利用熱釋電傳感器設(shè)計(jì)的一種新穎紅外探測器.doc

利用熱釋電傳感器設(shè)計(jì)的一種新穎紅外探測器第19卷第l期1996越南京師太(自然科學(xué)版)JOURNAOFNANJINGNORMAIUNIVERSITY(NaturalScience)VolN1996一種新穎紅外探測器羅子鉉1摘要利用熱釋電紅外傳感器,設(shè)計(jì)一種新型探謝器,可提高靈敏度和信噪比,增強(qiáng)抗干擾能力,具育實(shí)用價值.關(guān)鍵詞墊豎皇,紅訃,籃盛顯探測器,靈敏度,埴曼咝重些!抗干擾舟類號TH81.21引言紅釙罨隨紅外技術(shù)的迅速發(fā)展,特別是新型紅外探測器和成象器件的相繼問世以及成本的不斷降低,現(xiàn)在不僅廣泛用于軍事,科學(xué)研究,工農(nóng)業(yè)生產(chǎn),醫(yī)學(xué)儀器等方面,而且已開始進(jìn)入人們的日常生活.本文介紹種利用熱釋電紅外傳感器設(shè)計(jì)的新型紅外探測器.2紅外輻射與紅外探測的基本原理通常將電磁波譜間隔在0.761000tm的區(qū)域稱為紅外光譜區(qū),紅外傳感器是一種新型的傳感器,能夠探測物體輻射的紅外線.熱釋電式元件的工作原t理是基于熱釋電效應(yīng),即在強(qiáng)電介質(zhì)溫度變化盤時,其表面會呈現(xiàn)的自然極化電荷.我們可以用電學(xué)方法觀測到自發(fā)極化的存在,此時傳感器有電信號輸出.晶體的這種性質(zhì)被稱為熱釋電性或熱釋電效應(yīng).熱釋電效應(yīng)的物理過程如圖1所示.有些熱釋電晶體,它們的自發(fā)極化方向能用外電場來改變,這些晶體稱作熱釋電一一鐵電體.例如:LiTaO(鉭圖1熱釋電教應(yīng)示意閉酸鋰),BaTiO(鈦酸鋇),SBN(鈮酸鍶鋇)和TGS(硫酸三甘酞)等.為了使傳感器能夠長期穩(wěn)定地工作,提高靈敏度,增強(qiáng)抗干擾能力,這里選用了TGS晶體制作的雙型探測器.?來稿日期199508一l7作者單位:南京師范大學(xué)外文系.210097.南京42羅子鋮:利用熱釋電傳惑器設(shè)計(jì)的一種新穎紅外探泓器3紅外探測器設(shè)計(jì)方案3.1設(shè)計(jì)思想利用人體發(fā)射的紅外輻射,制作一個對該波長區(qū)域敏感的控制電路,人體溫度大致在300K附近.對應(yīng)的發(fā)射峰在10ptnl左右,所控制器工作波長應(yīng)選在814gm之間.控制器能根據(jù)人體的感應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動電燈開關(guān),自動洗手龍頭開關(guān)自動門開關(guān),防火防盜報警開關(guān),自動統(tǒng)計(jì)人流量計(jì)等功能.實(shí)現(xiàn)智能化,節(jié)能化.3.2電路框圖電源電路整流,濾艘,穩(wěn)壓rr壁苧皇墮l3.3性能指標(biāo)(1)響應(yīng)率Ry:1000V/W6500V/W(對應(yīng)變化頻率10Hz1Hz)響應(yīng)率是反映傳感器靈敏度的一個物理量.響應(yīng)率定義為傳感器接受單位輻射功率所輸出的電信號,即:癬一一rloARkrr(14-)一(1+offrez)一式中:輸出電壓,接收輻射功率,敏感元的吸收率,角頻率,A敏感元面積,R輸出電阻,熱時間常數(shù),電時間常數(shù),熱容量.(2)噪聲等效功率EP:1O10-nW/I-kt噪聲等效功率NEP是傳感器輸出的信號等于單位帶寬的噪聲時,器件所接收的功率,即:NEP()?V-d7其中y=(y+y,+y+y.