（物理电子学专业论文）高可靠性红外探测器的研制.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t h e t h er e s e a m a s t e r 。sc a n d i d a t e ：l ix i a ow e i s u p e r v i s o r ：p r o f p a ny o n gx i o n g m a y2 0 10 s c h o o lo fp h y s i c sa n do p t o e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u 。g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 10 0 9 0 摘要 = = = = = = = = 皇= = = = = = = 号= = = = = = = = i i 十= i = = = = = = = = = = ! = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 摘要 随着经济的迅速发展和人民生活水平的逐步提高，人们对其住宅的要求也越来越 高，表现在不仅希望拥有舒适、温馨的住所，而且对安全性、智能化等方面也提出了 更高的要求。于是，有关家庭、办公室和仓库等安全防范和自动报警系统的开发研制 日益被科研单位和生产厂家所重视，目前市面上也出现了品牌繁多的防盗报警主机。 而无论哪种报警主机，都是根据其探测器捕捉到的信息来工作的。因而高可靠性红外 探测器的研制，就显得尤为重要。 被动式红外人体探测器利用红外传感器将人体发出的微弱红外线转换成相应的电 信号，并进行放大、处理，对人体进行实时监控，因其在常温下具有工作稳定、制作 工艺简单、成本低廉等优点，在安防系统、自动照明等方面得到了广泛的应用。由于 热释电红外传感器输出的信号非常微弱，容易受到噪声的干扰，甚至有效信号被淹没 在噪声中。研究表明，传感器输出信号的干扰源主要来自传感器固有噪声、探测区域 空气流动引起的噪声等。要在多噪声干扰中提取有用的微弱信号则要求红外探测器前 置放大电路应具有低噪声、高增益、低频特性好、抗干扰能力强等特点。因此，系统 中对传感器输出信号进行处理的滤波放大电路的性能决定了探测器工作的可靠性。 传统的红外传感器前置放大电路，通常采用两级滤波放大，放大后的信号再经过 双限电压比较器或窗口比较器进行判别。由于其对信号中的高低频噪声和环境温度产 生干扰的抑制能力不够，使探测器工作的可靠性受到限制，容易出现误报和漏报现象。 本文通过分析了人体辐射红外信号的特征、热释电红外传感器和菲涅尔透镜的结构及 工作原理、以及传感器输出信号特性，采用了一种基于差分放大的红外探测器放大电 路，对输出信号进行放大处理，有效地抑制了混入信号中的共模噪声和环境温度的影 响。 实验结果表明，对在不同温度、距离、速度、方向等条件下传感器输出的信号进 行对比分析，这种基于差分放大的红外探测器放大电路，能充分地反映出人体移动特 征与输出信号的关系，从而验证了该放大电路应用于红外人体探测器中的可行性。放 大电路的输出信号通过微控制器进行采样分析，以及采用降低干扰的算法，降低了因 信号中的高低频噪声和环境温度干扰而引起的误报、漏报的概率，能实现对被监控区 域的实时准确探测。 n a bs t r a c t w i t ht h er a p i ds o c i o e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dt h e c o n t i n u o u si m p r o v e m e n to f p e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d s ，p e o p l e o nt h e i rr e s i d e n t i a l r e q u i r e m e n t s h a v eb e c o m em o r e s o p h i s t i c a t e d ，n o t o n l y w a n tt oh a v e a c o m f o r t a b l e ，w a r mh o m e ，b u t a l s of o r s e c u r i t y , i n t e l l i g e n c ea n ds oo n t h u s ，t h et l l er e s e a r c ha n dd e s i g na b o u tt h ef a m i l y , o f f i c ea n d w 踟e h o u s es e c u r i t ya n da u t o m a t i ca l a r ms y s t e mh a v e b e e np a i dm o r ga t t e n t i o nb ys c i e n t i f i c r c s e a r c hu 1 1 i t s 锄dm a n u f a c t u r e r s t h e r ea r eag r e a tv a r i e t yo fa n