热释电红外传感器噪声特性分析[1]

1、(JournalofTransducerTechnology)2001年第20卷第8期传感器技术25设计与制造热释电红外传感器噪声特性分析付文羽(庆阳师范高等专科学校物理系,甘肃西峰745000)摘要:采用噪声电流电压的En-In。关键词:热释电红外传感器;结型场效应晶体管;中图分类号:TN386.6;TN215(2001)08-0025-03forpyroelectricinfraredsensorFUWen2yu(Dept.ofphys.,Qingyangteacherscollege,Xifeng745000,China)Abstract:Byadoptinganoise2current

2、En2Inmodelthenoiseperformanceofpyroelectricinfraredsensorisquanti2tativelyanalyzed.Atthesametime,theformulaofnoiseequivalentoutputvoltageandthegeneralmethodoflow2noisedevicearegiven.Keywords:pyroelectricinfraredsensor;junctionfieldeffecttransistor(JFET);signal2noiseratio(SNR);noise2model0前言随之发生变化,由于

3、内外层电荷变化速度发生“失步”现象,使得介质表面出现热释电效应。热释电元10件的等效电阻高达10,为了获得最佳噪声系数,热释电红外电传感器由高热释电系数的锆钛酸铅陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘钛等配合滤光片构成,用非接触方式来检测人体的热释电红外线。由于检),在整个光波范围内测温度范围大(-801500必须进行阻抗匹配,前置级一般采用高输入阻抗、低噪声JFET与其匹配。制作时,热释电体、输入电阻器、第一级JFET通常封装于一个管壳内,成为一个不可分割的整体,如图1所示。频率响应均匀,灵敏度高,近年来已被广泛地应用于各种防盗报警系统1。一般来说,热释电红外传感器检测到的红外线信号极其微弱,加之传感器及

4、电路噪声、光学背景噪声、环境的电磁干扰等因素的存在,影响整个报警系统灵敏度的提高,甚至会出现虚报信号。为了提高报警系统使用的可靠性,减少虚报率,对热释电红外传感器的噪声性能进行比较全面的分析以便改进性能是很有必要的。1热释电红外传感器的结构图1热释电红外传感器等效电器Fig.1Equivalentcircuitofpyroelectricinfraredsensor热释电红外传感器由热释电元件、低噪声结型场效应晶体管(JFET)阻抗匹配器和滤波片组成;是具有强烈自发极化效应的电解质材料构成,如锆钛酸铅(PZT)陶瓷、钽酸锂(LiTaO3)单晶体等,这类介质表面平时靠捕获大气中的浮游电荷保持平衡

5、,受到热辐射而产生温度变化时,介质内部极化状态收稿日期:2001-04-06第一级JFET输出信号的信噪比由热释电红外传感器决定。同时,为了使热释电红外传感器只对红外光谱中某一段红外辐射敏感,必须在热释电体前设置滤光片,当热释电红外传感器作为入侵防盗报警使用时,主要是使热释电红外传感器对人体红传感器技术第20卷26外辐射敏感。而用于人体检测的热释电红外传感器m范围内几乎是稳定不变的,在传波长在0.220m的感器的设计中,热释电体表贴上波长为710滤波片,这样可以避免太阳光的辐射和其它的红外辐射的干扰,从而减少虚报。2热释电红外传感器噪声模型JFET可看作无噪声场效应管。图中Ip为热释1/2电体

6、产生的信号电流;Ipn=(4kTfRp)为电阻Rp产生的热噪声;In、En分别为JFET产生的等效输入噪声电流和噪声电压值;f为热释电红外传感器的信号-3dB带宽。则热释电红外传感器的宽带输出噪声电压用均方根值表示为Vno=0.热释电红外传感器的工作特性取决于热和电的性能,其上温度变化(T)与入射红外辐射的关系为+W(t),01T=dt()fff1(p+En22221/2,(4)p|Ipn表达式代入RpCp,将Zp、j()Vno=0.8式中0=CsV,s为传感器的比热;1=Fd,其中和Fd,对流的热损耗引起的热阻和热释电体的表面积;为热释电体对辐射的吸收系数;W(t)为入侵辐射功率。将T作为S

7、=i的函数对式(1)两边进行Laplace变换后得出T(S)=W(S)/(0S+1).热释电材料产生的电流i(S)=SQ(S),电荷Q(S)是热释电系数、温度变化T(S)和热释电表面积Fd三者的乘积。于是得出i(S)=Cp24kT+RI2E2f12RpCp)+arctg(2ff.(5)利用式(5)进行计算机仿真得到等效输出噪声电压与频率的关系曲线如图3所示。W(S)FdS.(S+010)(2)图3热释电红外传感器等效输出噪声电压与频率关系曲线Fig.3Relativecurveofpyroelectricinfraredsensorsnoiseequivalentoutputvoltagean

