一、熱釋電傳感器的工作原理

　　某些晶體，例如鉭酸鋰、硫酸三甘肽等受熱時，晶體兩端會產(chǎn)生數(shù)量相等、符號相反的電荷。1842年布魯斯特將這種由溫度變化引起的電極化現(xiàn)象正式命名為“pyroelectric”，即熱釋電效應(yīng)。紅外熱釋電傳感器就是基于熱釋電效應(yīng)工作的熱電型紅外傳感器其結(jié)構(gòu)簡單堅固，技術(shù)性能穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)用于紅外檢測報警、紅外遙控、光譜分析等領(lǐng)域，是目前使用最廣的紅外傳感器。

　　二、傳感器的組成結(jié)構(gòu)

　　熱釋電傳感器由濾光片、熱釋電探測元和前置放大器組成，補(bǔ)償型熱釋電傳感器還帶有溫度補(bǔ)償元件，國1-1所示為熱釋電傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為防止外部環(huán)境對傳感器輸出信號的干擾，上述元件被真空封裝在—個金屬營內(nèi)。

圖1-1 熱釋電傳感器的結(jié)構(gòu)

　　熱釋電傳感器的濾光片為帶通濾光片，它封裝在傳感器殼體的頂端，使特定波長的紅外輻射選擇性地通過，到達(dá)熱釋電探測元+在其截止范圍外的紅外輻射則不能通過。

　　熱釋電探測元是熱釋電傳感器的核心元件，它是在熱釋電晶體的兩面鍍上金屬電極后，加電極化制成，相當(dāng)于一個以熱釋電晶體為電介質(zhì)的平板電容器。當(dāng)它受到非恒定強(qiáng)度的紅外光照射時，產(chǎn)生的溫度變化導(dǎo)致其表面電極的電荷密度發(fā)生改變，從而產(chǎn)生熱釋電電流。

　　前置放大器由一個高內(nèi)阻的場效應(yīng)管源極跟隨器構(gòu)成，通過阻抗變換，將熱釋電探測元微弱的電流信號轉(zhuǎn)換為有用的電壓信號輸出。

　　三、信號轉(zhuǎn)換與處理

　　熱釋電傳感器的信號轉(zhuǎn)換可以概述為三個階段：

　　熱轉(zhuǎn)換階段：輻射通量為△Φ的調(diào)制輻射光經(jīng)過透射率為т的紅外濾光片到達(dá)熱釋電探測元，輻射通量τ△Φ被元件表面吸收后，產(chǎn)生溫度變化△T。

　　熱電轉(zhuǎn)換階段：在△T的作用下，熱釋電元件的表面電報產(chǎn)生電荷密度變化△Q。

　　電轉(zhuǎn)換階段：AQ通過前置放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號△u輸出。

圖1-2 熱釋電傳感器的信號轉(zhuǎn)換過程

　　熱轉(zhuǎn)換階段產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換溫差△T越大，傳感器的響應(yīng)率和信噪比越高；

圖1-3 熱釋電傳感器熱學(xué)簡化模型

圖1-4 熱釋電傳感器等效電路

　　圖1-3、1-4是熱釋電傳感器的熱學(xué)模型和等效電路。熱沉表示環(huán)境溫度影響。

　　轉(zhuǎn)換溫差（1）

　　式中，α——熱釋電探測源的吸收率，

　　C——熱釋電探測源的熱容；

　　G_T——熱釋電探測元與環(huán)境之間的熱導(dǎo)。

　　從（1）式可知，ατ越趨近于1，△T越大，在熱釋電探測元的表面附著吸收層可以使ατ增大，從而增大△T。其次，△T與熱容C成反比，而物質(zhì)的厚度越小，熱容越小，因此通常用鉭酸鋰薄膜做熱釋電探測器元的材料。此外，△T還與熱導(dǎo)G_T成反比，但是減小G_T會使熱時間常數(shù)增大，因此一般不做考慮。

　　熱釋電電流是熱釋電探測元響應(yīng)溫度變化產(chǎn)生的熱電輸出。當(dāng)溫度恒定時，熱釋電晶體表面的極化電荷會被空氣中的異性電荷中和異性電荷中和而無法檢測。因此，熱釋電探測元只響應(yīng)溫度變化而非恒定溫度。