t i t h e ra l a r mh o s ti nt l l e m a r k e t b u ta l lt h ea l a r mh o s t sw o r ka c c o r d i n gt ot h e i n f o r m a t i o nw h i c ht h e d e t e c t o r s e i z e s s o t h er e s e a r c ha n dd e s i g nf o rh i g hr e l i a b l ei n f r a r e dd e t e c t o ri sv e r yi m p o r t a n t p 嬲s i v ei n f r a r e dd e t e c t o rf o rh u m a nb o d ym a k e su s eo ft h ei n f r a r e ds e n s o rw h i c hc a n t r a n s f e rt h ei n f r a r e dr a yf r o mh u m a nb o d yt oc o r r e s p o n d i n ge l e c t r i c a ls i g n a l ，a m p l i f ya n d p r o c e s st h es i g n a l ，a n d m o n i t o rt h eh u m a nb o d ym o m e n t a r i l y f o r i t ss t a b l ew o r k i n g p e r f o r m a n c e ，s i m p l ef a b r i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dl o wc o s t ，i t h a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt o s e c u r i t ys v s t e ma n da u t o m a t i ci l l u m i n a t i o n b e c a u s e t h es e n s o r so u t p u ts i g n a li sf e e b l e ， i n t e r f e r e de a s i l yb yn o i s e ，e v e nt h e e f f e c t i v es i g n a li ss u b m e r g e db yn o i s e s t u d i e s h a v e s h o w nt h a t t h ei n t e r f e r i n gr e s o u r c eo ft h es e n s o r so u t p u ts i g n a l i s p r i m a r i l yf r o mt h e s e n s o r si n h e r e n tn o i s e ，a i rc u r r e n t sn o i s ei nt h es e a r c hc o v e r a g e ，a n ds oo n o n c ey o u w a n tt o e x 仃a c tt h ee f f e c t i v ef e e b l es i g n a lf r o mag r e a ta m o u n to fn o i s e ，t h ea m p l i f y i n g c i r c u i to ft h e i n 行a r e dd e t e c t o rs h o u l dh a v et h ec h a r a c t e ro fl o wn o i s e ，h i g hp l u s ，g o o dl o wf r e q u e n c y c h 锄蚀c t e r i s t i ca n dp o w e r f u lc a p a c i t yo fr e s i s t i n gd i s t u r b a n c e s o ，t h er e l i a b i l i t yo f t h ed e t e c t o r i sa s s u r e db yt h ep e r f o r m a n c eo ft h ef i l t e r a n da m p l i f y i n gc i r c u i tw h i c hp r o c e s s e st h e s e n s o r so u t p u ts i g n a l t h e 锄p l i f y i n g c i r c u i tf o rt r a d i t i o n a l i n f r a r e ds e n s o ra d o p t st w o - l e v e l f i l t e r a m p l i f i e r , t h ea m p l i f i e ds i g n a l i sd i s t i n g u i s h e db yd o u b l eh r e s h o l d sv o l t a g ec o m p a r a t o r w i n d o wc o m p a r a t o r b e c a u s ei t si n s u f f i c i e n tc o n s t r a i n i n gf o r c et oh i g h 。