熱源溫度和距離對紅外熱釋電傳感器的影響研究

盛明遠 趙敬之 劉 錦 朱怡然 王昭杰 謝海芬

(華東理工大學,上海 200237)

紅外目標檢測與識別是近年來備受矚目的智能監控技術,紅外熱釋電傳感器以未接觸形式檢測環境中紅外輻射的變化,對人體運動具有很高的敏感度,因其功耗低、體積小、成本低等優點被廣泛應用于監測、防盜、人體識別等方面。目前有關紅外熱釋電傳感器的研究主要集中在結合單片機技術進行安防、照明以及人體動作識別領域[1,2,3],這些研究大部分在可行性分析與設計方面進行了深入的討論。根據紅外輻射傳輸理論[4],熱源溫度和距離都是影響紅外輻射傳輸的關鍵因素。在應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的綜合因素設計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意義。

1 熱釋電效應及傳感器

1.1 熱釋電效應

自然界中存在一種有著極化性質的晶體材料,當環境溫度保持恒定不變時,晶體材料表面呈現電中性,當環境溫度變化時,熱晶體極化程度就會變化,表面的極化電荷會相應的改變。這種現象稱為熱釋電現象,原理如圖1所示。

圖1 熱釋電原理圖

依據熱釋電原理,把由紅外輻射引起的溫度變換信號轉化為電信號,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,ΔT為溫度變化量,t為時間。

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而制成的傳感器。本實驗采用的RE200B 型號傳感器,由兩片熱釋電材料晶體反向串接而構成,其結構如圖2所示。

圖2 熱釋電傳感器結構圖

正常工作時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。兩個探測熱電元反向串接可以消除環境溫度變化產生的影響。當外界紅外輻射產生交替變化時,熱釋電晶體電荷會產生相應變化。引入高阻抗電阻使得電荷信號轉變為電壓信號,通過場效應管使得微弱的電壓信號進行第一步放大輸出。

2 傳感器參數

傳感器參數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主要有響應率、響應時間、噪聲、探測率等。這里主要介紹傳感器的響應率與響應時間兩個參數。

2.1 響應率

響應率[5]是評測紅外熱釋電傳感器性能的一個重要指標。紅外熱釋電傳感器響應主要分為兩個階段:光熱響應和熱電響應。

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

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

熱電響應,即傳感器探測元把溫度變化信號轉換成電信號,其響應函數分為電壓響應函數與電流響應函數

紅外熱釋電傳感器響應率即為

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

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

2.2 響應時間

當傳感器收到紅外輻射時,其輸出電壓U隨時間變化的關系為

其中τ為響應時間,表示電壓上升到穩定值的63%時所需要的時間。

3 實驗

3.1 實驗儀器

MSO2014B型示波器、RE200B 熱釋電實驗線路板、PS-2125型溫度傳感器、鐵架臺、尼龍繩、直尺、量角器。

3.2 測量電路設計與實驗過程

由于紅外熱釋電傳感器直接輸出信號噪聲大,幅值小,所以本實驗采用如圖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過R1、C1濾波輸入到LM358中一級放大輸入端,經一級放大后由C4電容耦合進行二次放大輸出。

實驗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,進行紅外輻射信號調制。避免了以人為研究對象時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。圖4 為實驗原理圖,圖5為紅外調制信號效果圖。

圖3 測量電路

圖4 實驗測量原理圖

圖5 紅外調制信號效果圖

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制輻射頻率不變。在5～40cm 的范圍內,以5cm 為步長,分別測量不同熱源溫度產生的紅外熱釋電傳感器輸出電壓的峰值,并記錄相關數據。

3.3 實驗結果

保持紅外輻射頻率不變,在室內溫度為26.0攝氏度情況下,在5～40cm 距離范圍內,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系曲線圖。從圖中可以知道:

(1) 在距離與紅外調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,且呈現正比例關系。

(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,產生電壓幅值越高。這個結果與上述響應率理論相吻合。

由表2可知,在同一溫度下,輸出電壓的響應隨距離的增大而減小。當距離為5cm 時,其相關性達到0.96,而距離增至45cm 時,其相關性僅有0.72。這是由于距離越遠,環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系曲線

4.2 不同距離對紅外熱釋電傳感器的影響分析

當熱源溫度取定時,由于遠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輻射、環境輻射和大氣輻射三部分。假設大氣路徑的瞬時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,對于灰體而言,傳感器接收到的輻射ΔE與距離R的關系為[6]

[21]劉悠翔：《東南亞才是中國網文的海外第一粉絲團》，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性

其中μ為大氣消光系數,k1、k2為常數,由傳感器工作波段確定,σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數,εt、εb分別為物體和背景的表面發射率;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指數關系。

圖7不同熱源溫度對應的距離在5～40cm 范圍內紅外熱釋電傳感器輸出電壓值曲線。經origin8.5軟件擬合處理后發現指數型函數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 時輸出電壓基本呈現較小的波動,并趨于穩定。并且對于不同熱源溫度,在遠距離情況下,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傳感器表面時能量大幅度減弱。在遠距離情況下,熱源在傳感器視野范圍內越來越小,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境溫度信號。實際應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透鏡,例如菲涅爾透鏡。紅外輻射經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

根據斯特藩-玻耳茲曼定律,即一個黑體表面單位面積在單位時間內輻射出總能量與黑體本身的熱力學溫度T 的四次方成正比

其中σ為玻耳茲曼常數,其值為5.67×10-8W·(m2·K2)-1。

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

其中ε為物體的發射率,又稱黑度,與物體表面狀態有關。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輻射物體的黑度成線性相關。

4.4 綜合因素分析

由上述實驗結果與分析可知,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系模型。對于溫度而言,輸出電壓與熱源溫度成線性關系,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衰減關系,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值關系式為

相關系數R2=0.978。該傳感器在實際應用中具有指導意義,例如在距離一定的時候,通過輸出電壓可以知道溫度大小;在溫度一定時可以通過輸出電壓來確定距離。

5 結語

熱源溫度與距離因素對紅外熱釋電傳感器輸出電壓產生較大的影響。實驗結果表明:由于傳感器響應率只與調制信號頻率有關,當調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。另一方面,當調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指數型衰減。這是因為隨著距離的增加,紅外輻射信號經過空氣的散射與吸收,透過率減少,導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。同時,隨著距離的增大,傳感器對熱源的視角越來越小,受環境溫度場影響增大,所以輸出電壓最終減小至環境溫度所對應的電壓值。本文實驗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,對傳感器的實際應用具有指導性意義。