基于熱釋電探測器的遠紅外輻射計的研制

趙振杰，李凱揚

（武漢大學物理科學與技術學院，湖北武漢430072）

伴隨著信息技術的普及以及半導體生產技術及新型材料的發展，推動了對熱釋電效應的研究，各種紅外線傳感器相繼問世，并被逐步運用于工業生產、夜視儀、報警、防火、醫療、環境保護及民用產品中[1-2]。

紅外保暖材料是用遠紅外納米纖維制成的具有優良理療功能、熱效應功能和排濕透氣抑菌功能的新型材料，能夠發射一定波長的遠紅外線。由匹配原則：當輻射源的輻射波長與被輻射物的吸收波長相一致時，物體對該輻射就會大量的吸收[3]。紅外保暖材料發射出的與人體輻射波長相一致的7.0～14.0 μm的紅外輻射被人體吸收后，由于該輻射具有一定的滲透性，能夠深入皮下組織，此時細胞中的C-C、CH、C-N等化學鍵的振動加劇，發生熱效應，使人體組織升溫，進而改善微循環，促進新陳代謝與生長發育[4]。國際上要求遠紅外的發射率達到80%以上才可以被稱為合格的紅外保暖材料[5]。這就需要對參考黑體和紅外保暖材料的紅外輻射功率進行測量和比較，而該波段的輻射使用光電探測器難以準確測量，市場上也缺乏相關儀器。本文所研制的紅外輻射計是一種利用熱釋電效應制成的新型紅外輻射測量儀器，專用于測量人體輻射所在的遠紅外波段。

文中介紹了紅外輻射計的工作原理并對光學系統和硬件電路進行闡述，最后對儀器進行了測試與總結。

1 系統工作原理

儀器的理論基礎是黑體輻射定律，綜合了光學理論和微電子學的原理。熱輻射是物質中帶電粒子熱運動產生的電磁輻射[6-7]。只要絕對溫度非零的物體均有熱輻射。熱輻射可產生從紫外、可見光、紅外至微波的連續光譜，其光譜分布隨溫度而異。常溫、低溫物體熱輻射的能量主要集中在紅外波段。電磁輻射頻譜中，將介于可見光與微波之間、波長范圍為0.76～1 000 μm 的波段命名為紅外[8]，人體輻射在 7～14 μm之間，屬于遠紅外波段。

熱釋電紅外探測器是利用某些物質對溫度的敏感特性探測紅外輻射能量的熱敏元件。熱釋電探測器對紅外輻射的探測過程分為兩個階段[9]。第一個階段是探測器吸收了紅外輻射后引起了溫度的升高，并且溫度的變化與入射輻射功率的變化相對應；第二個階段就是，元件通過其溫度敏感特性即熱釋電效應將溫度變化轉換成相對應的電信號，經過處理后便于測量[10-11]。

熱釋電晶體的內部會發生自發極化效應，晶體在與自發極化強度垂直的表面上會出現束縛電荷，靜態下，正負電荷會相互抵消。當向垂直的晶體表面輻射時就會產生熱釋電電荷，此時晶體的自發極化強度也會隨之改變。當溫度變化較慢產生自由電荷較少時，自由電荷與自發極化產生的內部束縛電荷相抵消，無法外顯電場。當溫度變化較快以至于束縛電荷無法與晶體的自由電荷完全中和時，就顯出了外電場。這種晶體隨溫度變化而產生電荷的現象稱為熱釋電效應[12]。

在居里溫度以下，熱釋電材料溫度變化ΔT時引起的流入外部電路的電流Is為：

式中，A表示的是探測面積；ρ為熱電系數。

熱釋電探測器沒有直流相應。必須要有斬波器對輻射信號進行調制后才會有相應頻率的輸出。探測器會均勻地響應所有波段，為了檢測人體波段的紅外輻射，必須在熱釋電探測器前使用特定的濾光片進行濾光[13]，同時需要設置參考黑體以消除環境溫度的影響，因此需要一整套對應的光學系統。