　　熱釋電電流（2）

　　式中，P——熱釋電系數(shù)；

　　A_s——熱釋電元件的表面積。

　?。▓D1-5）描繪了熱釋電電流、溫差和熱輻射頻率的函數(shù)關(guān)系。圖中熱輻射的脈動頻率以角頻率標(biāo)示。熱釋電電流曲線是熱釋電電流與頻率之間的關(guān)系，可以看出當(dāng)頻率大于O.OIHz時才有熱電輸出，當(dāng)頻率超過1Hz時，熱釋電電流不再增大．這是因為當(dāng)熱輻射頻率低于0.01Hz時，熱釋電晶體被緩惺地徹底加熱冷卻，并維持在暫時的熱平衡態(tài)，晶體雖然產(chǎn)生了較大的溫差，但不會有較大的電流輸出，而熱輻射頻率太高，晶體的熱慣性會使溫差降低，也會影響熱釋電信號的輸出。

圖1-5 熱釋電電流、溫差與熱輻射頻率的曲線函數(shù)

　　熱釋電探測元的直接輸出的微弱電流信號，必須經(jīng)過高阻抗的前置放大器轉(zhuǎn)換才能使用。（圖1-6）是熱釋電傳感器的前置放大器電路，它由一個場效應(yīng)管源極跟隨器構(gòu)成。

圖1-6 前置放大器電路

　　如圖(1-6)所示的前置放大器電路中，輸出電壓和響應(yīng)率的計算如下：

　　四、信號干擾

　　熱釋電傳感器輸出的信號受到多種噪聲源的干擾，使可探測的輻射通量減少或降低傳感器的信噪比，研究表明這些干擾主要來自傳感器的固有噪聲或周圍空氣流動引起的噪聲，包括：

　　(1)熱釋電元件的介電損耗噪聲，

　　(2)溫度噪聲，

　　(3)前置放大器的輸入噪聲電壓，

　　(4)前置放大器的輸入噪聲電流，

　　(5)高兆歐電阻器的熱噪聲。

　　通常用比探測率來衡量傳感器的信噪比，則：

　　比探測率式中，——有效噪聲值，也稱為噪聲電壓密度。

　　下表所列為各噪聲源及其所對應(yīng)的噪聲值。這些噪聲值的疊加和就是有效噪聲值。

表1-1 熱電傳感器的主要噪聲源

　　表中，A_v為電壓增益。

　　理想狀態(tài)下，熱釋電晶片與環(huán)境之間的熱交換是熱釋電傳感器唯一的噪聲源．此即溫度噪聲。它決定了熱釋電情感器在室溫下可達(dá)到的最高理論比探測率：

（6）

　　但在現(xiàn)實(shí)條件下，其他噪聲源對熱釋電傳感器的影響遠(yuǎn)大于溫度噪聲，圖1-7所示為不同頻率下，各噪聲源對熱釋電傳感器的影響。當(dāng)頻率小于10Hz時，有效噪聲主要是高兆歐電阻器的熱噪聲頻率在100Hz附近時，有效噪聲主要是熱釋電元件的介電損耗噪聲；當(dāng)頻率大于1000Hz時，有效噪聲主要是前置放大器的電壓噪聲。

圖1-7 噪聲與頻率的函數(shù)關(guān)系

　　五、前置放大器的設(shè)計

　　前置放大器將微弱的熱釋電電流轉(zhuǎn)換為有效電壓輸出。前置放大器必須具備高增益、低噪聲、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，以便從眾多的噪聲干擾中提取微弱的有用信號。國18是熱釋電傳感器的內(nèi)部電路。熱釋電探測元和前置放大器通常集成封裝在晶體管內(nèi)，以避免空氣濕度使泄露電流增大。這種結(jié)構(gòu)的前置放大器信噪比高，受溫度影響小。

圖1-8 熱釋電傳感器電路

　　圖1-8電路中的電壓增益與場效應(yīng)管在工作點(diǎn)的跨導(dǎo)和源極電阻有關(guān)，計算公式如下：

　　由公式(7)可知，增大源極電阻，或減小漏極電流可以提高前置放大器的電壓增益。但是增大源極電阻的同時，輸出電阻會變大，從而導(dǎo)致漏極電壓升高，當(dāng)源極電阻達(dá)到100Kohm時，漏極電壓會升高到15V，因此源極電阻不應(yīng)過大，一般不超過100Kohm，增大電壓增益能降低溫度對跨導(dǎo)的影響，提高增益的溫度穩(wěn)定性。

