利用熱釋電傳感器設計的一種新穎紅外探測器.doc

利用熱釋電傳感器設計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,設計一種新型探謝器,可提高靈敏度和信噪比,增強抗干擾能力,具育實用價值.關鍵詞墊豎皇,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,科學研究,工農業(yè)生產,醫(yī)學儀器等方面,而且已開始進入人們的日常生活.本文介紹種利用熱釋電紅外傳感器設計的新型紅外探測器.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,即在強電介質溫度變化盤時,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.晶體的這種性質被稱為熱釋電性或熱釋電效應.熱釋電效應的物理過程如圖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:南京師范大學外文系.210097.南京42羅子鋮:利用熱釋電傳惑器設計的一種新穎紅外探泓器3紅外探測器設計方案3.1設計思想利用人體發(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.對應的發(fā)射峰在10ptnl左右,所控制器工作波長應選在814gm之間.控制器能根據(jù)人體的感應實現(xiàn)自動電燈開關,自動洗手龍頭開關自動門開關,防火防盜報警開關,自動統(tǒng)計人流量計等功能.實現(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(1)響應率Ry:1000V/W6500V/W(對應變化頻率10Hz1Hz)響應率是反映傳感器靈敏度的一個物理量.響應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介質損耗,耵敏感元對周圍環(huán)境的單位面積的熱導,場效應管電流噪聲,e一一場效應管電壓噪聲,K一玻爾茲曼常數(shù),7探測器的絕對溫度.網(wǎng)南京師大(自然科學叛)第19卷第1期(1996年)(3)響應時間:80lOOms量級(4)視場角>70(5)工作環(huán)境:可連續(xù)工作在一40c60C.不需冷卻設備4關鍵技術4.1解決小信號,低噪聲放大器的設計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及阻抗匹配,采用了低噪聲高阻抗的前置放大器.用結型場效應晶體管(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計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,這樣可以保證放大器的線性.4.4使靈敏度可調節(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_1214m.4.5試驗結果與討論經(jīng)過實驗的檢驗證明,線路的設lI是科學的,版圖的設計是合理的,線路上各靜態(tài)工作點與理論計算值相符,整機的性能達到了設計時理論上的計算值.將樣機掛在實驗室的墻上,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.從設計過程中碰到一些同題,如電源問題,本設計采用了220V市電,優(yōu)點是需更換電池,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用前景.目前國內對紅外傳感探測器的應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業(yè)各個領域,也會進入每個家庭.參考文獻1顧平熱釋紅外控制電路及其應用Practilradio.19g3,2582PorterAguidetopyroeectricdetectots,Fcrroelectrim,1981?33(4)1932063Rosema.Pyroelectrlsinrareddetectors.El