发布时间 : 星期四 文章热释电红外报警系统的设计更新完毕开始阅读
02、应用元件的介绍
2、应用元件的介绍
2.1 热释电传感器的原理
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，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度。
热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器，能够利用红外辐射与红外测温的原理来进行探测。
2.1.1 红外测温的特点
红外测温属非接触式测温，是测温技术中的主要手段，其特点是测温范围广，响应速度快和不明显破坏被测对象温度场，因而广泛应用于工业、农业、交通等领域。 非接触红外测温有以下几点优点：
（1）测量时不干扰被测温场，不影响温场分布，从而具有较高的测温准确度。 （2）测温范围宽。
（3）探测器的响应时间短，反应速度快，易于快速与动态测量。 （4）不必接触被测物体，操作方便。 （5）可以确定微小目标的温度。
2.1.2 红外测温的原理
红外测温是通过探测物体表面发射的能量来测量其温度，由物理学可知，处于绝对温度（－273.15℃）以上的任何物体，都要释放热能，而红外辐射温度计测量其中与温度有关波长范围内的热能，并将其转换成与温度成比例的电信号，由此测出其温度。
据斯蒂芬－波兹曼常数，绝对黑体其温度T与辐射能之间的关系为：
2?5K44??T E0? （2-1）
15C3h3 1
其中：?为蒂芬－波兹曼常数，其值为5.6697×10-12 w/cm2 ，T4 为黑体的温度；E0
为黑体辐射能。
实际中大多数物体为非黑体，其热辐射公式为：
E??E0 （2-2）
其中：E为物体在一定温度下的辐射能力；E0 为与E在同一温度下的黑体辐射能力; ε为黑度系数，表示物体的发射能力接近黑体的情况，其值在0～1之间。
由（2-2），任何物体只要温度不是绝对零度都在不断地发射红外辐射，物体的温度越高，辐射的功率就越大，只要知道物体的温度和它的比辐射率，就可算出它所发射的辐射功率。所以如果能量出物体的辐射功率，则可确定它的温度[1]。
2.2 热释红外传感器的结构
红外探测器是热释红外传感器的重要组成部分。它可以分成热释电探测器和光子探测器两大类：其中，热释电探测器是电效应工作的探测器，其响应速度虽不如光子型，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波长无关，因此其应用领域广，容易使用。常用的热释电探测器如：LiTaO2(钽酸锂) 探测器、BaTi O2(钛酸钡) 探测器和TGS（硫酸三甘酞）探测器等。
D 窗口 S GND 图2-1热释电传感器的结构图
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02、应用元件的介绍
JFET D 敏感元 Rg G GND S 图2-2热释电传感器的电路图
如图2-1，2-2所示为热释电红外传感器的结构图、电路图。传感器的敏感元为PZT，在上下两面做电极，并在表面加一层黑色氧化膜以提高其转化效率。它的等效电路是一个在负载电阻上并联一个电容的电流发生器，其输出阻抗极高，而输出电压信号又极其微弱，故在管内附有JFET及厚膜电阻，以达到阻抗的目的。在管壳的顶部设有滤光片，人体辐射的红外线中心波长为9~10ｕm，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20ｕm范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10ｕm，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。
热释电体的自发极化强度与温度有关。随着温度升高，自发极化强度下降。温度升高到Tc时，自极化消失，此温度称为居里温度。温度超过居里温度，铁电体发生变化，从极化晶体变为非极化晶体，极化强度变为零。
由于自发极化，在与极化轴相垂直的晶体两外表面上出现正负极化强度。但是这些面束缚电荷常常被晶体内部或外部的电荷所中和，因而显示不出来。因此不能在静态条件下测量自发极化，但是自由电荷和面束缚电荷中和所需的时间很长，因晶体自发极化的持续时间很短，约10－12s，因此当晶体经受一定频率的温度变化时其体内的自由电荷和外部杂散电荷便来不及中和变化着的面束缚电荷，因此可在动态条件下测量自发极化。
如果在热释电晶体沿极化轴的端面装上电极，那么自发极化在电极上感应的电荷量为：
Q?APS （2-3）
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当红外辐射照射时，热释电晶体温度升高，自发极化电晶体温度升高，自发极化强度降低，因此电极表面上感应电荷减少，这相当于“释放”了一部分电荷，因此称之为热释电现象。
I d Z V 图2-3热释电传感器的电路连接
如图2-3所示的电路连接负载，则在红外辐射时，就有电流流过负载经放大后成为输出信号。
若没有经过调制的红外辐射热释电晶体，使温度升高到一个新的平衡值，那么电极表面的感应电荷也变化到新的平衡值，不再“释放”电荷，也就不再输出信号。因此，热释电探测器与其他热释探测器不同，它只存在温度升降的过程中才有信号输出。所以利用热释电探测器探测的红外辐射必须经过调制[2]。
如果用调制频率为f的红外线照射热释电晶体，则晶体的温度自发极化强度（PS）及其引起的面电荷密度均以频率f作周期变化。如果1/f小于自由电荷中和面束缚电荷所需要的时间，那么在垂直于PS的晶体的两个端面之间就会产生开路电压。如果用负载电阻Rg把两个电极连接起来，就会有热释电电流Is 通过负载。热释电晶体自发极化强度随温度变化，使电极表面感应电荷发生变化。
电流源的电流强度为Is为：
IS?APd(?T)dt （2-4）
式中:p一自发极化强度对温度变化率，称为热释电系数。
2.3 菲涅尔透镜
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