漢中職業(yè)技術(shù)學(xué)院 辜文杰 方 宏

但凡是存在于自然界中的物體，比如人體、冰塊等，只要其絕對(duì)溫度高于-273℃，均會(huì)向外輻射紅外線，只是其輻射出來的紅外線的波長(zhǎng)不同而已。而基于熱釋電效應(yīng)的紅外檢測(cè)器就是利用人體所輻射出的紅外線對(duì)人體進(jìn)行檢測(cè)，不分白天黑夜，不受環(huán)境限，特別適用于防盜報(bào)警的監(jiān)測(cè)。

1.紅外輻射

紅外輻射俗稱為紅外線，是一種不可見光，波長(zhǎng)在0.75-1000μm的范圍內(nèi)，由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱為紅外線，其本質(zhì)是熱輻射。熱輻射是溫度高的物體向外輻射電磁波的現(xiàn)象，是一種熱量的傳遞方式。熱輻射主要靠波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外線傳播，因而一個(gè)炙熱的物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻出來。物體溫度越高，輻射出來的紅外線越多，且輻射出的紅外線被物體吸收后，可顯著的轉(zhuǎn)變?yōu)槲矬w的熱能，使物體溫度升高。

紅外輻射和所有電磁波一樣，都是以直線的形式在空間傳播，特別當(dāng)其在大氣中傳播時(shí)，大氣層會(huì)吸收不同波長(zhǎng)的紅外輻射。但是有三個(gè)波長(zhǎng)段的紅外輻射在通過大氣層時(shí)透射率最高，它們是1-2.6μm、3-5μm及8-14μm（如圖1所示），統(tǒng)稱為“大氣窗口”。這三個(gè)波段對(duì)利用紅外線來進(jìn)行探測(cè)是非常重要的，所以，紅外探測(cè)的儀器一般都工作在這三個(gè)波段之內(nèi)。而人體的溫度為36-37℃，其向外輻射的紅外波長(zhǎng)為9-10μm，剛好位于波段之內(nèi)，因而可以利用這個(gè)特點(diǎn)來對(duì)人體進(jìn)行紅外探測(cè)。

2.熱釋電紅外人體檢測(cè)的原理及儀器結(jié)構(gòu)

2.1 熱釋電效應(yīng)及器件

由于紅外輻射會(huì)產(chǎn)生熱量，引起探測(cè)器的敏感器件的表面溫度發(fā)生變化，進(jìn)而使其有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化，通過測(cè)量有關(guān)物理參數(shù)的變化就可以來確定紅外探測(cè)器件所吸收的紅外輻射。近年來，有一種嶄露頭角的這類型探測(cè)器，叫做熱釋電型紅外探測(cè)器，其所利用的是熱釋電效應(yīng)。

所謂的熱釋電效應(yīng)是指某些電介質(zhì)表面溫度變化時(shí)，介質(zhì)表面就會(huì)產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。電介質(zhì)在電場(chǎng)中會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，然而對(duì)于絕大多數(shù)介質(zhì)來說，在電場(chǎng)除去以后，極化現(xiàn)象也隨之消失。但有一些晶體，在外部電場(chǎng)去除后，仍然能保持極化狀態(tài)，這就是“自發(fā)極化”，即晶體材料內(nèi)部某個(gè)方向上正負(fù)電荷的中心不重合，有電偶極矩，在材料表面形成一定量的極化電荷。但由于通常其表面俘獲了大氣中游離的正負(fù)電荷而保持了電平衡的狀態(tài)（如圖2（a）所示）。但當(dāng)溫度升高時(shí)，這種材料內(nèi)部的極化強(qiáng)度會(huì)降低，極化電荷急劇減少，而表面被俘獲的游離的電荷變化緩慢，跟不上材料表面極化電荷的減少速度，因此在一段時(shí)間內(nèi)材料表面就剩下多余的浮游電荷，相當(dāng)于是材料釋放出一部分電荷（如圖2（b）所示）。隨后，剩下的浮游電荷逐步脫離晶體表面，晶體又重新達(dá)到電平衡的狀態(tài)，對(duì)外不顯電性（如圖2（c）所示）。

