擇了低失調(diào)精密運(yùn)算放大芯片AD707。

圖4 放大電路

2）帶通濾波電路

帶同濾波電路可以抑制寬帶噪聲，進(jìn)一步增加信號(hào)中有用信號(hào)所占的比重。但是為了防止溫度改變后，信號(hào)的頻譜會(huì)偏離帶通濾波器的通頻帶導(dǎo)致誤差，濾波器必須要有合適的帶寬[14]。這里采用了二階無(wú)限增益多路巴特沃斯型帶通濾波器。

圖5 帶通濾波電路

3.4 人機(jī)交互模塊

遠(yuǎn)紅外輻射計(jì)使用3個(gè)按鍵來(lái)完成對(duì)儀器的控制，接口電路如圖6所示。K1為開(kāi)機(jī)鍵，長(zhǎng)按K1鍵可開(kāi)機(jī)；K2為工作鍵，按下此鍵可進(jìn)行輻射功率測(cè)量；K3為背光顯示鍵，按鍵可進(jìn)行背光顯示。

圖6 按鍵接口電路

數(shù)據(jù)的輸出選用液晶LCD-CH12232B作為顯示器件，它是一種專門用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊，具有顯示質(zhì)量高、數(shù)字式接口、體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)[15]。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

在紅外輻射計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)和硬件軟件部分組裝完成需要對(duì)功率計(jì)進(jìn)行定標(biāo)，并對(duì)功率計(jì)的性能做了測(cè)試。測(cè)量裝置如下：

圖7 發(fā)射率檢測(cè)裝置

由GB/T 20127-2013中規(guī)定，分別測(cè)量同溫度（34℃）下的標(biāo)準(zhǔn)黑體與樣品的輻射強(qiáng)度，進(jìn)行比較，即可得到發(fā)射率數(shù)值[16]。

在如圖7的測(cè)量裝置中，整個(gè)罩體即為標(biāo)準(zhǔn)黑體，將待測(cè)試樣放在實(shí)驗(yàn)熱板上，控制溫度為34℃，遠(yuǎn)紅外輻射計(jì)放在罩頂，這樣每次測(cè)試與試樣的距離均相同，排除了干擾。

這里對(duì)同一試樣進(jìn)行了5次測(cè)量，最終取平均值。結(jié)果如表1所示。

表1 遠(yuǎn)紅外輻射計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)

從表1可以看出本紅外輻射計(jì)具有較高的精度于穩(wěn)定性，經(jīng)計(jì)算，樣品的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率為88.47%，是良好的紅外保暖材料。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于熱釋電探測(cè)器的新型遠(yuǎn)紅外輻射計(jì)并主要用于紅外保暖材料的檢測(cè)。裝置通過(guò)望遠(yuǎn)與聚光裝置可探測(cè)較遠(yuǎn)輻射并進(jìn)行匯聚，斬波器對(duì)光輻射進(jìn)行調(diào)制，內(nèi)置參考黑體消除了環(huán)境輻射的干擾，濾光片進(jìn)行濾光，以熱釋電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)處理后由單片機(jī)顯示。本紅外輻射功率計(jì)經(jīng)檢測(cè)具有可靠性好、測(cè)量精度高、操縱簡(jiǎn)便的一系列優(yōu)點(diǎn)，通用性強(qiáng)，可以滿足科學(xué)研究、醫(yī)療保健及工業(yè)場(chǎng)合較高的精度要求，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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