一种热释电红外探测器的单目设计



一种热释电红外探测器的单目设计

0引言

由于红外线是非可见光，与传统的探测技术相比较，红外探测器具有隐蔽性和保密性好、光谱响应宽、环境影响小、无需制冷等优点，广泛应用于报警探测领域。然而，该技术存在响应速度慢、无法对入侵目标进行定位等缺点，大大局限了红外探测技术在军用以及高端领域的发展[1-3]。为了解决这些问题，设计一种基于热释电被动式红外复眼探测器的单目，该复眼探测器要求能够在15 m的范围内对目标进行感知与定位，且目标距离10 m范围内的定位误差小于0.5 m。复眼探测器是由相当数量的单目按照一定的排列顺序组合而成的，因而单目结构的设计就是复眼正常工作的核心与关键，本设计就是针对热释电红外复眼的单目。

1热释电红外探测器的研究

1.1热释电红外探测器的工作原理

热释电红外探测器属于被动式的红外探测器，自身不向外发送红外线，可以接收探测区目标发出的任意波段的红外线，探测器内部的热释材料可以产生极化反应[3]。若恒定的红外线照射在热释材料上，其温度不变，热释材料内部的电荷与外部的异性电荷中和，材料表面呈电荷中性；若受到的红外辐射发生变化时，热释材料温度发生变化，其表面极化电荷发生变化，外部的自由电荷来不及中和，热释材料的表面形成一个外电场，这种现象称为热释效应[4-5]。通过外部电路，将热释材料表面的电荷信号转换为电压信号，通过对电压信号的处理实现对目标物的探测功能[6]。

1.2热释电红外探测器组成结构

目前，成熟技术的热释电红外探测器主要组成部分有菲涅尔透镜、热释电红外传感器、红外信号处理电路以及关于输出控制显示装置，如图1所示。基于此基本结构的热释电红外探测器的工作流程可分为四步：第一步为目标向外辐射红外线，温度高于绝对零度的物体都会发出红外辐射，热释电红外探测器无需光源，可以接收探测区域内目标辐射的红外线；第二步为接收红外线，菲涅尔透镜将目标物的红外辐射聚焦到热释电红外传感器的热敏元件上；第三步为光电信号转换，热敏元件受到红外辐射之后发生辐射极化反应，热敏元件的表面电荷发生变化，通过外部电路并将其转换为电压信号输出；第四步为信号处理，信号处理电路将电压信号进行滤波、放大等处理，传送给控制装置进行跟踪和定位。

图1　热释电红外探测器组成结构图

热释电红外传感器的作用是感应目标红外线，并转换成电信号，是探测器最为核心的构成部分。双元型热释电红外传感器等效化电路如图2所示。

图2　双元热释电红外传感器等效电路示意图

双元热释电红外传感器组成包括三部分：探测敏感元、滤光片以及场效应管。探测敏感元采用非接触的方式接收感应目标的红外辐射，同时滤波片能大程度地削弱目标周围其他物体的干扰辐射，场效应管将敏感元输出的电荷信号转换成电压信号进行检测。根据敏感元数量不同，热释电红外传感器可分单元型、双元型。单元型指的是只有一个敏感元，只要环境中有温度变化，传感器就会产生反应，误报率高，因此需要添加温度补偿设计；双元型指的是有两个敏感元，可以是串联起来的，也可以是并联起来的，敏感度低，性能良好，而且可以有效追踪目标，是常用的类型。

2单目结构的设计

单目整体结构图如图3所示。当目标进入单目的检测范围内时，目标向外辐射红外线，单目中的滤光片将自然光等干扰光源产生的红外辐射滤除。菲涅尔透镜将红外线有效地集中，通过光纤传送到热敏元件上，热敏元件将辐射的变化转换为电压的变化。滤波器将噪声滤除之后，多级运放将电压信号放大就可以测量了。在实物的实现时，图3中滤波片通过金属壳罩在菲涅尔透镜上，敏感元件使用双元敏感元件。

