熱源溫度和距離對紅外熱釋電傳感器的影響研究

盛明遠(yuǎn) 趙敬之 劉 錦 朱怡然 王昭杰 謝海芬

(華東理工大學(xué),上海 200237)

紅外目標(biāo)檢測與識別是近年來備受矚目的智能監(jiān)控技術(shù),紅外熱釋電傳感器以未接觸形式檢測環(huán)境中紅外輻射的變化,對人體運(yùn)動具有很高的敏感度,因其功耗低、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測、防盜、人體識別等方面。目前有關(guān)紅外熱釋電傳感器的研究主要集中在結(jié)合單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行安防、照明以及人體動作識別領(lǐng)域[1,2,3],這些研究大部分在可行性分析與設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了深入的討論。根據(jù)紅外輻射傳輸理論[4],熱源溫度和距離都是影響紅外輻射傳輸?shù)年P(guān)鍵因素。在應(yīng)用中需要考慮熱源溫度和距離對紅外熱釋電傳感器的影響。本文基于熱釋電效應(yīng)的綜合因素設(shè)計(jì)了測量電路并研究了溫度和距離對輸出電壓的影響,得到了熱源溫度與距離對紅外熱釋電傳感器輸出電壓的綜合影響模型,在紅外熱釋電傳感器的定量化使用方面具有指導(dǎo)意義。

1 熱釋電效應(yīng)及傳感器

1.1 熱釋電效應(yīng)

自然界中存在一種有著極化性質(zhì)的晶體材料,當(dāng)環(huán)境溫度保持恒定不變時(shí),晶體材料表面呈現(xiàn)電中性,當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí),熱晶體極化程度就會變化,表面的極化電荷會相應(yīng)的改變。這種現(xiàn)象稱為熱釋電現(xiàn)象,原理如圖1所示。

圖1 熱釋電原理圖

依據(jù)熱釋電原理,把由紅外輻射引起的溫度變換信號轉(zhuǎn)化為電信號,其輸出電流對溫度的變化率成正比[5]

其中A為熱釋電電極表面面積,p為熱釋電系數(shù),ΔT為溫度變化量,t為時(shí)間。

1.2 紅外熱釋電傳感器

紅外熱釋電傳感器是利用晶體熱釋電效應(yīng)而制成的傳感器。本實(shí)驗(yàn)采用的RE200B 型號傳感器,由兩片熱釋電材料晶體反向串接而構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)圖

正常工作時(shí)D 端接正極,G 端接地,S端電信號輸出。濾光片過濾不需要的紅外射線和其他光線。兩個(gè)探測熱電元反向串接可以消除環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的影響。當(dāng)外界紅外輻射產(chǎn)生交替變化時(shí),熱釋電晶體電荷會產(chǎn)生相應(yīng)變化。引入高阻抗電阻使得電荷信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?通過場效應(yīng)管使得微弱的電壓信號進(jìn)行第一步放大輸出。

2 傳感器參數(shù)

傳感器參數(shù)是描述傳感器性能的重要物理量。紅外熱釋電傳感器的參數(shù)主要有響應(yīng)率、響應(yīng)時(shí)間、噪聲、探測率等。這里主要介紹傳感器的響應(yīng)率與響應(yīng)時(shí)間兩個(gè)參數(shù)。

2.1 響應(yīng)率

響應(yīng)率[5]是評測紅外熱釋電傳感器性能的一個(gè)重要指標(biāo)。紅外熱釋電傳感器響應(yīng)主要分為兩個(gè)階段:光熱響應(yīng)和熱電響應(yīng)。

光熱響應(yīng),即傳感器探測元把輻射進(jìn)入的紅外線信號轉(zhuǎn)化成溫度信號,單位入射功率所引起的溫度變化量稱為光熱響應(yīng)函數(shù)

其中η為探測元吸收系數(shù),τt為溫度時(shí)間常數(shù)(τt=,G為熱導(dǎo),ζ為熱容),ω為調(diào)制紅外信號頻率。

熱電響應(yīng),即傳感器探測元把溫度變化信號轉(zhuǎn)換成電信號,其響應(yīng)函數(shù)分為電壓響應(yīng)函數(shù)與電流響應(yīng)函數(shù)

紅外熱釋電傳感器響應(yīng)率即為

其中τed為探測元電壓時(shí)間常數(shù)(τed=R d C d,R d為探測元內(nèi)阻,C d為探測元電容),p為熱電系數(shù),A為敏感元面積。

紅外熱釋電傳感器的響應(yīng)率與紅外輻射信號的調(diào)制頻率有關(guān),若調(diào)制頻率取為定值,則電壓輸出與探測元所受到的輻射功率成正比。

