热释电探测器的电路设计与改进研究＊

刘 霞，王晓琨，焦玉骁，李杰龙，李雪燕，曹连振

（潍坊学院，山东 潍坊 261061）

早在20世纪初，科学家发现当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷。这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应［1］。基于热释电效应制作的各种热释电探测器，已广泛地用于辐射和非接触式温度测量、红外光谱测量、激光参数测量、工业自动控制、空间技术、红外摄像中等。虽然热释电探测器的设计和应用研究已取得了很大进展，但是现有的热释电探测器还是存在诸多亟需解决的问题，比如［2］：

（1）探测信号幅度小，容易受各种热源、光源和射频辐射等的干扰；

（2）被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；

（3）环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵；

（4）被动红外探测器的主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向运动的物体检测能力比较差。

本文以钛酸钡红外热释电材料为基础，利用Multisim7模拟仿真软件设计了一个与基本器件结构更加匹配，抗噪声能力更强，相同的外界温差时输出电压更强的三级电路。并通过理论和实验相结合的方法，根据实验中出现的问题不断优化和改进电路，从而达到设计要求。该电路采用集成运算电路方式进一步增大了对热释电信号的放大稳定作用，降低了噪声等外界因素干扰对系统的影响，使其抗干扰能力增强，同时提高了探头的灵敏性和探测范围。

1 热释电原理及热释电探测器工作原理［3－7］

热释电效应原理示意图如图1（a）所示。当已极化的热电晶体薄片受到辐射热的时候，薄片温度升高，极化强度下降，表面电荷减少，相当于“释放”一部分电荷，故名热释电。释放的电荷通过一系列的放大，转化成输出电压。如果继续照射，晶体薄片的温度升高到TC（居里温度）值时，自极化突然消失。不再释放电荷，输出信号为零，如图1（b）所示。

因此，热释电传感器只能探测交流斩波式的辐射（红外光辐射要有变化量）。［7］当面积为A的热释电晶体受到调制加热，而使其温度T发生微小变化时，就有热释电电流。，A为面积，P为热电体材料热释电系数是温度的变化率。

热释电红外传感器通过目标与背景的温差来探测目标，其工作原理是利用热释电效应，即在钛酸钡等一类晶体的上、下表面设置电极，覆以黑色膜，若有红外线间歇地照射，其表面温度上升△T，其晶体内部的原子排列将产生变化，引起自发极化电荷，在上下电极之间产生电压△U。常用的热释电红外线光敏元件的材料有陶瓷氧化物和压电晶体，如钛酸钡、钽酸锂、硫酸三甘肽及钛铅酸铅等。热释电红外传感器内部由光学滤镜、场效应管、红外感应源（热释电元件）、偏置电阻、EMI电容等元器件组成，其内部结构简图如图2所示。

图1

图2 红外探测器结构示意图

2 探测器的分析与改进研究

2.1 受干扰原因分析

热释电红外探测器在应用中存在的主要问题是输出的信号微弱易受噪声和环境热源的干扰。为了解决问题，首先要分析和研究环境热源和噪声干扰对热释电探测器的影响。

（1）大多数热释电探测器都是由两个热释电敏感元件通过反极性串联或并联方式组成的。当敏感元件的特性一致时，反极性串联或并联的两个敏感元件可以抵消近环境背景热源的干扰，也可以减小相对静止热源的外部干扰，而对移动的热源对象具有较高的检测灵敏度。然而在实际应用中，这种方法很不可靠。通常，外部的静止热源干扰在两个热释电敏感元件上所产生的感测信息可归结为三种情况。［8］①两个热释电敏感元件同时探测到了幅度基本相同大小的热释电信号，此时由于两个热释电元件是反极性串联，所以两个信号基本可以相互抵消，即UOUT＝0，这种情况下几乎没有探测信号输出。②两个热释电敏感元件探测到了幅度不同大小的静止热释电信号，由于两个信号幅度不相等，因此不可能完全相互抵消，UOUT≠0，这种情况下输出一个单方向相对较小的探测信号。③只有一个热释电元件探测到了静止热释电信号，因此不可能存在相互抵消的作用，这种情况输出一个几乎完整的单方向探测信号。这就说明，当外界的静止热源的温度变化速度和强度达到一定幅度时，热释电探测器受到的干扰很明显，尤其是干扰热源的温度范围接近于被测对象的温度时。