+y),R.a4KTgrA4K7Atg6/d,礦l+eoAR/+!:+11+to.R/d1+AR/d.式中:噪聲電壓,t熱噪聲電壓,r一介質(zhì)損耗引起的Johnson噪聲,輸入電阻引起的Johnson噪聲,放大器的電流噪聲,放大器的電壓噪聲,tg8介質(zhì)損耗,耵敏感元對周圍環(huán)境的單位面積的熱導(dǎo),場效應(yīng)管電流噪聲,e一一場效應(yīng)管電壓噪聲,K一玻爾茲曼常數(shù),7探測器的絕對溫度.網(wǎng)南京師大(自然科學(xué)叛)第19卷第1期(1996年)(3)響應(yīng)時間:80lOOms量級(4)視場角>70(5)工作環(huán)境:可連續(xù)工作在一40c60C.不需冷卻設(shè)備4關(guān)鍵技術(shù)4.1解決小信號,低噪聲放大器的設(shè)計(jì)傳感器的輸出信號很小,只有1o的量級.而且是高阻輸出,為了檢測這樣小的信號電壓.得到良好的低頻響應(yīng)及阻抗匹配,采用了低噪聲高阻抗的前置放大器.用結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)采用源跟隨器的方式作為前置放大器.4.2提高信噪比,增強(qiáng)抗干擾能力采取的主要措施有以下幾條.采用雙型傳感器;將JFLI源跟隨器作為前置放大器并與探測器封裝在一起,再加上金屬屏蔽罩;電源線及接用電器的引線均采用屏蔽線;加高頻扼流圈及大電容濾波.4.3保證放大器的線性在放大器的設(shè)計(jì)中使用大的反饋來使得增益特征與放大器的開環(huán)非線性無關(guān),這樣可以保證放大器的線性.4.4使靈敏度可調(diào)節(jié)(1)線性處理(即電路處理):把信號放大,一般在幾十一千倍.(2)光學(xué)處理:加透鏡通過以上兩個方法處理后的控制器的靈敏度正?？蛇_(dá)1214m.4.5試驗(yàn)結(jié)果與討論經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)證明,線路的設(shè)lI是科學(xué)的,版圖的設(shè)計(jì)是合理的,線路上各靜態(tài)工作點(diǎn)與理論計(jì)算值相符,整機(jī)的性能達(dá)到了設(shè)計(jì)時理論上的計(jì)算值.將樣機(jī)掛在實(shí)驗(yàn)室的墻上,無論是人走動.或者是抬頭舉手等動作均能控制探測器工作,從而接通電路.使其控制的電燈打開.若將該探測器置于床下,半夜起床只要腳一伸至床下,人體發(fā)出的紅外線則被探測器接收,從而控制電燈打開,而無需黑暗中去摸索開關(guān).從設(shè)計(jì)過程中碰到一些同題,如電源問題,本設(shè)計(jì)采用了220V市電,優(yōu)點(diǎn)是需更換電池,可安裝在墻壁中等較隱蔽的地方.但若作為野外控制,為了攜帶方便,本線路可去掉電源電路部分,改用9V,12V或15V電池均可使該線路工作.紅外傳感探測器的功能還可以進(jìn)一步探索和開發(fā),向低成本,民用化方向發(fā)展.紅外傳感探測器具有良好的應(yīng)用前景.目前國內(nèi)對紅外傳感探測器的應(yīng)用價值沒有很好的地開發(fā).可以相信,不久的將來,紅外傳感探測器不僅會用于國防和工農(nóng)業(yè)各個領(lǐng)域,也會進(jìn)入每個家庭.參考文獻(xiàn)1顧平熱釋紅外控制電路及其應(yīng)用Practilradio.19g3,2582PorterAguidetopyroeectricdetectots,Fcrroelectrim,1981?33(4)1932063Rosema.Pyroelectrlsinrareddetectors.El