熱釋電傳感器原理特性

熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應原理的熱電型紅外傳感器。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數遠遠高于熱電偶，其內部的熱電元由高熱電系數的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。為了抑制因自身溫度變化而產生的干擾該傳感器在工藝上將兩個特征一致的熱電元反向串聯或接成差動平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測出物體放出的紅外線能量變化并將其轉換為電信號輸出。熱釋電紅外傳感器在結構上引入場效應管的目的在于完成阻抗變換。

由于熱電元輸出的是電荷信號，并不能直接使用因而需要用電阻將其轉換為電壓形式該電阻阻抗高達104MΩ，故引入的N溝道結型場效應管應接成共漏形式即源極跟隨器來完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場效應管匹配器三部分組成。設計時應將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對其進行極化，這樣便制成了熱釋電探測元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測元也是有正、負極性的。

熱釋電傳感器結構電路圖

　　熱釋電傳感器由濾光片、熱釋電探測元和前置放大器組成，補償型熱釋電傳感器還帶有溫度補償元件，國1-1所示為熱釋電傳感器的內部結構。為防止外部環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。

　　圖1-1熱釋電傳感器的結構

　　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，相當于一個以熱釋電晶體為電介質的平板電容器。當它受到非恒定強度的紅外光照射時，產生的溫度變化導致其表面電極的電荷密度發生改變，從而產生熱釋電電流。

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

　　前置放大器將微弱的熱釋電電流轉換為有效電壓輸出。前置放大器必須具備高增益、低噪聲、抗干擾能力強的特點，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，以避免空氣濕度使泄露電流增大。這種結構的前置放大器信噪比高，受溫度影響小。

　　圖1-8電路中的電壓增益與場效應管在工作點的跨導和源極電阻有關，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，從而導致漏極電壓升高，當源極電阻達到100Kohm時，漏極電壓會升高到15V，因此源極電阻不應過大，一般不超過100Kohm，增大電壓增益能降低溫度對跨導的影響，提高增益的溫度穩定性。

熱釋電傳感器的工作原理：

圖1開始的階段（T），在沒有紅外照射下，熱釋電紅外傳感器的溫度沒有變化，傳感器表面的電荷處于中和狀態，正負電子對等（A），此時，傳感器沒有輸出（0）。圖1第二階段（T+△T），有溫度變化時，在人體紅外線的照射下，熱釋電紅外傳感器的溫度如果上升△T，那么傳感器表面的電荷就如圖2（B）所示的那樣發生相應的變化。如果溫度變化為△T，其對應的電荷變化就產生△V的變化，因此，傳感器輸出△V。隨著時間的延長，傳感器表面就會重新吸附空氣中的離子并相互抵消由此而達到如圖2C所示的中和狀態。此時，傳感器又恢復到沒有輸出（0），如圖3所示。

當溫度下降時，溫度又回到原來的狀態（T），其自由極化狀態如圖2D所示。由于溫度的下降變化（相對而言）過程與溫度上升變化相反，所以，傳感器表面的電荷變化與上升時變化過程剛好相反，是個反過程。因此，傳感器的輸出信號就是-△V，如圖3所示。同理，隨著時間的延長，傳感器的表面也會重新吸附空氣中的離子，而使傳感器的輸出信號再次為零。

傳感器對人體活動信息的感應全過程輸出信號如圖3所示。從傳感器輸出圖中不難看出，傳感器對人體活動的一個動作所輸出的信號是一個完整的波形。在實驗時，如果用放大器把該信號放大，再用示波器觀察就是一個正脈沖和一個負脈沖。也就是說，傳感器感應到的一個移動信號近似于一個完整的1Hz脈沖信號。