文中設計了一套高精度的熱釋電紅外輻射計，該系統由光學系統、CPU主控模塊、信號處理模塊、控制模塊和人機交互模塊組成；光學系統對光輻射進行采集調制與光電轉換；CPU主控模塊完成信息采集、計算、顯示與控制；信息處理模塊可完成對信號高精度的放大及濾波；控制系統的作用是對斬波器轉速進行控制；人機交互模塊完成命令輸入與顯示。

其主要技術特點是，具有較為完善的紅外光接受與調制系統；添加了參考黑體，該參考黑體通過設置使之與周圍環境的溫度保持相一致；采用了雙路的設計，使得紅外輻射功率計中的探測器分別接收來自被測對象的輻射和內部參考黑體的輻射，兩路相對比消除了環境溫度的干擾。

圖1 系統設計總體流程圖

2 光學系統設計

本文所設計的光學系統包括望遠裝置、聚光裝置、斬波器、濾光片、熱釋電探測器以及參考黑體。各個光學器件均在同一光學導軌上，以保證光軸的一致性。布局簡略，光能傳輸效率高。通過大口徑和望遠裝置，接收的光能多，提高了探測靈敏度。

圖2 光學系統結構圖

2.1 光學系統組成

光學系統前端是兩個ZnSe柱面透鏡組成的望遠裝置。望遠裝置中的兩個柱面透鏡分別為負焦距平凹柱面透鏡和正焦距平凸柱面透鏡。平凹柱面鏡的像方虛焦線與平凸柱面鏡的物方實焦線重合，實現將視角按照焦距之比縮小以達到望遠效果，兩個柱面鏡通過各自下面的支架固定在殼體的底板上。

聚光裝置焦距范圍為480～600 mm，入瞳口徑為160 mm，放置在望遠裝置之后，通過下部的支架固定在殼體的底板上。

斬波器由6片鋁葉片組成，直徑為160 mm，通過支架與電機一起固定在殼體的頂板。斬波器與光導軌成45度角，在其背向光路的方向鍍有高反射率的金膜層以便將參考黑體發出的輻射反射進光路。步進電機在相敏檢波中采用鎖相環技術使調制頻率誤差在0.1 Hz之內。

內置參考黑體放置在斬波器與望遠鏡的焦點之間，處于斬波器的下方并與光軸相平行。在其輻射面涂覆高發射率的銅材料，可直接設置其溫度。由參考黑體發射的紅外輻射由斬波器反射進光路進行測量以消除環境溫度的影響。

濾光片放置在內置參考黑體之后進行濾光，通過下部支架固定在殼體底板上，并將濾光片的中心放置于光軸上，其前后表面均鍍膜，使其在7～14 μm波段內具有80%以上的透過率，在以外的波段透過率接近于0。

在光學系統的末尾，熱釋電探測器通過下部支架固定在殼體的底板上。探測器選用了LN-206單元型熱釋電紅外探測器，聚光裝置的像方焦點處即為其光敏面的中心，探測器的輸出端與信號處理電路相連，信號處理電路的輸出信號送入單片機中。

2.2 光學系統原理

整個光學系統的運行方式為：對目標進行測量時，平行光束經望遠裝置后出射依舊為平行光，先后到達聚光裝置和斬波器。斬波器以固定頻率旋轉，對光信號進行調制。如果位于光路的是斬波器葉片間的縫隙時，光束不會受到阻擋，經由聚光裝置聚光和濾光片濾光后照射到探測器上，轉換為電信號。而當位于光路的是斬波器葉片的實體部分時，光束受到阻擋，達到探測器光敏面的只有參考黑體發出的輻射，實現了對光信號的調制和光電信號的轉換。

單片機對透射光信號和相應的參考黑體的輻射信號進行運算，處理得到對應的輻射量值。

3 系統硬件電路設計

本系統的硬件電路設計主要分為以下4個模塊，分別為：1）主控CPU模塊；2）斬波器控制模塊；3）信號處理模塊；4）人機交互模塊。

3.1 主控CPU模塊

系統選用美國TI公司的MSP430作為主控制器，其具有兩個定時器，16 KB的程序存儲空間以及512B的數據存儲空間，完全能實現本系統的功能[12]。

3.2 斬波器控制模塊

紅外信號需要通過斬波器調試才能由探測器進行測量。本系統采用能將電脈沖信號轉換成相應的角位移的步進電機來控制斬波器的轉動。

步進電機驅動芯片采用適宜于兩相步進電機雙極性驅動的SAA1042芯片，其時鐘來源于NE555產生的矩形波震蕩信號，芯片內部PWM電流控制電路可通過串行接口被設置為電流快、慢、混合衰減模式，使得步進電機在不同的負載和轉速下，都能獲得較理想的電流波形，驅動電路如圖3所示。