l o wf r e q u e n c yn o i s e a n di n t e i f b r e n c eg e n e r a t e db ye n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r e ，t h ew o r kr e l i a b i l i t yo f t h ed e t e c t o r i sl i m i t e d ，i ta p p e a r sm i s d e c l a r a t i o na n du n d e r - r e p o r t i n gp h e n o m e n o ne a s i l y t h ec h a r a c t e r o f h 啪锄b o d yr a d i a t i o n s i g n a l ，t h e s t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e o f p y r o e l e c t r i ct 锄l p e r a 眦e t r a l l s d u c e ra n df r e s n e ll e n s ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e s e n s o r so u t p u ts i g n a la r ea n a l y z e db y t l l ea r t i c l e t h ea m p l i f y i n g c i r c u i to fi n f r a r e dd e t e c t o r o nd i f f e r e n c ea m p l i f i e r i s a d o p t e d ，w h i c hc a na m p l i f ya n dp r o c e s st h eo u t p u ts i g n a l ，i n h i b i tt h e c o m m o n 。m o d en o l s e a n dt h ei n f l u e n c eo fb a c k g r o u n dt e m p e r a t u r ee f f e c t i v e l y i ! i i v 1 3 论文意义4 1 4 论文的主要研究内容4 1 5 论文的结构安排5 1 6 本章小结5 第二章探测器的结构和原理6 2 1 红外探测的基本原理6 2 1 1 红外辐射及红外光谱的划分6 2 1 2 热释电效应的定性分析6 2 1 3 热释电传感器7 2 2 菲涅尔透镜的结构和原理1l 2 2 1 菲涅尔透镜的形成机理1 1 2 2 2 菲涅尔透镜的设计方法1 2 2 2 3 菲涅尔透镜的结构和分类1 5 2 2 4 镜片与探头的配合应用18 2 3 本章小结2 l 第三章红外探测器的硬件设计2 2 3 1 红外探测器的硬件系统结构2 2 3 2 红外探测器前置放大电路设计2 2 3 2 1 红外传感器输出信号特性2 2 3 2 2 仪用放大电路分析2 3 3 2 3 传统的前放电路2 6 3 2 4 基于差分放大的红外探测器放大电路2 7 3 3s t l 2 c 5 2 0 4 a d 微控制器模块2 8 3 3 1s t l 2 c 5 2 0 4 a d 微控制器简介2 8 3 3 2s t l 2 c 5 2 0 4 a d 最小基本系统2 8 3 4 电源电路模块3 0 3 5 本章小结3l 第四章实验数据及分析3 2 4 1 实验器材及方案3 2 4 2 实验数据分析3 2 4 3 本章小结3 6 第五章系统的软件设计3 7 v 广东工业大学硕士学位论文 件系统总体结构3 7 据采样。3 7 字滤波3 8 5 4 软件抗干扰技术4 0 5 5 本章小结4 1 结论4 2 参考文献。4 3 独创性声明4 5 攻读学位期间发表论文4 6 致谢4 7 v i c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t i c h a p t e ro n ei n t r o d u c t i o n 1 1 1t h eb a c k g r o u n da n do r i g i no f t h et o p i c 1 1 1 1t h eb a c k g r o u d 1 1 1 2t h eo r i g i n 2 1 2s a t e - o f - t h e a r to fi n f r a r e dd e t e c t i o n 2 1 3m e a n i n go f t h et o p i c 4 1 4m a i nc o n t e n to fs t u d