一種熱釋電紅外探測器的單目設計

?

一種熱釋電紅外探測器的單目設計

0引言

由于紅外線是非可見光，與傳統的探測技術相比較，紅外探測器具有隱蔽性和保密性好、光譜響應寬、環境影響小、無需制冷等優點，廣泛應用于報警探測領域。然而，該技術存在響應速度慢、無法對入侵目標進行定位等缺點，大大局限了紅外探測技術在軍用以及高端領域的發展[1-3]。為了解決這些問題，設計一種基于熱釋電被動式紅外復眼探測器的單目，該復眼探測器要求能夠在15 m的范圍內對目標進行感知與定位，且目標距離10 m范圍內的定位誤差小于0.5 m。復眼探測器是由相當數量的單目按照一定的排列順序組合而成的，因而單目結構的設計就是復眼正常工作的核心與關鍵，本設計就是針對熱釋電紅外復眼的單目。

1熱釋電紅外探測器的研究

1.1熱釋電紅外探測器的工作原理

熱釋電紅外探測器屬于被動式的紅外探測器，自身不向外發送紅外線，可以接收探測區目標發出的任意波段的紅外線，探測器內部的熱釋材料可以產生極化反應[3]。若恒定的紅外線照射在熱釋材料上，其溫度不變，熱釋材料內部的電荷與外部的異性電荷中和，材料表面呈電荷中性；若受到的紅外輻射發生變化時，熱釋材料溫度發生變化，其表面極化電荷發生變化，外部的自由電荷來不及中和，熱釋材料的表面形成一個外電場，這種現象稱為熱釋效應[4-5]。通過外部電路，將熱釋材料表面的電荷信號轉換為電壓信號，通過對電壓信號的處理實現對目標物的探測功能[6]。

1.2熱釋電紅外探測器組成結構

目前，成熟技術的熱釋電紅外探測器主要組成部分有菲涅爾透鏡、熱釋電紅外傳感器、紅外信號處理電路以及關于輸出控制顯示裝置，如圖1所示。基于此基本結構的熱釋電紅外探測器的工作流程可分為四步：第一步為目標向外輻射紅外線，溫度高于絕對零度的物體都會發出紅外輻射，熱釋電紅外探測器無需光源，可以接收探測區域內目標輻射的紅外線；第二步為接收紅外線，菲涅爾透鏡將目標物的紅外輻射聚焦到熱釋電紅外傳感器的熱敏元件上；第三步為光電信號轉換，熱敏元件受到紅外輻射之后發生輻射極化反應，熱敏元件的表面電荷發生變化，通過外部電路并將其轉換為電壓信號輸出；第四步為信號處理，信號處理電路將電壓信號進行濾波、放大等處理，傳送給控制裝置進行跟蹤和定位。

圖1　熱釋電紅外探測器組成結構圖

熱釋電紅外傳感器的作用是感應目標紅外線，并轉換成電信號，是探測器最為核心的構成部分。雙元型熱釋電紅外傳感器等效化電路如圖2所示。

圖2　雙元熱釋電紅外傳感器等效電路示意圖

雙元熱釋電紅外傳感器組成包括三部分：探測敏感元、濾光片以及場效應管。探測敏感元采用非接觸的方式接收感應目標的紅外輻射，同時濾波片能大程度地削弱目標周圍其他物體的干擾輻射，場效應管將敏感元輸出的電荷信號轉換成電壓信號進行檢測。根據敏感元數量不同，熱釋電紅外傳感器可分單元型、雙元型。單元型指的是只有一個敏感元，只要環境中有溫度變化，傳感器就會產生反應，誤報率高，因此需要添加溫度補償設計；雙元型指的是有兩個敏感元，可以是串聯起來的，也可以是并聯起來的，敏感度低，性能良好，而且可以有效追蹤目標，是常用的類型。

2單目結構的設計

單目整體結構圖如圖3所示。當目標進入單目的檢測范圍內時，目標向外輻射紅外線，單目中的濾光片將自然光等干擾光源產生的紅外輻射濾除。菲涅爾透鏡將紅外線有效地集中，通過光纖傳送到熱敏元件上，熱敏元件將輻射的變化轉換為電壓的變化。濾波器將噪聲濾除之后，多級運放將電壓信號放大就可以測量了。在實物的實現時，圖3中濾波片通過金屬殼罩在菲涅爾透鏡上，敏感元件使用雙元敏感元件。

2.1濾波片的選擇

在自然界中，只要是溫度高于絕對零度的物體都會向外輻射紅外線，不同的物體、不同的溫度輻射的紅外線波長也不盡相同。熱釋電紅外探測器的熱敏元件對各個波段的紅外線都有感應。為了提高單目對特定目標的紅外敏感性，需要將太陽光、燈光等非目標物的紅外光屏蔽掉。因此，設計采用濾波片作為窗口，只允許特定波段的紅外線輸入。濾光片是由多層濾光薄膜鍍在S基玻璃上制成的。

一般人體的紅外線波長范圍在9.33～9.36 μm，普通車輛的紅外波長范圍在8～14 μm間。若將人體與車輛都作為目標物時，則需要選擇可以通過7.5～14 μm濾波片，兩種目標物的波段都在允許的范圍內，且可提高單目的靈敏度、降低誤報率。

