基于熱釋電效應的紅外人體檢測

漢中職業技術學院 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，只要其絕對溫度高于-273℃，均會向外輻射紅外線，只是其輻射出來的紅外線的波長不同而已。而基于熱釋電效應的紅外檢測器就是利用人體所輻射出的紅外線對人體進行檢測，不分白天黑夜，不受環境限，特別適用于防盜報警的監測。

1.紅外輻射

紅外輻射俗稱為紅外線，是一種不可見光，波長在0.75-1000μm的范圍內，由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱為紅外線，其本質是熱輻射。熱輻射是溫度高的物體向外輻射電磁波的現象，是一種熱量的傳遞方式。熱輻射主要靠波長較長的紅外線傳播，因而一個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，可顯著的轉變為物體的熱能，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，特別當其在大氣中傳播時，大氣層會吸收不同波長的紅外輻射。但是有三個波長段的紅外輻射在通過大氣層時透射率最高，它們是1-2.6μm、3-5μm及8-14μm（如圖1所示），統稱為“大氣窗口”。這三個波段對利用紅外線來進行探測是非常重要的，所以，紅外探測的儀器一般都工作在這三個波段之內。而人體的溫度為36-37℃，其向外輻射的紅外波長為9-10μm，剛好位于波段之內，因而可以利用這個特點來對人體進行紅外探測。

2.熱釋電紅外人體檢測的原理及儀器結構

2.1 熱釋電效應及器件

由于紅外輻射會產生熱量，引起探測器的敏感器件的表面溫度發生變化，進而使其有關物理參數發生相應的變化，通過測量有關物理參數的變化就可以來確定紅外探測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器，叫做熱釋電型紅外探測器，其所利用的是熱釋電效應。

所謂的熱釋電效應是指某些電介質表面溫度變化時，介質表面就會產生電荷的現象。電介質在電場中會發生極化現象，然而對于絕大多數介質來說，在電場除去以后，極化現象也隨之消失。但有一些晶體，在外部電場去除后，仍然能保持極化狀態，這就是“自發極化”，即晶體材料內部某個方向上正負電荷的中心不重合，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電荷而保持了電平衡的狀態（如圖2（a）所示）。但當溫度升高時，這種材料內部的極化強度會降低，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，因此在一段時間內材料表面就剩下多余的浮游電荷，相當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，晶體又重新達到電平衡的狀態，對外不顯電性（如圖2（c）所示）。

從材料溫度發生變化引起極化強度變化釋放出電荷到材料表面重新達到電平衡的狀態時間是極短的。如果將其連接負載，則在負載中便有一個電信號輸出（如圖3所示），將其放大后就成了一種控制信號，利用這一原理就可制成熱釋電紅外探測器。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不變，則電介質的溫度會達到一個平衡狀態，不再變化，則介質表面不會再釋放電荷，也就不會有信號再輸出。因此，對于這類熱釋電紅外探測器，只有在紅外輻射強度不斷變化，使它的內部溫度隨之不斷升降的過程中，探測器才有信號輸出，而在紅外輻射穩定不變的情況下，輸出信號為零。而人體的紅外輻射是恒定的，所以在進行人體探測的時候，必須對紅外輻射進行調制，即設法使紅外輻射不斷變化，這樣才有信號輸出，才能對人體進行探測。

圖1 紅外輻射的波長和在大氣中的透射率關系

圖2 熱釋電效應原理圖

圖3 熱釋電晶體的應用電路

圖4 內部電氣連接圖

圖5 菲涅爾透鏡

2.2 熱釋電紅外探測器的結構及工作原理

熱釋電紅外探測傳感器可采用差動平衡結構，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，這樣由于環境的影響而使整個晶片發生溫度變化時，反向串聯的熱釋電元件所產生的電荷相互抵消，探測器就無信號輸出，這樣可以去除掉太陽光等周圍環境因素的干擾。同樣，當人體靜止的站在傳感器的檢測范圍內時，兩個熱釋電元件感受相同的紅外輻射，溫度升高的程度相同，產生等量電荷，由于反向串接，產生的電荷也會相互抵消，無信號輸出，因而只有對人體的紅外輻射進行調制，使得兩個熱釋電元件感受的紅外輻射強度不一致，溫度變化不一致，才會有信號輸出。那么，可以采用一組光學透鏡來解決這個問題，典型的比如菲涅爾透鏡，就能很好的對人體的紅外輻射進行調制。

菲涅爾透鏡實際上是一個透鏡組，其結構如圖5所示，透過它去看外部，則視場被分為一個個的小單元，小單元和小單元之間是盲區。這樣，透過它所看到的視場既不連續，也不重疊。當運動的人體在透鏡的視場范圍內運動時，則透鏡后的熱釋電元件一會“看得見”走過去的人，一會“看不見”…這樣往復下去。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，又由于兩片熱釋電元件放置的位置相對于透鏡來說角度不同，則這兩片熱釋電元件一個“看得到”，另一個“看不到”，再一個“看得到”，另一個“看不到”，這樣就使得兩個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，產生的電荷不會抵消，使得探測器可以有信號輸出，從而實現對人體的探測。

3.結語

基于熱釋電效應的紅外人體探測，是眾多紅外探測技術中的新興技術，充分的利用了晶體材料受到紅外輻射后其溫度變化而導致極化強度變化，從而產生電荷而輸出信號的特點。該類技術不僅適用于對人體的紅外輻射進行檢測，而且其在科技、國防等工農業生產等領域也可以獲得廣泛的應用。

[1]武昌俊.自動檢測技術及應用[M].機械工業出版社,2011.

[2]李瑜芳.傳感器原理及其應用[M].電子科技大學出版社,2008.

[3]張洪潤,張亞凡.傳感技術與應用教程[M].清華大學出版社,2006.

[4]楊小麗.光電子技術基礎[M].北京郵電大學出版社,2005.

[5]謝和文.傳感技術及其應用[M].高等教育出版社,2006.

[6]金發慶.傳感器技術及其工程應用[M].機械工業出版社,2010.