2.2 響應(yīng)時(shí)間

當(dāng)傳感器收到紅外輻射時(shí),其輸出電壓U隨時(shí)間變化的關(guān)系為

其中τ為響應(yīng)時(shí)間,表示電壓上升到穩(wěn)定值的63%時(shí)所需要的時(shí)間。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器

MSO2014B型示波器、RE200B 熱釋電實(shí)驗(yàn)線路板、PS-2125型溫度傳感器、鐵架臺、尼龍繩、直尺、量角器。

3.2 測量電路設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)過程

由于紅外熱釋電傳感器直接輸出信號噪聲大,幅值小,所以本實(shí)驗(yàn)采用如圖3所示的濾波放大電路。

紅外熱釋電傳感器直接輸出電壓經(jīng)過R1、C1濾波輸入到LM358中一級放大輸入端,經(jīng)一級放大后由C4電容耦合進(jìn)行二次放大輸出。

實(shí)驗(yàn)中采用溫度保持恒定的熱水作為熱源,并用型號為PS-2125的Pasco溫度傳感器監(jiān)測溫度,并用尼龍繩固定形成單擺,量角器確定單擺擺動角度不變,進(jìn)行紅外輻射信號調(diào)制。避免了以人為研究對象時(shí)所帶來的各種因素的綜合干擾。將紅外熱釋電傳感器固定,使其接收窗口與熱源輻射窗口相一致對應(yīng)。圖4 為實(shí)驗(yàn)原理圖,圖5為紅外調(diào)制信號效果圖。

圖3 測量電路

圖4 實(shí)驗(yàn)測量原理圖

圖5 紅外調(diào)制信號效果圖

保持熱源擺動角度為45°不變來確定紅外熱釋電傳感器接收到紅外調(diào)制輻射頻率不變。在5～40cm 的范圍內(nèi),以5cm 為步長,分別測量不同熱源溫度產(chǎn)生的紅外熱釋電傳感器輸出電壓的峰值,并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

保持紅外輻射頻率不變,在室內(nèi)溫度為26.0攝氏度情況下,在5～40cm 距離范圍內(nèi),分別測量在不同熱源溫度下的紅外熱釋電傳感器的電壓輸出。測量結(jié)果如表1所示。

4 分析與討論

4.1 不同熱源溫度對紅外熱釋電傳感器的影響分析

圖6是不同距離下輸出電壓與熱源溫度關(guān)系曲線圖。從圖中可以知道:

(1) 在距離與紅外調(diào)制頻率固定的情況下,紅外熱釋電傳感器接收到信號后輸出的電壓幅值隨著熱源溫度的升高而升高,且呈現(xiàn)正比例關(guān)系。

(2) 在距離不變的情況下,溫度越高,輸出電壓就越大。這是由于溫度越高,輻射到熱釋電晶體表面的能量也越高,產(chǎn)生電壓幅值越高。這個(gè)結(jié)果與上述響應(yīng)率理論相吻合。

由表2可知,在同一溫度下,輸出電壓的響應(yīng)隨距離的增大而減小。當(dāng)距離為5cm 時(shí),其相關(guān)性達(dá)到0.96,而距離增至45cm 時(shí),其相關(guān)性僅有0.72。這是由于距離越遠(yuǎn),環(huán)境噪聲對傳感器影響越顯著,引起輸出電壓幅值波動就越大。

圖6 不同距離下輸出電壓與熱源溫度關(guān)系曲線

4.2 不同距離對紅外熱釋電傳感器的影響分析

當(dāng)熱源溫度取定時(shí),由于遠(yuǎn)距離輻射傳熱過程中有巨大損耗,所以距離對紅外熱釋電傳感器輸出電壓具有很大的影響。

紅外熱釋電傳感器所接受到的有效輻射為目標(biāo)輻射、環(huán)境輻射和大氣輻射三部分。假設(shè)大氣路徑的瞬時(shí)輻照度對背景和物體的影響相同,且大氣透過率在探測光譜波段為常數(shù),對于灰體而言,傳感器接收到的輻射ΔE與距離R的關(guān)系為[6]

[21]劉悠翔：《東南亞才是中國網(wǎng)文的海外第一粉絲團(tuán)》，http://www.infzm.com/content/123740，2017年3月24日。

表1 電壓輸出幅值表

表2 不同距離下輸出電壓隨溫度變化的斜率及相關(guān)性

其中μ為大氣消光系數(shù),k1、k2為常數(shù),由傳感器工作波段確定,σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù),εt、εb分別為物體和背景的表面發(fā)射率;T t、T b分別為物體和背景溫度。由此可知,由于傳感器輸出電壓與探測元所接收的輻射功率成正比,所以傳感器輸出電壓與作用距離呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系。

圖7不同熱源溫度對應(yīng)的距離在5～40cm 范圍內(nèi)紅外熱釋電傳感器輸出電壓值曲線。經(jīng)origin8.5軟件擬合處理后發(fā)現(xiàn)指數(shù)型函數(shù)具有很好的擬合效果。與上述物理原理相符。