2.1滤波片的选择

在自然界中，只要是温度高于绝对零度的物体都会向外辐射红外线，不同的物体、不同的温度辐射的红外线波长也不尽相同。热释电红外探测器的热敏元件对各个波段的红外线都有感应。为了提高单目对特定目标的红外敏感性，需要将太阳光、灯光等非目标物的红外光屏蔽掉。因此，设计采用滤波片作为窗口，只允许特定波段的红外线输入。滤光片是由多层滤光薄膜镀在S基玻璃上制成的。

一般人体的红外线波长范围在9.33～9.36 μm，普通车辆的红外波长范围在8～14 μm间。若将人体与车辆都作为目标物时，则需要选择可以通过7.5～14 μm滤波片，两种目标物的波段都在允许的范围内，且可提高单目的灵敏度、降低误报率。

2.2菲涅尔透镜

人体发送的红外线能量非常微弱，如果直接输送到热敏元件上，只能引起新信号极其微弱的变化。而菲涅尔透镜在热释电红外探测器中起到的作用就好像是人的眼镜一样，它是单目的“眼镜”。菲涅尔透镜通常是使用电镀模具工艺将聚乙烯压制而成的，镜片的表面是一圈圈精密而清晰的同心圆，从刨面看像是一排锯齿，其作用是将入射的红外光集中到一点上。菲涅尔透镜的作用有两个：一是聚焦作用，将外界的热释红外信号折射到探测器的热敏元件上，拓宽感应区域，增加灵敏度；二是划区，利用自身的构造将探测区域分为若干个敏感区与非敏感区，以增强热敏元件的空间分辨能力与探测距离。因此，菲涅尔透镜的设计与制备直接影响着单目的实用效果。

2.3热敏元件的选择与制备

热敏元件是使用热释电材料制备的。由于热释电材料性能的好坏对热释电传感器的探测能力有很大的影响，通常选择热释电系数大，体积比热、介电常数及介电损耗都小的热释电材料作为热敏元件制作材料。表1中对比了几种热释电材料的性能参数。其中，钽酸锂(LiTaO3)热电系数大、介电常数小、对温度的敏感度低、工作波段较宽，适用于制作热释电探测器的热敏元件。本设计中的热敏元件使用钽酸锂晶体制作。

表1　几种热释电材料的性能参数对比

2.4阻抗变换电路设计

热敏元件接收到外界目标物的红外辐射后，产生热释电效应，其表面的电荷信号发生变化，无法直接测量。因此，需要高阻抗将其转换为电压信号。场效应管是带有PN结的半导体元件，其具备低噪声、低功耗、热稳定性好、输入阻抗高的优点，可以满足热敏元件高阻抗的要求。漏极接电压正极，栅极接电源负极，源极接电压输出端，表示将热敏元件的表面的电荷信号转换的电压信号。通过对电压信号的处理，可以实现对目标物的探测。

2.5单目的测试电路

复眼是由数量众多的单目构成的，它虽然不能像复眼一样全方位地探测目标，但它也是一个独立的结构，在一定的方向上实现对目标物的探测。为了检测单目能否正常工作，设计一个以人为目标物的报警电路完成对单目的检测。报警电路主要包括放大滤波电路、电压比较电路以及报警发声电路[7]。图4为整体报警电路设计的框图。

图4　整体电路设计框图

单目中场效应管输出的电压很微弱，无法直接驱动报警电路，需要对源极电压信号滤波之后进行放大处理。本设计使用运放LM324芯片以及电容、电阻构成滤波、放大电路，将源极电压放大到可以驱动电压比较电路。电压比较电路的作用是将放大后的电压与预先设置好的阈值电压进行比较，若输入的电压超过阈值电压，则驱动报警电路工作，发出警报声；否则，保持低压状态，报警电路不工作。报警电路主要是使用双单稳的多频振荡器HEF4538B芯片触发及控制语音KD9561芯片构成。HEF4538B芯片在高电平信号的控制下，可以输出高电平脉宽可调的脉冲信号，使用这个脉冲信号来控制KD9561芯片报警的输入端，驱动其发出报警声。

