基于热释电探测器的远红外辐射计的研制

赵振杰，李凯扬

（武汉大学物理科学与技术学院，湖北武汉430072）

伴随着信息技术的普及以及半导体生产技术及新型材料的发展，推动了对热释电效应的研究，各种红外线传感器相继问世，并被逐步运用于工业生产、夜视仪、报警、防火、医疗、环境保护及民用产品中[1-2]。

红外保暖材料是用远红外纳米纤维制成的具有优良理疗功能、热效应功能和排湿透气抑菌功能的新型材料，能够发射一定波长的远红外线。由匹配原则：当辐射源的辐射波长与被辐射物的吸收波长相一致时，物体对该辐射就会大量的吸收[3]。红外保暖材料发射出的与人体辐射波长相一致的7.0～14.0 μm的红外辐射被人体吸收后，由于该辐射具有一定的渗透性，能够深入皮下组织，此时细胞中的C-C、CH、C-N等化学键的振动加剧，发生热效应，使人体组织升温，进而改善微循环，促进新陈代谢与生长发育[4]。国际上要求远红外的发射率达到80%以上才可以被称为合格的红外保暖材料[5]。这就需要对参考黑体和红外保暖材料的红外辐射功率进行测量和比较，而该波段的辐射使用光电探测器难以准确测量，市场上也缺乏相关仪器。本文所研制的红外辐射计是一种利用热释电效应制成的新型红外辐射测量仪器，专用于测量人体辐射所在的远红外波段。

文中介绍了红外辐射计的工作原理并对光学系统和硬件电路进行阐述，最后对仪器进行了测试与总结。

1 系统工作原理

仪器的理论基础是黑体辐射定律，综合了光学理论和微电子学的原理。热辐射是物质中带电粒子热运动产生的电磁辐射[6-7]。只要绝对温度非零的物体均有热辐射。热辐射可产生从紫外、可见光、红外至微波的连续光谱，其光谱分布随温度而异。常温、低温物体热辐射的能量主要集中在红外波段。电磁辐射频谱中，将介于可见光与微波之间、波长范围为0.76～1 000 μm 的波段命名为红外[8]，人体辐射在 7～14 μm之间，属于远红外波段。

热释电红外探测器是利用某些物质对温度的敏感特性探测红外辐射能量的热敏元件。热释电探测器对红外辐射的探测过程分为两个阶段[9]。第一个阶段是探测器吸收了红外辐射后引起了温度的升高，并且温度的变化与入射辐射功率的变化相对应；第二个阶段就是，元件通过其温度敏感特性即热释电效应将温度变化转换成相对应的电信号，经过处理后便于测量[10-11]。

热释电晶体的内部会发生自发极化效应，晶体在与自发极化强度垂直的表面上会出现束缚电荷，静态下，正负电荷会相互抵消。当向垂直的晶体表面辐射时就会产生热释电电荷，此时晶体的自发极化强度也会随之改变。当温度变化较慢产生自由电荷较少时，自由电荷与自发极化产生的内部束缚电荷相抵消，无法外显电场。当温度变化较快以至于束缚电荷无法与晶体的自由电荷完全中和时，就显出了外电场。这种晶体随温度变化而产生电荷的现象称为热释电效应[12]。

在居里温度以下，热释电材料温度变化ΔT时引起的流入外部电路的电流Is为：

式中，A表示的是探测面积；ρ为热电系数。

热释电探测器没有直流相应。必须要有斩波器对辐射信号进行调制后才会有相应频率的输出。探测器会均匀地响应所有波段，为了检测人体波段的红外辐射，必须在热释电探测器前使用特定的滤光片进行滤光[13]，同时需要设置参考黑体以消除环境温度的影响，因此需要一整套对应的光学系统。

文中设计了一套高精度的热释电红外辐射计，该系统由光学系统、CPU主控模块、信号处理模块、控制模块和人机交互模块组成；光学系统对光辐射进行采集调制与光电转换；CPU主控模块完成信息采集、计算、显示与控制；信息处理模块可完成对信号高精度的放大及滤波；控制系统的作用是对斩波器转速进行控制；人机交互模块完成命令输入与显示。

其主要技术特点是，具有较为完善的红外光接受与调制系统；添加了参考黑体，该参考黑体通过设置使之与周围环境的温度保持相一致；采用了双路的设计，使得红外辐射功率计中的探测器分别接收来自被测对象的辐射和内部参考黑体的辐射，两路相对比消除了环境温度的干扰。