y i n g 4 1 5a r r a n g e m e n ta n ds t r u c n i r e 5 1 6b r i e fs u m m a r y 5 c h a p t e rt w 0 s t r u c t u r ea n dt h e o r yo fd e t e c t o r 6 2 1t h eb a s i ct h e o r yo fi n f r a r e dd e t e c t i o n 6 2 1 1n o c t u m a lr a d i a t i o na n dd i v i s i o no fi n f r a r e ds p e c t r u m 6 2 1 2q u a l i t a t i v ea n a l y s i so fp y r o e l e c t r i ce i j f e c t 6 2 1 3p y r o e l e c t r i ci n f r a r e ds e n s o r 7 2 2t h es t i r l l c t l l r ea n dt h e o r yo ff r e s n e ll e n s l1 2 2 1t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo ff r e s n e ll e n s 。11 2 2 2t h ed e s i g nm e t h o do ff r e s n e ll e n s 1 2 2 2 3t h es t l l l c t l l r ea n dc l a s s i f i c a t i o no f f r e s n e ll e n s 1 5 2 2 4t h ea s s o r t m e n ta p p l i c a t i o no fs e n s o ra n dl e n s 18 2 3b r i e fs u m m a r y 21 c h a p t e rt h r e et h eh a r d 、7 i ，a r ed e s i g no f i n f r a r e dd e t e c t o r 2 2 3 1t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo f i n f r a r e dd e t e c t o r 2 2 3 2t h ed e s i g no f a m p l i f y i n gc i r c u i tf o ri n f r a r e dd e t e c t o r 2 2 3 2 1t h ec h a r a c t e r i s t i co fs e n s o r so u t p u ts i g n a l 。2 2 3 2 2t h ea n a l y s i so fi n s t r u m e n tt r a n s p o r t i n gc i r c u i t r y 2 3 3 2 3t r a d i t i o n a la m p l i f y i n gc i r c u i t 2 6 3 2 4t h ea m p l i f y i n gc i r c u i to fi n f r a r e dd e t e c t o ro nd i f f e r e n c ea m p l i f i e r 2 7 3 3s t l 2 c 5 2 0 4 a d 2 8 3 3 1b r i e f i n t r o d u c t i o no f s t l 2 c 5 2 0 4 a d 2 8 3 3 2t h em i n is y s t e mo fs t l 2 c 5 2 0 4 a d 2 8 3 4p o w e rs u p p l yc i r c u i t 3 ( ) ：；5b r i e fs u m m a r y 3l c h a p t e rf o u rt h ed a t a a n da n a l y s i so fe x p e r i m e n t s 3 2 4 1e q u i p m e n ta n dp l a no f t h ee x p e r i m e n t s 3 ：1 4 2t h ea n a l y s i so f d a t a 3 ：1 4 3b r i e fs u m m a r y 3 6 c h a p t e rf i v et h es o i r rw a r ed e s i g no ft h es y s t e m 3 7 5 1t h es o f t w a r es t r u c t u r e 3 7 5 2d a t as a m p l i n g 3 7 5 3d i g i t a lf i l t e r i n g 3 8 5 4a n t i - j a m m i n gt e c h n i q u eo f t h es o f h , a r e z l ( ) 5 5b r i e f s u m m a r y 4 1 v v i i i 1 1 本课题的 1 1 1 选题背景 随着经济的迅速发展和人民生活水平的逐步提高，人们对其住宅的要求也越来越 高，表现在不仅希望拥有舒适、温馨的住所，而且对安全性、智能化等方面也提出了 更高的要求。