劉 霞，王曉琨，焦玉驍，李杰龍，李雪燕，曹連振

（濰坊學院，山東 濰坊 261061）

早在20世紀初，科學家發(fā)現當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產生數量相等而符號相反的電荷。這種由于熱變化而產生的電極化現象稱為熱釋電效應［1］?；跓後岆娦谱鞯母鞣N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、激光參數測量、工業(yè)自動控制、空間技術、紅外攝像中等。雖然熱釋電探測器的設計和應用研究已取得了很大進展，但是現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，利用Multisim7模擬仿真軟件設計了一個與基本器件結構更加匹配，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合的方法，根據實驗中出現的問題不斷優(yōu)化和改進電路，從而達到設計要求。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］

熱釋電效應原理示意圖如圖1（a）所示。當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］當面積為A的熱釋電晶體受到調制加熱，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是溫度的變化率。

熱釋電紅外傳感器通過目標與背景的溫差來探測目標，其工作原理是利用熱釋電效應，即在鈦酸鋇等一類晶體的上、下表面設置電極，覆以黑色膜，若有紅外線間歇地照射，其表面溫度上升△T，其晶體內部的原子排列將產生變化，引起自發(fā)極化電荷，在上下電極之間產生電壓△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部由光學濾鏡、場效應管、紅外感應源（熱釋電元件）、偏置電阻、EMI電容等元器件組成，其內部結構簡圖如圖2所示。

圖1

圖2 紅外探測器結構示意圖

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或并聯方式組成的。當敏感元件的特性一致時，反極性串聯或并聯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生的感測信息可歸結為三種情況。［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，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生接近250uV的噪聲，在室內也接近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。這些噪聲嚴重影響探測器的準確性和穩(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)境熱源產生的信號是不連續(xù)的信號。根據熱釋電探測器探測到靜止熱源和目標動態(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電源之間串聯一個10K的電阻，用于降低射頻干擾。G端接地，S端接47K的負載電阻。傳感器輸出直接耦合至低噪聲運放（LM324）構成的帶通濾波和第一級放大電路的反向輸入端，然后再經過電阻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)化前后測量數據比較

3 結論

本文在鈦酸鋇紅外熱釋電材料探測器的基礎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.模擬電子技術基礎［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（EMS）研究現狀及分析［J］.電器工業(yè)，2011，（6）：60－66.

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

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