图1 系统设计总体流程图

2 光学系统设计

本文所设计的光学系统包括望远装置、聚光装置、斩波器、滤光片、热释电探测器以及参考黑体。各个光学器件均在同一光学导轨上，以保证光轴的一致性。布局简略，光能传输效率高。通过大口径和望远装置，接收的光能多，提高了探测灵敏度。

图2 光学系统结构图

2.1 光学系统组成

光学系统前端是两个ZnSe柱面透镜组成的望远装置。望远装置中的两个柱面透镜分别为负焦距平凹柱面透镜和正焦距平凸柱面透镜。平凹柱面镜的像方虚焦线与平凸柱面镜的物方实焦线重合，实现将视角按照焦距之比缩小以达到望远效果，两个柱面镜通过各自下面的支架固定在壳体的底板上。

聚光装置焦距范围为480～600 mm，入瞳口径为160 mm，放置在望远装置之后，通过下部的支架固定在壳体的底板上。

斩波器由6片铝叶片组成，直径为160 mm，通过支架与电机一起固定在壳体的顶板。斩波器与光导轨成45度角，在其背向光路的方向镀有高反射率的金膜层以便将参考黑体发出的辐射反射进光路。步进电机在相敏检波中采用锁相环技术使调制频率误差在0.1 Hz之内。

内置参考黑体放置在斩波器与望远镜的焦点之间，处于斩波器的下方并与光轴相平行。在其辐射面涂覆高发射率的铜材料，可直接设置其温度。由参考黑体发射的红外辐射由斩波器反射进光路进行测量以消除环境温度的影响。

滤光片放置在内置参考黑体之后进行滤光，通过下部支架固定在壳体底板上，并将滤光片的中心放置于光轴上，其前后表面均镀膜，使其在7～14 μm波段内具有80%以上的透过率，在以外的波段透过率接近于0。

在光学系统的末尾，热释电探测器通过下部支架固定在壳体的底板上。探测器选用了LN-206单元型热释电红外探测器，聚光装置的像方焦点处即为其光敏面的中心，探测器的输出端与信号处理电路相连，信号处理电路的输出信号送入单片机中。

2.2 光学系统原理

整个光学系统的运行方式为：对目标进行测量时，平行光束经望远装置后出射依旧为平行光，先后到达聚光装置和斩波器。斩波器以固定频率旋转，对光信号进行调制。如果位于光路的是斩波器叶片间的缝隙时，光束不会受到阻挡，经由聚光装置聚光和滤光片滤光后照射到探测器上，转换为电信号。而当位于光路的是斩波器叶片的实体部分时，光束受到阻挡，达到探测器光敏面的只有参考黑体发出的辐射，实现了对光信号的调制和光电信号的转换。

单片机对透射光信号和相应的参考黑体的辐射信号进行运算，处理得到对应的辐射量值。

3 系统硬件电路设计

本系统的硬件电路设计主要分为以下4个模块，分别为：1）主控CPU模块；2）斩波器控制模块；3）信号处理模块；4）人机交互模块。

3.1 主控CPU模块

系统选用美国TI公司的MSP430作为主控制器，其具有两个定时器，16 KB的程序存储空间以及512B的数据存储空间，完全能实现本系统的功能[12]。

3.2 斩波器控制模块

红外信号需要通过斩波器调试才能由探测器进行测量。本系统采用能将电脉冲信号转换成相应的角位移的步进电机来控制斩波器的转动。

步进电机驱动芯片采用适宜于两相步进电机双极性驱动的SAA1042芯片，其时钟来源于NE555产生的矩形波震荡信号，芯片内部PWM电流控制电路可通过串行接口被设置为电流快、慢、混合衰减模式，使得步进电机在不同的负载和转速下，都能获得较理想的电流波形，驱动电路如图3所示。

图3 步进电机驱动电路

3.3 信号处理模块

由于探测器输出的电信号非常微弱，需要高倍率放大后才能驱动信号处理等后续电路，因此通常需要经多级放大器级联放大。为了使探测器和放大器组件的等效输入噪声尽量接近探测器的噪声，需要运用合适的信号放大器和信号处理电路。

1）信号放大电路

经过斩波器调制后的光信号经过热释电探测器进行光电转换后就会变为具有一定频率的微弱的交变脉冲信号。这样微弱的信号是无法进行后续处理的。前置放大器的作用是：放大热释电探测器输出的微弱电信号，将后续处理电路与探测器之间的阻抗相匹配[13]。

为了将微弱的信号不失真的进行放大，前置放大器要有低的输入阻抗，足够的信号宽带，低噪声，高增益，抗干扰能力强。同时屏蔽性良好，尽量的靠近探测器，这样可以将原来微弱的输出信号进行较大增益的放大同时又具有尽可能高的信噪比，本系统选择了低失调精密运算放大芯片AD707。