8、dfrequency将式(2)中Fd代入,d代表热释电0、1用Cs、材料的厚度;T=01=Csd/代表热时间常数;则得出SW(S)i(S)=.(TS+1)Csd(3)由于热释电传感器主要对人体目标移动作出响应,根据人行走的频率计算结果2电流的频率响由式(3)可知,热释电体可作为一个电流源,JFET组成的阻抗变换器作为其负载。阻抗变换器采应最好在0.110Hz之间,这样既可截止过低频率的信号,也可截止较高频率的信号。因为小于0.1Hz的信号易受外界环境温度变化和元件参数改变的影响,大于10Hz的信号从图3可以看出,噪声电压随着频率的增大而迅速增大,加之当信号频率接近50Hz电源频率时,易受50H

9、z电磁干扰,因此,在电用图(1)所示的形式时,电路增益较小,JFET的低频跨导gm约为0.8。热释电传感器的噪声模型如图2所示。路设计中应根据输出噪声电压变化及信号频带要求,采用有源带通滤波器消除干扰,提高整个系统的可靠性。3电路噪声设计通过实验分析阻抗变换器JFET与其负载电阻、动态电阻之关系图2热释电红外传感器噪声模型Fig.2Noisemodelofpyroelectricinfraredsensor36,可知当JFET工作电压低于6V且漏电流在0.110A范围内时传感器的性能最好,此时,JFET的噪声系数在低电流时较佳。第8期付文羽:热释电红外传感器噪声特性分析27一旦传感器的工作条件

10、固定,必须仔细挑选输入级的其它元件,其耦合电容器应该是薄膜型或低漏电流电解电容器,应避免使用高介电常数或多层陶瓷电容器,钽电容器最佳。但是,当潮气侵入电容器内部时,外壳密封不好,会产生噪声,若选用质量和性能较好的电解电容器,也可满足低噪声要求。电阻器一般选用金属膜电阻器,若阻值在0.1M以上时,往往选用碳合成膜和金属陶瓷型电阻器,以避免金属膜电阻器在阻值过高时,产生尖峰噪声。另外,分析图(3)噪声电压与频率的关系可知,着频率的升高,前置放大器应分立的JFET或BIFET(bipolareffecttransistor)运算放大器。使级,射频能量经整流形成小的直流漂移电平,从而出现虚报信号,应对

11、系统采取很好的屏蔽措施。此外还有红外窗口前的气流和太阳光引起的热起伏效应也会产生背景噪声,可通过在窗口前安装聚乙烯薄膜吸收和反射太阳光,以便有效地抑制光学背景干扰。4结束语给出了几种热释电红外传感器。P228芯片材料为钽酸锂,灵敏度高,噪声系数小,温度范围较宽水平角度大。LS-064芯片为锆钛酸铅,其主要特点是探测角度大(138°),其余各项指标属中上水平。LN-084与LS-064的主要参数大致类同。根据热释电红外传用BIFET运算放大器时,应有足够高的输入阻抗,因为JFET的等效输入噪声电流比一般集成运算放大器的等效输入噪声电流小23个数量级,以免前置放大器的等效输出噪声电压经过

12、后面各级放大电路后,影响系统检测的灵敏度。其次,根据前面的分析可知,电路频率响应的最佳范围为0.110Hz之间,因此,电路可采用如图(4)所示的有源带通放大电路。感器的选择,报警系统主要分为宽视场、近距离和窄视场、远距离两大类,不管采用那一种类型的热释电红外报警器,稳定、可靠是衡量报警系统性能优劣的最重要因素,但人们应意识到,防范只是一种保安措施,不可完全依赖它。表1几种热释电传感器主要参数Tab.1Mainparametersofthepyroelectricsensors型号噪声系数敏感度噪声等效功率工作电压探测功率mVp-p808080VW6500330039002WHz1V3-152c

13、mHz1WP228LS-064LN-0841×10-99.6×10-101.2×10-91.5×1082.2-151.5×1082-151.1×108测试条件:T=500K、f=1Hz、d=30cm参考文献:1陈国华.电子防盗报警器电路大全M.北京:电子工业出版社,1997.192-215.2张广发.电路噪声的计算与测量(上、下)M.长沙:国防科技大学出版社,1995.17-32,62-88.图4热释电红外传感器等效电路及二级带通放大电路Fig.4Equivalentcircuitforpyroelectricinfraredsensorandatwo-stageamplifierwithband-passfilter3KellerH.提高被动红外报警器的可靠性(上、下)J.红外,1987,(4):8-12,36-38.4王明桐.红外报警技术J.红外,1988,(4):17-23.5方佩敏.热释电红外检测器及其应用J.无线电,2000,(9):418-420.6牛德芳.半导体传感器原理及其应用M.大连: