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热释电红外探测器工作原理及组成结构介绍

关键词:热释电探测器,红外光源,CO2,NDIR点击:

      一、热释电红外传感器的工作原理

  某些晶体,例如钽酸锂、硫酸三甘肽等受热时,晶体两端会产生数量相等、符号相反的电荷。1842年布鲁斯特将这种由温度变化引起的电极化现象正式命名为“pyroelectric”,即热释电效应。红外热释电传感器就是基于热释电效应工作的热电型红外传感器其结构简单坚固,技术性能稳定,被广泛应用于红外检测报警、红外遥控、光谱分析等领域,是目前使用最广的红外传感器。

  二、传感器的组成结构

  热释电红外传感器由滤光片、热释电探测元和前置放大器组成,补偿型热释电传感器还带有温度补偿元件,国1-1所示为热释电传感器的内部结构。为防止外部环境对传感器输出信号的干扰,上述元件被真空封装在—个金属营内。

  

  图1-1 热释电传感器的结构

  热释电传感器的滤光片为带通滤光片,它封装在传感器壳体的顶端,使特定波长的红外辐射选择性地通过,到达热释电探测元+在其截止范围外的红外辐射则不能通过。

  热释电探测元是热释电传感器的核心元件,它是在热释电晶体的两面镀上金属电极后,加电极化制成,相当于一个以热释电晶体为电介质的平板电容器。当它受到非恒定强度的红外光照射时,产生的温度变化导致其表面电极的电荷密度发生改变,从而产生热释电电流。

  前置放大器由一个高内阻的场效应管源极跟随器构成,通过阻抗变换,将热释电探测元微弱的电流信号转换为有用的电压信号输出。

  三、信号转换与处理

  热释电传感器的信号转换可以概述为三个阶段:

  热转换阶段:辐射通量为△Φ的调制辐射光经过透射率为т的红外滤光片到达热释电探测元,辐射通量τ△Φ被元件表面吸收后,产生温度变化△T。

  热电转换阶段:在△T的作用下,热释电元件的表面电报产生电荷密度变化△Q。

  电转换阶段:AQ通过前置放大器转换为电压信号△u输出。

  

  图1-2 热释电传感器的信号转换过程

  热转换阶段产生的转换温差△T越大,传感器的响应率和信噪比越高;

  

  图1-3 热释电传感器热学简化模型

  

  图1-4 热释电传感器等效电路

  图1-3、1-4是热释电传感器的热学模型和等效电路。热沉表示环境温度影响。

  转换温差

  

  (1)

  式中,α——热释电探测源的吸收率,

  C——热释电探测源的热容;

  GT——热释电探测元与环境之间的热导。

  从(1)式可知,ατ越趋近于1,△T越大,在热释电探测元的表面附着吸收层可以使ατ增大,从而增大△T。其次,△T与热容C成反比,而物质的厚度越小,热容越小,因此通常用钽酸锂薄膜做热释电探测器元的材料。此外,△T还与热导GT成反比,但是减小GT会使热时间常数增大,因此一般不做考虑。

  热释电电流是热释电探测元响应温度变化产生的热电输出。当温度恒定时,热释电晶体表面的极化电荷会被空气中的异性电荷中和异性电荷中和而无法检测。因此,热释电探测元只响应温度变化而非恒定温度。

  热释电电流

  (2)

  式中,P——热释电系数;

  As——热释电元件的表面积。

  (图1-5)描绘了热释电电流、温差和热辐射频率的函数关系。图中热辐射的脉动频率以角频率标示。热释电电流曲线是热释电电流与频率之间的关系,可以看出当频率大于O.OIHz时才有热电输出,当频率超过1Hz时,热释电电流不再增大.这是因为当热辐射频率低于0.01Hz时,热释电晶体被缓惺地彻底加热冷却,并维持在暂时的热平衡态,晶体虽然产生了较大的温差,但不会有较大的电流输出,而热辐射频率太高,晶体的热惯性会使温差降低,也会影响热释电信号的输出。

  

  图1-5 热释电电流、温差与热辐射频率的曲线函数

  热释电探测元的直接输出的微弱电流信号,必须经过高阻抗的前置放大器转换才能使用。(图1-6)是热释电传感器的前置放大器电路,它由一个场效应管源极跟随器构成。

  

  图1-6 前置放大器电路

  如图(1-6)所示的前置放大器电路中,输出电压和响应率的计算如下:

  

  四、信号干扰

  热释电传感器输出的信号受到多种噪声源的干扰,使可探测的辐射通量减少或降低传感器的信噪比,研究表明这些干扰主要来自传感器的固有噪声或周围空气流动引起的噪声,包括:

  (1)热释电元件的介电损耗噪声,

  (2)温度噪声,

  (3)前置放大器的输入噪声电压,

  (4)前置放大器的输入噪声电流,

  (5)高兆欧电阻器的热噪声。

  通常用比探测率来衡量传感器的信噪比,则:

  比探测率

  

  式中,

  ——有效噪声值,也称为噪声电压密度。

  下表所列为各噪声源及其所对应的噪声值。这些噪声值的叠加和就是有效噪声值

  

  

  表1-1 热电传感器的主要噪声源

  表中,Av为电压增益。

 



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