图4 放大电路

2）带通滤波电路

带同滤波电路可以抑制宽带噪声，进一步增加信号中有用信号所占的比重。但是为了防止温度改变后，信号的频谱会偏离带通滤波器的通频带导致误差，滤波器必须要有合适的带宽[14]。这里采用了二阶无限增益多路巴特沃斯型带通滤波器。

图5 带通滤波电路

3.4 人机交互模块

远红外辐射计使用3个按键来完成对仪器的控制，接口电路如图6所示。K1为开机键，长按K1键可开机；K2为工作键，按下此键可进行辐射功率测量；K3为背光显示键，按键可进行背光显示。

图6 按键接口电路

数据的输出选用液晶LCD-CH12232B作为显示器件，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，具有显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低等优点[15]。

4 系统测试与分析

在红外辐射计的光学系统和硬件软件部分组装完成需要对功率计进行定标，并对功率计的性能做了测试。测量装置如下：

图7 发射率检测装置

由GB/T 20127-2013中规定，分别测量同温度（34℃）下的标准黑体与样品的辐射强度，进行比较，即可得到发射率数值[16]。

在如图7的测量装置中，整个罩体即为标准黑体，将待测试样放在实验热板上，控制温度为34℃，远红外辐射计放在罩顶，这样每次测试与试样的距离均相同，排除了干扰。

这里对同一试样进行了5次测量，最终取平均值。结果如表1所示。

表1 远红外辐射计测试数据

从表1可以看出本红外辐射计具有较高的精度于稳定性，经计算，样品的远红外发射率为88.47%，是良好的红外保暖材料。

5 结论

本文设计了一种基于热释电探测器的新型远红外辐射计并主要用于红外保暖材料的检测。装置通过望远与聚光装置可探测较远辐射并进行汇聚，斩波器对光辐射进行调制，内置参考黑体消除了环境辐射的干扰，滤光片进行滤光，以热释电探测器将光信号转换为电信号，进行信号处理后由单片机显示。本红外辐射功率计经检测具有可靠性好、测量精度高、操纵简便的一系列优点，通用性强，可以满足科学研究、医疗保健及工业场合较高的精度要求，拥有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]杜敏芝，田明伟，曲丽君.远红外纺织品及新型石墨烯远红外功能纺织品的研究进展[J].成都纺织高等专科学校学报，2016（4）：132-137.

[2]漆东岳，王向钦，袁彬兰，等.纺织品远红外性能测试方法研究[J].中国纤检，2016（6）：90-93.

[3]梁翠，郑敏.远红外纳米纺织品的性能测试[J].纺织学报，2013（9）：49-52，57.

[4]裘愉发.远红外纺织品的现状和发展[J]．现代丝绸科学与技术，2012，27（1）：31-32.

[5]崔永俊，贾磊，王希鹏，等.一种热释电红外探测器的单目设计[J].自动化仪表，2016（4）：97-99，102.

[6]贾强.基于热释电红外线传感器的电路设计[J].电子技术与软件工程，2015（3）：126.

[7]Polad Serkan，Ozay Mete.A new hole density as a stability measure for boron fullerenes.[J].Physical chemistry chemical physics：PCCP，2013，15（45）：19-24.

[8]永智群，刘永涛.手持式红外测温仪的研究设计[J].硅谷，2012（5）：64.

[9]关威，刘建梅，王琦，等.基于红外辐射计的物体光谱发射率测量方法[J].火力与指挥控制，2016（11）：163-166，170.

[10]刘新明，周海渊，王前学，等.红外系统辐射特性探测功能设计[J].激光与红外，2016（12）：1521-1525.

[11]常松涛，张尧禹，孙志远，等.红外小目标辐射测量方法[J].光学学报，2014（5）：15-20.

[12]刘新明，周海渊，王前学，等.红外系统辐射特性探测功能设计[J].激光与红外，2016（12）：1521-1525.

[13]陈张玮，李玉和，李庆祥，等.光电探测器前级放大电路设计与研究，电测与仪表，2015，42（474）：32-34.

[14]叶钊，万志，李宪圣，等.大口径红外辐射计的光谱定标[J].光谱学与光谱分析，2012（7）：1994-1998.

[15]杨跃.红外热辐射计结构优化设计与器件制备[D].北京：北京邮电大学，2012.

[16]王建军，黄晨，高昕，等.红外辐射测量系统内外标定技术[J].红外与激光工程，2014（6）：1767-1771.