3试验结果分析

为了验证单目的性能，以人体为目标物，从单目探测方向20 m处走近。当人体走到距离单目15 m或在15 m的范围内移动时，蜂鸣器有警报声发出，警报声的持续时间大约为10 s，从而初步验证了此次单目设计的正确性。测试中，利用示波器测量经过放大电路的电压输出端有无电压波形，输出如图5所示。

图5　放大后的波形图

由图5可以看出，在经过两级放大电路放大后，有幅值为2.80 V的脉冲信号输出，2.80 V电压是经过放大后的电压，原来单目输出的电压为V=2.80 V/3 400= 0.824 mV，单目的输出电压为1 mV左右，与理论预算相符合，验证了所设计单目的正确性。

通过测量HEF4538B芯片6管脚，有脉宽近似为10 s的脉冲信号输出，也与理论相符合，进一步验证了所设计的单目的正确性与实用性。

4结束语

本设计是基于热释电红外探测的复眼设计开展的，研究其中构成复眼的单目结构的设计。针对红外探测存在的探测能力不强、制作成本高及红外材料不

多等难点，将复眼和热释电红外结合起来，设计一种新型红外探测器。本设计中的单目是基于热释电红外探测器设计的，经验证可以实现对预定区域内目标物的探测，具备结构简单、隐蔽性好、具有二次开发的潜力等优点，在工业、军事等领域具有广阔的应用前景。

参考文献

[1] 徐克宝，曹建.一种高灵敏度自主采样式热释电传感器的研究[J].仪器仪表学报，2006，27(12): 1742-1745.

[2] 刘舒祺，施国梁.基于热释电红外传感器的报警系统[J].国外电子元器件，2005(3):18-20.

[3] 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):26-41.

[4] 张晔，杨卫，岳元,等.基于热释电红外传感器探测距离影响因素的研究[J].红外与毫米波学报，2010，29(6):448-451.

[5] 彭丽静，宫世宽，李丽静.热释电红外传感器原理及应用[J].煤炭技术，2005，24(3):113-114.

[6] 张敏.基于热释电红外传感器的无线监控报警系统设计.安防科技[J]，2008(1):42-44，63.

[7] 程素萍.热释电红外传感器及其报警电路[J].建筑技术与应用，2007(10):16-17.

Design of the Monocular Pyroelectric Infrared Detector

崔永俊1,2贾磊1,2王希鹏3赵秀梅3薛志勇3杜文略1,2

(中北大学 电子测试技术国家重点实验室1，山西 太原030051;

中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室2，山西 太原030051;

中国煤炭科工集团太原研究院有限公司3，山西 太原030051)

摘要：为解决普通热释电的红外探测技术误报率高、敏感度低且不能对入侵目标进行定位等问题，提出了一种基于热释电红外探测器的复眼结构的设计。结合热释电红外探测隐蔽性好、性能稳定、环境适应能力强、复眼视场角大、体积小且灵敏度高等优势，将热释材料上的电荷信号转换为电压信号，经滤波、放大后输出。通过实验表明，采用该热释电红外探测器的单目可以检测到15 m 内的入侵目标，并输出脉冲电平作为报警信号。

关键词：红外探测器菲涅尔透镜敏感元件滤光片传感器信号处理滤波电路设计等效电路

Abstract：To solve the problems of high false alarm rate, low sensitivity and unable to locate intrusion targets and other issues in ordinary pyroelectric infrared detection technology, the design based on compound eye structure is proposed for pyroelectric infrared detector. Combining the advantages of pyroelectric infrared detection, including good concealment, stable performance, environmental adaptability, large viewing angle of compound eye, small size and high sensitivity, the charge signal on pyroelectric material is converted into voltage signal, and output after filtering and amplifying. Experiments show that the monocular of the designed pyroelectric infrared detector can detect intrusion target within fifteen meters, and output pulse level as an alarm signal.

Keywords:Infrared detectorFresnel lensSensitive elementSensorSignal processingFilteringCircuit designEquivalent circuit

中图分类号：TH7;TP212

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604023

修改稿收到日期：2015-10-15。

第一作者崔永俊(1973-)，男，现为北京航空航天大学在读博士研究生，副教授；主要从事纳米测试技术及仪器方向的研究。