圖3 步進電機驅動電路

3.3 信號處理模塊

由于探測器輸出的電信號非常微弱，需要高倍率放大后才能驅動信號處理等后續電路，因此通常需要經多級放大器級聯放大。為了使探測器和放大器組件的等效輸入噪聲盡量接近探測器的噪聲，需要運用合適的信號放大器和信號處理電路。

1）信號放大電路

經過斬波器調制后的光信號經過熱釋電探測器進行光電轉換后就會變為具有一定頻率的微弱的交變脈沖信號。這樣微弱的信號是無法進行后續處理的。前置放大器的作用是：放大熱釋電探測器輸出的微弱電信號，將后續處理電路與探測器之間的阻抗相匹配[13]。

為了將微弱的信號不失真的進行放大，前置放大器要有低的輸入阻抗，足夠的信號寬帶，低噪聲，高增益，抗干擾能力強。同時屏蔽性良好，盡量的靠近探測器，這樣可以將原來微弱的輸出信號進行較大增益的放大同時又具有盡可能高的信噪比，本系統選擇了低失調精密運算放大芯片AD707。

圖4 放大電路

2）帶通濾波電路

帶同濾波電路可以抑制寬帶噪聲，進一步增加信號中有用信號所占的比重。但是為了防止溫度改變后，信號的頻譜會偏離帶通濾波器的通頻帶導致誤差，濾波器必須要有合適的帶寬[14]。這里采用了二階無限增益多路巴特沃斯型帶通濾波器。

圖5 帶通濾波電路

3.4 人機交互模塊

遠紅外輻射計使用3個按鍵來完成對儀器的控制，接口電路如圖6所示。K1為開機鍵，長按K1鍵可開機；K2為工作鍵，按下此鍵可進行輻射功率測量；K3為背光顯示鍵，按鍵可進行背光顯示。

圖6 按鍵接口電路

數據的輸出選用液晶LCD-CH12232B作為顯示器件，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊，具有顯示質量高、數字式接口、體積小、重量輕、功耗低等優點[15]。

4 系統測試與分析

在紅外輻射計的光學系統和硬件軟件部分組裝完成需要對功率計進行定標，并對功率計的性能做了測試。測量裝置如下：

圖7 發射率檢測裝置

由GB/T 20127-2013中規定，分別測量同溫度（34℃）下的標準黑體與樣品的輻射強度，進行比較，即可得到發射率數值[16]。

在如圖7的測量裝置中，整個罩體即為標準黑體，將待測試樣放在實驗熱板上，控制溫度為34℃，遠紅外輻射計放在罩頂，這樣每次測試與試樣的距離均相同，排除了干擾。

這里對同一試樣進行了5次測量，最終取平均值。結果如表1所示。

表1 遠紅外輻射計測試數據

從表1可以看出本紅外輻射計具有較高的精度于穩定性，經計算，樣品的遠紅外發射率為88.47%，是良好的紅外保暖材料。

5 結論

本文設計了一種基于熱釋電探測器的新型遠紅外輻射計并主要用于紅外保暖材料的檢測。裝置通過望遠與聚光裝置可探測較遠輻射并進行匯聚，斬波器對光輻射進行調制，內置參考黑體消除了環境輻射的干擾，濾光片進行濾光，以熱釋電探測器將光信號轉換為電信號，進行信號處理后由單片機顯示。本紅外輻射功率計經檢測具有可靠性好、測量精度高、操縱簡便的一系列優點，通用性強，可以滿足科學研究、醫療保健及工業場合較高的精度要求，擁有廣闊的應用前景。

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