圖7 在不同溫度下輸出電壓與距離的關(guān)系

隨著距離的不斷增加,紅外熱釋電傳感器輸出電壓急劇下降,在5～20cm 下降速率最快,在20～40cm 時(shí)輸出電壓基本呈現(xiàn)較小的波動,并趨于穩(wěn)定。并且對于不同熱源溫度,在遠(yuǎn)距離情況下,紅外熱釋電傳感器輸出電壓都趨向于同一水平。這主要是由于熱源在紅外輻射的過程中由于大氣吸收或散射過后到達(dá)傳感器表面時(shí)能量大幅度減弱。在遠(yuǎn)距離情況下,熱源在傳感器視野范圍內(nèi)越來越小,所受到的其他輻射信號越來越多,干擾也就越來越多,最終傳感器檢測到信號為環(huán)境溫度信號。實(shí)際應(yīng)用中為了減小距離因素對輸出電壓的影響,常采用在熱釋電元件前加入光學(xué)透鏡,例如菲涅爾透鏡。紅外輻射經(jīng)過透鏡更好地匯聚在熱釋電晶體表面,引起溫度升高,輸出電壓變大。

4.3 不同物體對紅外熱釋電傳感器的影響分析

根據(jù)斯特藩-玻耳茲曼定律,即一個(gè)黑體表面單位面積在單位時(shí)間內(nèi)輻射出總能量與黑體本身的熱力學(xué)溫度T 的四次方成正比

其中σ為玻耳茲曼常數(shù),其值為5.67×10-8W·(m2·K2)-1。

但一切實(shí)際物體的輻射能力都小于同溫度下的黑體,實(shí)際物體輻射出射度的計(jì)算采用修正公式

其中ε為物體的發(fā)射率,又稱黑度,與物體表面狀態(tài)有關(guān)。表3給出了一些常用材料的黑度。

從表3可以看出物體的黑度由材料的種類、材料的表面狀況及材料溫度決定。一般非金屬材料的黑度要比金屬的黑度大并且與其表面狀況關(guān)系不大。對于金屬材料來說,表面狀況對材料黑度影響很大,表面未磨光黃銅的黑度為0.22,而磨光黃銅黑度只有0.05。

由上述輻射理論可知,在熱源溫度與距離固定不變的情況下,紅外熱釋電傳感器表面的輻射照度與目標(biāo)輻射物體的黑度成線性相關(guān)。

4.4 綜合因素分析

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析可知,熱源溫度與距離對紅外熱釋電傳感器的輸出電壓存在較大的影響,這就有必要找出溫度與距離對紅外熱釋電傳感器輸出電壓的關(guān)系模型。對于溫度而言,輸出電壓與熱源溫度成線性關(guān)系,可以寫成

表3 常用材料的黑度

對于距離來說,輸出電壓與其成指數(shù)衰減關(guān)系,可以寫成

考慮到熱源溫度與距離對輸出電壓的綜合影響,由此得到他們之間的關(guān)系為

其中T表示熱源溫度,X表示距離。圖8、圖9為此模型的擬合結(jié)果。

圖8 熱源溫度與距離對輸出電壓的擬合圖

圖9 輸出電壓分布場線圖

由此得出此模型的數(shù)值關(guān)系式為

相關(guān)系數(shù)R2=0.978。該傳感器在實(shí)際應(yīng)用中具有指導(dǎo)意義,例如在距離一定的時(shí)候,通過輸出電壓可以知道溫度大小;在溫度一定時(shí)可以通過輸出電壓來確定距離。

5 結(jié)語

熱源溫度與距離因素對紅外熱釋電傳感器輸出電壓產(chǎn)生較大的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:由于傳感器響應(yīng)率只與調(diào)制信號頻率有關(guān),當(dāng)調(diào)制的紅外熱輻射信號頻率一定,傳感器輸出電壓與熱源溫度成線性相關(guān)。另一方面,當(dāng)調(diào)制信號頻率與熱源溫度固定的情況下,輸出電壓對距離呈現(xiàn)指數(shù)型衰減。這是因?yàn)殡S著距離的增加,紅外輻射信號經(jīng)過空氣的散射與吸收,透過率減少,導(dǎo)致熱釋電晶體溫度變化不大,輸出電壓變小并逐步趨于平穩(wěn)。同時(shí),隨著距離的增大,傳感器對熱源的視角越來越小,受環(huán)境溫度場影響增大,所以輸出電壓最終減小至環(huán)境溫度所對應(yīng)的電壓值。本文實(shí)驗(yàn)并提出了熱源溫度與距離對紅外熱釋電傳感器輸出電壓的綜合影響模型,對傳感器的實(shí)際應(yīng)用具有指導(dǎo)性意義。