与此同时，经济的快速增长也带来了相当大的负面社会效应，城乡、区 域收入差距进一步拉大，流动人口也迅速增加，盗窃、入室抢劫等刑事案件也呈现出 上升的趋势，人们越来越渴望有一个安全的生活空间，但是犯罪分子的作案手段越来 越高明，他们甚至采用高科技的作案手段，使得以往依靠安装防盗门窗、或依靠人防 的防范方式越来越不能满足人们的日常防范要求；国务院下达的关于住宅小区禁止 安装防盗网的建议中指出传统的机械式( 防盗网、防盗窗) 家居防卫在实际使用中暴 露出严重隐患。人们迫切需要一种智能型的家居防范报警系统，能可靠的进行日常安 全防范工作，及时发现险情并通知主人，在最大程度上保障人们的生命财产不受损失。 另外，国家建设部规定：目前新型住宅应能实现六项智能化要求，其中包括实行安全 防范系统自动化监控管理；住宅的火灾、有害气体泄露实现自动报警；火灾报警系统 应是以烟、温及可燃气体探测器为主体；防盗报警系统应安装红外或门磁等各种类型 报警探测器；系统应能与计算机安全综合管理系统联网：计算机系统能对防盗报警系 统进行集中管理与控制。因此小区安全防范系统建设已逐渐纳入许多小区建设的必备 项目中了。以深圳为例，很多新建的住宅楼盘都预装了防盗系统，并禁止安装防盗网， 而上海、广州、温州、南昌等地更是花费重金拆除了防盗网，其防盗功能则必须由电 子防盗系统来完成。于是，有关家庭、办公室和仓库等安全防范和自动报警系统的开 发研制日益被科研单位和生产厂家所重视，市面上也出现了品牌繁多的防盗报警主机， 形成一个全新的朝阳产业。 电子防盗报警系统是通过电子探测技术判断非法入侵行为，然后自动将警情传送 到报警中心或通过某些设备告知人们的电子设备系统。探测器是该系统的输入部分， 报警系统是根据探测器的输出状态来工作的。如果说报警主机就像人的大脑一样，是 系统的处理部分，那么探测器就像人的眼睛，是能捕捉外界信息的部分。因此，优良 广东工业大学硕士学位论文 的检测技术就显得尤为重要。目前，应用于家庭、办公室和仓库等场所的，主要是红 外线检测技术。红外线检测技术又分为主动式技术和被动式技术( 即热释电红外检测方 式，用非接触方式来检测人体或其他物体的红外线) 。热释电红外检测的前置通道 热释电红外传感器采用被动式红外检测技术，克服了主动式红外检测技术不能分辨运 动着的生物体与非生物体的缺点，避免了主动式技术由于不明物体遮挡红外发射机的 光路而导致的误报，而且具有检测温度范围大：在整个光波范围内频率响应均匀：主 要探测中、远红外线，不受可见光的影响；不必设光源等优点。近年来广泛用于温度 测定、火灾预警、不同物体的识别、人的保安和防范、自动门、自动灯等领域口。3 1 。 目前市面上的被动式红外探测器，由于对混入信号中的噪声抑制不够，只适用于 对人体探测可靠性要求不高的装置，如公共场所的自动照明、自动门、自动洗手池等 方面；对于可靠性要求要求高的安防系统等，往往就会出现误报和漏报的现象。正是 在这样的背景下，本文试图综合现有的国p 勺# i - 最新的被动式红外检测技术，结合微控 制器的优势，期望研究和设计出灵敏度高，稳定可靠，高性价比，具备推广价值和市 场竞争力的红外探测器。 1 1 2 课题来源 本课题的来源是：广东省广州市某电子科技有限公司的“被动式红外探测器的研 制”的企业科研项目。 1 2 红外检测技术的发展现状 红外辐射是一种波长范围介于可见光和无线电波之间的肉眼不可见的电磁波，最 早发现于1 8 0 0 年，直到本世纪末，红外辐射的探测技术才逐渐发展成为一个独立的综 合性工程技术。近年来，由于计算机的发展、图象处理技术的提高，推动了红外技术 的全面发展和广泛应用，使其逐步渗透到国民经济的各个领域。我国红外技术的发展 起步较晚，开始于5 0 年代，7 0 年代才在军用、民用方面进行推广，8 0 年代后期逐步走 向成熟，生产出了不同种类的高性能红外热像仪。目前，红外线检测技术己广泛地应 用于工业、农业、水产、医学、土木建筑、海洋、气象、宇航等领域，表卜1 给出一些 具体应用的实例h 1 。 2 第一章绪论 表1 - 1 红外探测器技术的应用 t a b l e 1 1a p p l i c a t i o no fi n f r a r e dd e t e c t o rt e c h n o l o g y 应用领域应用实例 工业热处理和加工过程的检查：铸件、焊接件的非破坏性检查；轴承、 压延加工过程中的发热和热分布的监视等 农产业区域病虫害调查、产量估算 水产业渔产调查 环境保护海水污染调查、排水污染 医学红外线图像诊断( 红外线摄像) 科研地质、水资源、洋流、火山、气象等 安全保卫监视高炉、锅炉等异常泄漏、火灾报警、防盗报警 交通运输火车轴承温度测量 自动化装置自动灯、自动门、自动讲解等 红外线检测技术分为主动式红外检测技术和被动式红外检测技术。主动式红外检 测技术是依靠被控对象( 电气设备、活动体等) 对红外光源的光束( 光路) 的照射或遮断 进行控制的。主动式红外检测需要红外光发射源和相应的接收、检测设备( 通常是发光 二极管作为光源，光电二极管或者光敏三极管作为接收设备) ，红外线的发、收光路， 或对准，或依靠反射方式进行。