　　六、傳感器的溫度特性

　　環(huán)境溫度的變化會影響熱釋電傳感器內(nèi)部組件的特性，使傳感器的信號和噪聲發(fā)生偏移．特別是溫度梯度會使傳感器的輸出信號產(chǎn)生波動，增加輸出的不穩(wěn)定性。
溫度對傳感器內(nèi)部組件特性的影響主要表現(xiàn)在：

　　1、當(dāng)溫度低于熱釋電晶體的居里溫度時，熱釋電系數(shù)隨溫度升高而增大；

　　2、溫度升高，場效應(yīng)管的門泄露電流和輸入電流噪聲會大幅上升，并且共源跨導(dǎo)減小，夾斷電壓升高

　　3、溫度升高會導(dǎo)致門電阻的阻值減小，而噪聲與門電阻的平方根成反比，因此傳感器噪聲會隨溫度升高而增大。

　　4、溫度升高通常會導(dǎo)致濾光片的透射率降低，變化的程度由濾光片的材料和涂層工藝決定。

　　以上特性的改變最終導(dǎo)致傳感器整體性能隨溫度變化

　　圖l-9至國1-11分別展示了熱釋電傳感器的響應(yīng)率、穩(wěn)態(tài)偏置電壓和噪聲隨溫度變化的曲線關(guān)系。

圖1-9 響應(yīng)率隨溫度變化曲線

圖1-11 噪聲密度隨溫度變化曲線

圖1-10 偏置電壓隨溫度變化曲線

　　從上圖可知．熱釋電傳感器的響應(yīng)率、偏置電壓和噪聲部隨溫度升高而增大，其中，響應(yīng)率與溫度成線性關(guān)系，偏置電壓在溫度越高時增加越快，噪聲則在門電阻阻值越大時增加越明顯。

　　七、溫度補(bǔ)償

　　溫度梯度會使熱釋電傳感器產(chǎn)生—個極大的低頻信號，甚至超出前置放大器的工作范圍，對前置放大器造成損壞，這種影響的程度與熱釋電傳感器的時間常數(shù)有關(guān)，時間常數(shù)越大傳感器對溫度梯度越敏感。改善傳感器結(jié)構(gòu)，可以減小時間常數(shù)，降低溫度梯度的影響，但是無法完全消除。

　　圖1-12是不同門電阻的熱釋電傳感器的偏置電壓與溫度梯度之間的關(guān)系。由圖可知，門電阻阻值越小的傳感器穩(wěn)定性越高。但是，門電阻阻值的平方根與噪聲成反比，當(dāng)門電阻的阻值減小時，傳感器的噪聲會同時增大。例如，當(dāng)我們通過減小門電阻的阻值使傳感器的穩(wěn)定性提高到原來的9倍時，傳感器的比探測率也會降至原來的三分之一。

圖1-12 不同門電阻的傳感器的偏置電壓與溫度梯度之間的變化曲線

　　通常在熱釋電傳感器內(nèi)部增加溫度補(bǔ)償元件以提高傳熱釋電感器的溫度穩(wěn)定性。將兩個極性相反、特性—致的熱釋電探測元串聯(lián)或并聯(lián)在—起．其中—個作為工作元件，另—個作為補(bǔ)償元件。補(bǔ)償元件被完全遮蔽，因此不響應(yīng)紅外光，只是作為—個有效電容工作，當(dāng)傳感器殼體溫度發(fā)生變化時，工作元件和補(bǔ)償元件由此產(chǎn)生的干擾信號會相互抵消，因此能夠提高傳感器的溫度穩(wěn)定性。

圖1-13 補(bǔ)償型和非補(bǔ)償型傳感器偏置電壓與溫度梯度的變化曲線

　　圖1-13是補(bǔ)償型和非補(bǔ)償型傳感器在溫度梯度的作用下偏置電壓的變化曲線，從圖中可以看出，增加了補(bǔ)償元件后傳感器的偏置電壓幾乎不受溫度梯度的影響。

圖1-14 補(bǔ)償型和非補(bǔ)償型傳感器溫度瞬變下的階躍響應(yīng)曲線

　　圖1-14描繪了溫度瞬變的條件下，補(bǔ)償型和非補(bǔ)償型傳感器的階躍響應(yīng)曲線。從圖中可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度從25℃快速升高到40℃時，非補(bǔ)償型傳感器的偏壓躍變非常大，與之相比，補(bǔ)償型傳感器的階躍響應(yīng)很小，恢復(fù)時間也短得多。需要注意的是，由于加工誤差的原因，傳感器的階躍響應(yīng)可能為正也可能為負(fù)。

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