從材料溫度發(fā)生變化引起極化強(qiáng)度變化釋放出電荷到材料表面重新達(dá)到電平衡的狀態(tài)時(shí)間是極短的。如果將其連接負(fù)載，則在負(fù)載中便有一個(gè)電信號(hào)輸出（如圖3所示），將其放大后就成了一種控制信號(hào)，利用這一原理就可制成熱釋電紅外探測(cè)器。特別要指出的是，如果照射到熱釋電元件上的紅外輻射持續(xù)不變，則電介質(zhì)的溫度會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，不再變化，則介質(zhì)表面不會(huì)再釋放電荷，也就不會(huì)有信號(hào)再輸出。因此，對(duì)于這類熱釋電紅外探測(cè)器，只有在紅外輻射強(qiáng)度不斷變化，使它的內(nèi)部溫度隨之不斷升降的過程中，探測(cè)器才有信號(hào)輸出，而在紅外輻射穩(wěn)定不變的情況下，輸出信號(hào)為零。而人體的紅外輻射是恒定的，所以在進(jìn)行人體探測(cè)的時(shí)候，必須對(duì)紅外輻射進(jìn)行調(diào)制，即設(shè)法使紅外輻射不斷變化，這樣才有信號(hào)輸出，才能對(duì)人體進(jìn)行探測(cè)。

圖1 紅外輻射的波長(zhǎng)和在大氣中的透射率關(guān)系

圖2 熱釋電效應(yīng)原理圖

圖3 熱釋電晶體的應(yīng)用電路

圖4 內(nèi)部電氣連接圖

圖5 菲涅爾透鏡

2.2 熱釋電紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)及工作原理

熱釋電紅外探測(cè)傳感器可采用差動(dòng)平衡結(jié)構(gòu)，將兩片相同的熱釋電元件做到同一晶片上，如圖4所示反向串聯(lián)，這樣由于環(huán)境的影響而使整個(gè)晶片發(fā)生溫度變化時(shí)，反向串聯(lián)的熱釋電元件所產(chǎn)生的電荷相互抵消，探測(cè)器就無信號(hào)輸出，這樣可以去除掉太陽光等周圍環(huán)境因素的干擾。同樣，當(dāng)人體靜止的站在傳感器的檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，兩個(gè)熱釋電元件感受相同的紅外輻射，溫度升高的程度相同，產(chǎn)生等量電荷，由于反向串接，產(chǎn)生的電荷也會(huì)相互抵消，無信號(hào)輸出，因而只有對(duì)人體的紅外輻射進(jìn)行調(diào)制，使得兩個(gè)熱釋電元件感受的紅外輻射強(qiáng)度不一致，溫度變化不一致，才會(huì)有信號(hào)輸出。那么，可以采用一組光學(xué)透鏡來解決這個(gè)問題，典型的比如菲涅爾透鏡，就能很好的對(duì)人體的紅外輻射進(jìn)行調(diào)制。

菲涅爾透鏡實(shí)際上是一個(gè)透鏡組，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，透過它去看外部，則視場(chǎng)被分為一個(gè)個(gè)的小單元，小單元和小單元之間是盲區(qū)。這樣，透過它所看到的視場(chǎng)既不連續(xù)，也不重疊。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的人體在透鏡的視場(chǎng)范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，則透鏡后的熱釋電元件一會(huì)“看得見”走過去的人，一會(huì)“看不見”…這樣往復(fù)下去。那么，就可將人體恒定的紅外輻射變成交變的了，從而使得熱釋電元件的溫度不斷變化。

同時(shí)，又由于兩片熱釋電元件放置的位置相對(duì)于透鏡來說角度不同，則這兩片熱釋電元件一個(gè)“看得到”，另一個(gè)“看不到”，再一個(gè)“看得到”，另一個(gè)“看不到”，這樣就使得兩個(gè)熱釋電元件交替感受到人體的紅外輻射，其溫度也是交替變化，產(chǎn)生的電荷不會(huì)抵消，使得探測(cè)器可以有信號(hào)輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的探測(cè)。

3.結(jié)語

基于熱釋電效應(yīng)的紅外人體探測(cè)，是眾多紅外探測(cè)技術(shù)中的新興技術(shù)，充分的利用了晶體材料受到紅外輻射后其溫度變化而導(dǎo)致極化強(qiáng)度變化，從而產(chǎn)生電荷而輸出信號(hào)的特點(diǎn)。該類技術(shù)不僅適用于對(duì)人體的紅外輻射進(jìn)行檢測(cè)，而且其在科技、國(guó)防等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域也可以獲得廣泛的應(yīng)用。

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