（2）热释电红外传感器是一种高阻抗的器件，热释电红外传感器输出的信号很微弱，容易受到噪声的干扰，甚至有效信号被淹没在噪声中。研究发现传感器上输出信号的干扰源主要来自传感器的热噪声、固有噪声、放大器的电压和电流噪声等。热噪声是由探测器材料中的电荷载流子的随机热运动而产生的。传感器的固有噪声电压峰峰值约为50uv，室外热空气流动能够产生接近250uV的噪声，在室内也接近180uV。其他可能存在的干扰，如空间电磁波干扰和机械振动等，噪声幅值接近100uV，三种噪声叠加最大幅值接近300uV。这些噪声严重影响探测器的准确性和稳定性。

2.2 改进方案

增强探测器的探测性能和对环境的抗干扰能力关键在于对探测器输出信号的放大、对环境热源信号和目标热源的区分、识别和对噪声干扰的处理。热释电探头探测到的目标动态热源的信号是多脉冲连续的信号，而环境热源产生的信号是不连续的信号。根据热释电探测器探测到静止热源和目标动态热源信号的不同特征和噪声的干扰，我们利用Multisim7软件模拟仿真重新设计了热释电探测器的工作电路，从而增强对环境热源和噪声的抗干扰能力，与此同时提高了热释电探测器在工作中的稳定性，电路图如3所示。

图3 热释电探测器的工作电路图

本电路采用LM324集成运算放大电路，分为三部分［1］：一级放大电路、二级放大电路、窗口比较电路。传感器D端和5V电源之间串联一个10K的电阻，用于降低射频干扰。G端接地，S端接47K的负载电阻。传感器输出直接耦合至低噪声运放（LM324）构成的带通滤波和第一级放大电路的反向输入端，然后再经过电阻R7、电容C4耦合至第二级放大电路进行进一步滤波放大［1］。

表1 优化前后测量数据比较

3 结论

本文在钛酸钡红外热释电材料探测器的基础上针对热释电红外传感器普遍存在的输出信号很微弱，容易受到噪声的干扰，甚至有效信号被淹没在噪声中等缺点，做了进一步的研究和改进，采用Multisim7软件仿真模拟和实验验证相结合的方法，增大了探测器的输出信号，提高了探测器的抗干扰能力和稳定性，使其更符合实际需求。

［1］童诗白，华成英.模拟电子技术基础［M］.4版.北京：高等教育出版社，2009：512－562.

［2］吕宇强，胡明，吴淼，等.热红外探测器的最新进展［J］.压电与声光，2008，（4）：407－410.

［3］刘新天.能量管理系统（EMS）研究现状及分析［J］.电器工业，2011，（6）：60－66.

［4］董显林，毛朝梁，姚春华，等.非制冷红外探测器用热释电陶瓷材料研究进展［J］.红外与激光工程，2008，37（1）：37－41.

［5］张光祖.钛酸锶钡场致效应及热释电特性研究［D］.武汉：华中科技大学，2010.

［6］张汉辉，江凤玲，杨融生.红外辐射材料的制备与光谱研究［J］.光谱学与光谱分析，2000，20（6）：761－764.

［7］侯识华，宋世庚，陶明德.热释电材料及其应用［J］.电子元件与材料，2000，19（6）：26－30.

［8］徐克宝，高洁.具有抗环境热源干扰的热释电探测器的应用研究［J］.传感技术学报，2006，（19）：758－762.