为了加大监控距离，要求发射功率较大，接收灵敏度 较高。主动红外检测的最大缺点是不能把运动的生物体和运动着的非生物体区别开来， 只要将红外光束或红外光路遮挡，就会触发误报。如果有物体坠落或纸张、树叶等因 风飘落，也会导致误报。被动式红外检测技术是利用红外光敏器件将活动生物体发出 的微弱红外线转换成相应的电信号，并进行放大、处理，对被监控的对象实施实时监 控。它能可靠地将运动着的生物体( 人) 和飘落的物体加以区别。同时，它还具有监控 范围大、隐蔽性好、抗干扰能力强和误报率低等特点。因而，被动式红外检测技术在 自动控制、自动门启闭、接近开关、自动照明、遥控遥测等方面，特别是在防火、防 盗报警方面越来越受到重视和得到应用。 检测物体红外辐射的敏感器件可分为热释电红外光敏器件和量子型红外光敏器 件。与量子型相比，热释电红外光敏器件频响速度较慢，灵敏度较低，但响应的红外 若 4 广东工业大学硕士学位论文 价格便宜，并可在常温下工作。量子型与热释电型的特点相反，而 因此在一般的民用场合不常见h 嘲。 测器是防盗报警系统重要配件，但现有红外探测器的可靠性低 误报与漏报率高。因此，应采用相应技术手段提高红外探测器的灵敏度( 防止漏报) ：利 用高速m c u 芯片数据采集、处理能力，对采集到各类信号进行相应的处理，提高其可 靠性( 防止误报) 。可见，开展集功能强大，稳定可靠，高性价比，人性化和智能化于 一体的新型被动式红外探测器的研究是有必要且具备重大应用价值的。 1 4 论文的主要研究内容 1 本论文需要研究的内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 了解现有这类探测器的特征( 工作原理、采集信号的特征、处理方式及存在 的缺点) 。 ( 2 ) 深入了解被动式红外探测器( 传感器) 输出信号特征( 探测对象温度与输出信号 的关系、探测对象温度与环境温度差对输出信号的影响、探测距离与输出信号的关系、 探测对象移动速度与输出信号的关系) 。 ( 3 ) 了解输出信号、探测对象移动速度与菲涅尔透镜结构的关系，找出最合理的 菲涅尔透镜结构，并验证。 ( 4 ) 建立完整、可行的数学模型，给出合理的判别算法。 ( 5 ) 在此基础上，设计出原理正确、工作稳定、性价比高的硬件电路，并写出相 应的驱动程序。 2 根据本课题欲实现的功能和所要研究的内容，应采取以下研究步骤来实现t ( 1 ) 进行系统整体功能分析与可行性研究、合理的将整个系统划分成各个功能 模块。 ( 2 ) 各个功能模块的电路原理设计、元器件( 芯片) 选择与特性测试。 ( 3 ) 各个功能模块的软硬件调试、各个功能模块的整体调试、系统整体电路调 试、系统整体软件调试、最后进行联机调试。 ( 4 ) 抗干扰设计应贯穿于整个设计过程之中。 第一章绪论 1 5 论文的结构安排 第一章介绍了本课题的选题背景和来源，分析了国内红外线检测技术的发展现状， 在此基础上指出了本论文的意义所在和所做的主要工作，并对论文结构安排作了说明。 第二章详细介绍了被动式红外探测器的结构和原理。 第三章详细介绍本系统的硬件设计方案。 文章依次详细地介绍了硬件的各部分，包括选用的s t c l 2 c 5 2 0 4 a d 控制器最小基 本系统、电源电路、及红外探测器的放大电路。 第四章对红外探测器的输出信号进行数据分析。 第五章详细介绍了本系统的软件设计方案。 最后是结论部分。对本文的工作进行总结和分析，并且提出若干进一步研究 工作的方向。 1 6 本章小结 铆- 。 本章主要介绍了本论文的选题背景和课题来源，分析了国内外红外检测技术发展 的现状，在此基础上指出了本论文的意义所在和所要做的主要工作，并对论文结构安 蠢一一 排作出了说明。 业大学硕士学位论文 器的结构和原理 分 凡是存在于自然界的物体，只要它的温度高于绝对零度( 2 7 3 ) ，就会向周围辐 射红外线，例如人体、火焰、冰等都会辐射出红外线，只是其辐射的红外线波长不同 而已。根据维恩位移定律，物体峰值辐射波长九与物体的自身的绝对温度r 成反比刮 即 丸：2 8 9 7 ( 2 1 ) 一下 厶- ， 式中r 为绝对温度，单位为k ；丸为峰值辐射波长，单位为1 t m 。 比如：人体正常温度( 3 6 - - 3 7 c ) 辐射的红外线波长为9 - - 1 0 9 m ：而4 0 0 - 7 0 0 c 的物体辐射的红外线波长为3 - - 5 9 m ，峰值辐射波长随温度升高向短波方向偏移。 红外光是人眼看不见的光，比红色光的波长( 0 7 6 1 t m ) 还长，在电磁波连续频谱 中的位置处于无线电波与可见光之间。通常，将电磁波波谱中间0 7 6 - - - 1 0 0 0 1 a m 的波谱 称为红外光谱。一般把红外光谱分为四个区域，即近红外区( o 7 6 3 0 1 t m ) 、中红外 区( 3 0 - 6 0 9 m ) 、中远红外区( 6 0 - - - 2 0 9 m ) 、远红外区( 2 0 - - - 1 0 0 0 9 m ) 。比如：人体的 正常温度为3 6 3 7 ，所辐射的红外线属于中远红外线区。 2 1 2 热释电效应的定性分析 热释电红外探测器最重要的部件是热释电红外传感器。