利用热释电传感器设计的一种新颖红外探测器.doc

利用热释电传感器设计的一种新颖红外探测器第19卷第l期1996越南京师太(自然科学版)JOURNAOFNANJINGNORMAIUNIVERSITY(NaturalScience)VolN1996一种新颖红外探测器罗子铉1摘要利用热释电红外传感器,设计一种新型探谢器,可提高灵敏度和信噪比,增强抗干扰能力,具育实用价值.关键词垫竖皇,红讣,篮盛显探测器,灵敏度,埴曼咝重些!抗干扰舟类号TH81.21引言红钋罨随红外技术的迅速发展,特别是新型红外探测器和成象器件的相继问世以及成本的不断降低,现在不仅广泛用于军事,科学研究,工农业生产,医学仪器等方面,而且已开始进入人们的日常生活.本文介绍种利用热释电红外传感器设计的新型红外探测器.2红外辐射与红外探测的基本原理通常将电磁波谱间隔在0.761000tm的区域称为红外光谱区,红外传感器是一种新型的传感器,能够探测物体辐射的红外线.热释电式元件的工作原t理是基于热释电效应,即在强电介质温度变化盘时,其表面会呈现的自然极化电荷.我们可以用电学方法观测到自发极化的存在,此时传感器有电信号输出.晶体的这种性质被称为热释电性或热释电效应.热释电效应的物理过程如图1所示.有些热释电晶体,它们的自发极化方向能用外电场来改变,这些晶体称作热释电一一铁电体.例如:LiTaO(钽图1热释电教应示意闭酸锂),BaTiO(钛酸钡),SBN(铌酸锶钡)和TGS(硫酸三甘酞)等.为了使传感器能够长期稳定地工作,提高灵敏度,增强抗干扰能力,这里选用了TGS晶体制作的双型探测器.?来稿日期199508一l7作者单位:南京师范大学外文系.210097.南京42罗子铖:利用热释电传惑器设计的一种新颖红外探泓器3红外探测器设计方案3.1设计思想利用人体发射的红外辐射,制作一个对该波长区域敏感的控制电路,人体温度大致在300K附近.对应的发射峰在10ptnl左右,所控制器工作波长应选在814gm之间.控制器能根据人体的感应实现自动电灯开关,自动洗手龙头开关自动门开关,防火防盗报警开关,自动统计人流量计等功能.实现智能化,节能化.3.2电路框图电源电路整流,滤艘,稳压rr壁苎皇堕l3.3性能指标(1)响应率Ry:1000V/W6500V/W(对应变化频率10Hz1Hz)响应率是反映传感器灵敏度的一个物理量.响应率定义为传感器接受单位辐射功率所输出的电信号,即:癣一一rloARkrr(14-)一(1+offrez)一式中:输出电压,接收辐射功率,敏感元的吸收率,角频率,A敏感元面积,R输出电阻,热时间常数,电时间常数,热容量.(2)噪声等效功率EP:1O10-nW/I-kt噪声等效功率NEP是传感器输出的信号等于单位带宽的噪声时,器件所接收的功率,即:NEP()?V-d7其中y=(y+y,+y+y.+y),R.a4KTgrA4K7Atg6/d,矿l+eoAR/+!:+11+to.R/d1+AR/d.式中:噪声电压,t热噪声电压,r一介质损耗引起的Johnson噪声,输入电阻引起的Johnson噪声,放大器的电流噪声,放大器的电压噪声,tg8介质损耗,耵敏感元对周围环境的单位面积的热导,场效应管电流噪声,e一一场效应管电压噪声,K一玻尔兹曼常数,7探测器的绝对温度.网南京师大(自然科学叛)第19卷第1期(1996年)(3)响应时间:80lOOms量级(4)视场角>70(5)工作环境:可连续工作在一40c60C.不需冷却设备4关键技术4.1解决小信号,低噪声放大器的设计传感器的输出信号很小,只有1o的量级.而且是高阻输出,为了检测这样小的信号电压.得到良好的低频响应及阻抗匹配,采用了低噪声高阻抗的前置放大器.用结型场效应晶体管(JFET)采用源跟随器的方式作为前置放大器.4.2提高信噪比,增强抗干扰能力采取的主要措施有以下几条.采用双型传感器;将JFLI源跟随器作为前置放大器并与探测器封装在一起,再加上金属屏蔽罩;电源线及接用电器的引线均采用屏蔽线;加高频扼流圈及大电容滤波.4.3保证放大器的线性在放大器的设计中使用大的反馈来使得增益特征与放大器的开环非线性无关,这样可以保证放大器的线性.4.4使灵敏度可调节(1)线性处理(即电路处理):把信号放大,一般在几十一千倍.(2)光学处理:加透镜通过以上两个方法处理后的控制器的灵敏度正常可达1214m.4.5试验结果与讨论经过实验的检验证明,线路的设lI是科学的,版图的设计是合理的,线路上各静态工作点与理论计算值相符,整机的性能达到了设计时理论上的计算值.将样机挂在实验室的墙上,无论是人走动.或者是抬头举手等动作均能控制探测器工作,从而接通电路.使其控制的电灯打开.若将该探测器置于床下,半夜起床只要脚一伸至床下,人体发出的红外线则被探测器接收,从而控制电灯打开,而无需黑暗中去摸索开关.从设计过程中碰到一些同题,如电源问题,本设计采用了220V市电,优点是需更换电池,可安装在墙壁中等较隐蔽的地方.但若作为野外控制,为了携带方便,本线路可去掉电源电路部分,改用9V,12V或15V电池均可使该线路工作.红外传感探测器的功能还可以进一步探索和开发,向低成本,民用化方向发展.红外传感探测器具有良好的应用前景.目前国内对红外传感探测器的应用价值没有很好的地开发.可以相信,不久的将来,红外传感探测器不仅会用于国防和工农业各个领域,也会进入每个家庭.参考文献1顾平热释红外控制电路及其应用Practilradio.19g3,2582PorterAguidetopyroeectricdetectots,Fcrroelectrim,1981?33(4)1932063Rosema.Pyroelectrlsinrareddetectors.El