李新光-Y2014600102现代检测技术基础Chapter4-6.ppt

工作频率宽，灵敏度与波长无关，容易使用。这种探测器，灵敏度高，探测面广，是一种可靠性很强的探测器。因此广泛应用于各类入侵报警器，自动开关、非接触测温、火焰报警器等，目前生产有单元、双元、四元、180°等传感器和带有PCB控制电路的传感器。常用的热释电探测器如：硫酸三甘钛（TGS）探测器、铌酸锶钡（SBN）探测器、钽酸锂（LiTaO3）探测器、锆钛酸铅（PZT）探测器等。 热释电效应：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。这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。 　通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被空气中附集在晶体外表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能显示出来。当温度变化时，晶体结构中的正、负电荷重心产生相对位移，晶体自发极化值就会发生变化，在晶体表面就会产生电荷，对外显示电性。 若温度对时间的变化率为dT/dt，极化强度PS 对时间的变化率为dPs/dt，它相当于外电路上流动的电流。若电极面积为A，则信号电压的大小为： △U=ARL dPs/dt=ARL dPs/dT dT/dt， A为敏感元面积，RL为负载电阻；dPs/dT为常数。 1. 热释电红外传感器的结构 常见的热释电红外传感器的外形如图所示。 热释电红外传感器由敏感元、场效应管、高阻电阻等组成，并向壳内充入氮气封装起来，内部结构如下图所示。敏感元也有做成上下两层的。 常见热释电红外传感器的外形 热释电传感器的内部结构 ⑴ 敏感元 敏感元用红外热释电材料 — 锆钛酸铅(PZT)制成，经极化处理后，其剩余极化强度随温度T升高而下降。制作敏感元件时，将热释电材料制成很小的薄片，再在薄片两面镀上电极，构成两个串联的、有极性的小电容。把两个极性相反的热释电敏感元做在同一晶片上，由于温度的变化影响，整个晶片产生温度变化时，两个敏感元产生的热释电信号互相抵消，起到补偿作用。 使用热释电传感器时，通常要在使用菲涅尔透镜将外来红外辐射通过透镜会聚光于一个传感元上，它产生的信号不会被抵消。 热释电传感器的持点是它只在由于外界的辐射而引起它本身的温度变化时，才会给出一个相应的电信号，当温度的变化趋于稳定后，就再没有信号输出，即热释电信号与它本身的温度的变化率成正比。因此，热释电传感器只对运动的人体或物体敏感。 传感器内部接线图 ⑵ 场效应管及高阻值电阻Rg 敏感元的阻值可达1013Ω，因此需用场效应管进行阻抗变换才能应用。场效应管常用2SK303V3，2SK94X3等型号，用来构成源极跟随器。高阻值电阻Rg的作用是释放栅极电荷，使场效应管安全正常工作，源极输出接法时，源极电压约0.4一1.0V。如传感器内部接线图如下图所示。 红外滤光片透射曲线 ⑶ 滤光片(FT) PZT制成的敏感元件是一种光谱材料，能探测各种 波长辐射。为了使传感器对人体最敏感，而对太阳、电灯光等有抗干扰性，传感器采用了滤光片作窗口。滤光片是在Si基片上镀多层膜制成的。每个物体都能发出红外辐射，其辐射峰值波长满足维恩位移定律（λm T=2898）。对于人体体温(约36℃)，辐射的最长波长为 λm=2898／309=9.4μm，也就是说，人体辐射在9.4μm处最强，红外滤光片选取了6.5～14μm波段，能有效地选取人体的红外辐射。红外滤光片透射曲线如上图所示。由图可见，小于6.0μm的光锐减至0，6.5～15.0μm的辐射，其透射率达60％以上，因此，FT可以有效地防止、抑制电灯、太阳光的干扰，但对电灯发热引起的红外辐射光有时也能产生误动作。热释电传感器常用于防盗报警、自动门、自动灯等。 2. 热释电红外传感器的应用 ⑴ 人体探测／防盗报警器 ① 菲涅尔透镜(FRESNEL LENS) 热释电传感器的前面要加菲涅尔透镜才能增加探测距离。菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的透镜组，它上面的每个单元透镜一般都只有一个不大的视场，而相邻的两个单元透镜的视场既不连续，也不重叠，都相隔一个盲区。它的外型如下图所示。 菲涅尔透镜的外形 CE-024型菲涅尔透镜的视场的侧视图和俯视图如下图所示。当人体在这一监视范围内运动时，顺次地进入某一单元透镜的视场，又走出这一视场，热释电传感器对运动的人体一会儿看到，一会儿看不到，再过一会又看到，之后又看不到，于是人体的红外辐射不断地改变热释电 菲涅尔透镜的视场 的温度，使它输出一个又一个相应的信号。从图示的视场图可以看出，菲涅尔透镜是有防盗盲区的，安装在2m高处的菲涅尔透镜存在着小于1m的盲区，在图示的黑影之下。 不加菲涅尔透镜，探测距离仅为2m左右，加上菲涅尔透镜