这种传感器的原理基于热 释电效应。某些强介电物质的表面接收了红外线的辐射能量，其表面产生温度变化， 随着温度的上升或下降，在这些物质表面就会产生电荷的变化，这种现象称为热释电 效应，是热电效应的一种。这种现象在p z t ( 锆钛酸铅) 之类的强介电质材料上表现得特 别显著。若在p z t ( 锆钛酸铅) 一类的晶体的上下表面镀膜形成电极，在上表面加以黑色 膜，若有红外线间歇地照射，其表面温度上升r ，其晶体内部的原子排列将产生变化， 引起自发极化电荷a o ，设该元件的电容量为c ，则该元件的电压为a o c 。需要指出 的是，热释电效应产生的表面电荷不是永存的，只要它出现，很快便被空气中的各离 6 第二章探测器的结构和原理 子所结合。因此，用热释电效应制成的红外线传感器往往需要在元件的前面加机械式 的周期遮光装置，以使此表面电荷周期出现才能实现测量；或者只有当测移动物体时 才可不用周期遮光装置。因此红外线探测器在探测静止物体( 包括人体) 时需要加周期 遮光装置；只有检测运动的人体时才无周期遮光装置n 刚。 2 1 3 热释电传感器 热释电红外传感器工作在红外波段内，利用热释电效应来检测受光面的温度变化 值，得知光的辐射强度。这种传感器在常温下工作稳定可靠，使用简单，时间响应能 到微秒数量级n ，己得到普遍使用。其内部结构如图2 - 1 所示，在垂直极化轴的方向上 把具有热释电效应的晶体切成薄片，再研磨成厚度为5 - 5 0 1 x m 的极薄片，在两面蒸镀 上电极，类似于电容器的构造。晶体本身能很好地吸收红外波段的电磁波，必要时也 用黑化以后的晶体或在透明电极表面涂上黑色膜。图2 - 2 表示热释电材料的自发极化p 和温度r 的关系。传感器工作在曲线廿( 热释电系数日：卯刀) 的部分。为得到好的潞 时间响应，要求热释电材料的介电常数s 和t a n 8 要小，比热q 和密度p 越小越好。 图2 - 1 热释电传感器内部结构图 f i g 2 - 1i n t e r n a ls t r u c t u r eo fp y r o e l e c t r i ci n f r a - r e ds e n s o r 7 图2 3 热释电传感器的等效电路 f i g 2 - 3e q u i v a l e n tc i r c u i to fp y r o e l e c t r i ci n f r a r e ds e n s o r 8 第二章探测器的结构和原理 热释电传感器绝缘电阻r d 高达几十到几百兆欧，容易引入外部噪声。在实际使用 中，要求有输入阻抗高、噪声小的前置放大器。通常把场效应管和输入电阻装入管壳 内( 见图2 4 ) 。场效应管起到阻抗变换，同时起到抗干扰的作用。热释电红外线传感器 主要部分是由一种高热电系数的材料制成尺寸为2 * l m m 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升 高而产生的干扰。探测元件的作用是探测、接收红外辐射并将其转换成微弱的电压信 号。 图2 - 4 热释电红外传感器的结构和内部电路n 们 f i g 2 _ 4t h es t r u c t u r ea n di n t e r n a lc i r c u i to fp y r o e l e c t r i ci n f r a - r e ds e n s o r 热释电传感器双p z t ( 锆钛酸铅) 元件做成很薄的薄片，每一薄片相对的两面各引出 一根电极，在电极两端则形成一个等效的小电容，因为这两个小电容是做在同一硅晶 片上的，且形成的等效小电容能自身产生极化，在电容的两端产生极性相反的正、负 电荷。但这两个电容的极性是相反串联的。这正是传感器的独特设计之处，因而使得 它具有独特的抗干扰性。 当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，由于双p z t 元件自身产生极化， 在电容的两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷，而这两个电容的极性是相反串 联的，所以，正、负电荷相互抵消，回路中不产生电流，传感器无输出。 当人体静止在传感器的检测区域内时，照射到双p z t 元件上的红外线光能能量相 等，且达到平衡。极性相反、大小相等的光电流在回路中相互抵消，传感器仍然没有 信号输出。同理，在灯光或阳光下，因光照非常均匀，双p z t 元件上的红外线光能能 9 广东工业大学硕士学位论文 ，且光电流在回路中相互抵消；再加上传感器的响应频率很 低( 一般为0 i 一, 1 0 h z ) ，对红外光的波长的敏感范围很窄( 一般为5 - 1 5 m ) ，因此， 传感器对它们不敏感。当环境温度变化而引起传感器本身的温度发生变化时，因双p z t 元件做在同一硅晶片上，它所产生的极性相反、大小相等的光电流在回路中仍然相互 抵消，传感器无输出。只有当人体移动时，红外辐射传感器敏感单元的两个等效电容 产生不同的极化电荷时，才会向外输出电信号。所以，这种传感器只对人体的移动或 运动敏感，对静止的人体不敏感，且对可见光和大部分红外线具有良好的抗干扰能力。 释电传感器有陶瓷型及高分子薄膜型两种，两种类型的主要材料如表2 - 1 所示。 表2