2.2菲涅爾透鏡

人體發送的紅外線能量非常微弱，如果直接輸送到熱敏元件上，只能引起新信號極其微弱的變化。而菲涅爾透鏡在熱釋電紅外探測器中起到的作用就好像是人的眼鏡一樣，它是單目的“眼鏡”。菲涅爾透鏡通常是使用電鍍模具工藝將聚乙烯壓制而成的，鏡片的表面是一圈圈精密而清晰的同心圓，從刨面看像是一排鋸齒，其作用是將入射的紅外光集中到一點上。菲涅爾透鏡的作用有兩個：一是聚焦作用，將外界的熱釋紅外信號折射到探測器的熱敏元件上，拓寬感應區域，增加靈敏度；二是劃區，利用自身的構造將探測區域分為若干個敏感區與非敏感區，以增強熱敏元件的空間分辨能力與探測距離。因此，菲涅爾透鏡的設計與制備直接影響著單目的實用效果。

2.3熱敏元件的選擇與制備

熱敏元件是使用熱釋電材料制備的。由于熱釋電材料性能的好壞對熱釋電傳感器的探測能力有很大的影響，通常選擇熱釋電系數大，體積比熱、介電常數及介電損耗都小的熱釋電材料作為熱敏元件制作材料。表1中對比了幾種熱釋電材料的性能參數。其中，鉭酸鋰(LiTaO3)熱電系數大、介電常數小、對溫度的敏感度低、工作波段較寬，適用于制作熱釋電探測器的熱敏元件。本設計中的熱敏元件使用鉭酸鋰晶體制作。

表1　幾種熱釋電材料的性能參數對比

2.4阻抗變換電路設計

熱敏元件接收到外界目標物的紅外輻射后，產生熱釋電效應，其表面的電荷信號發生變化，無法直接測量。因此，需要高阻抗將其轉換為電壓信號。場效應管是帶有PN結的半導體元件，其具備低噪聲、低功耗、熱穩定性好、輸入阻抗高的優點，可以滿足熱敏元件高阻抗的要求。漏極接電壓正極，柵極接電源負極，源極接電壓輸出端，表示將熱敏元件的表面的電荷信號轉換的電壓信號。通過對電壓信號的處理，可以實現對目標物的探測。

2.5單目的測試電路

復眼是由數量眾多的單目構成的，它雖然不能像復眼一樣全方位地探測目標，但它也是一個獨立的結構，在一定的方向上實現對目標物的探測。為了檢測單目能否正常工作，設計一個以人為目標物的報警電路完成對單目的檢測。報警電路主要包括放大濾波電路、電壓比較電路以及報警發聲電路[7]。圖4為整體報警電路設計的框圖。

圖4　整體電路設計框圖

單目中場效應管輸出的電壓很微弱，無法直接驅動報警電路，需要對源極電壓信號濾波之后進行放大處理。本設計使用運放LM324芯片以及電容、電阻構成濾波、放大電路，將源極電壓放大到可以驅動電壓比較電路。電壓比較電路的作用是將放大后的電壓與預先設置好的閾值電壓進行比較，若輸入的電壓超過閾值電壓，則驅動報警電路工作，發出警報聲；否則，保持低壓狀態，報警電路不工作。報警電路主要是使用雙單穩的多頻振蕩器HEF4538B芯片觸發及控制語音KD9561芯片構成。HEF4538B芯片在高電平信號的控制下，可以輸出高電平脈寬可調的脈沖信號，使用這個脈沖信號來控制KD9561芯片報警的輸入端，驅動其發出報警聲。

3試驗結果分析

為了驗證單目的性能，以人體為目標物，從單目探測方向20 m處走近。當人體走到距離單目15 m或在15 m的范圍內移動時，蜂鳴器有警報聲發出，警報聲的持續時間大約為10 s，從而初步驗證了此次單目設計的正確性。測試中，利用示波器測量經過放大電路的電壓輸出端有無電壓波形，輸出如圖5所示。

圖5　放大后的波形圖

由圖5可以看出，在經過兩級放大電路放大后，有幅值為2.80 V的脈沖信號輸出，2.80 V電壓是經過放大后的電壓，原來單目輸出的電壓為V=2.80 V/3 400= 0.824 mV，單目的輸出電壓為1 mV左右，與理論預算相符合，驗證了所設計單目的正確性。

通過測量HEF4538B芯片6管腳，有脈寬近似為10 s的脈沖信號輸出，也與理論相符合，進一步驗證了所設計的單目的正確性與實用性。

4結束語

本設計是基于熱釋電紅外探測的復眼設計開展的，研究其中構成復眼的單目結構的設計。針對紅外探測存在的探測能力不強、制作成本高及紅外材料不

多等難點，將復眼和熱釋電紅外結合起來，設計一種新型紅外探測器。本設計中的單目是基于熱釋電紅外探測器設計的，經驗證可以實現對預定區域內目標物的探測，具備結構簡單、隱蔽性好、具有二次開發的潛力等優點，在工業、軍事等領域具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 徐克寶，曹建.一種高靈敏度自主采樣式熱釋電傳感器的研究[J].儀器儀表學報，2006，27(12): 1742-1745.

[2] 劉舒祺，施國梁.基于熱釋電紅外傳感器的報警系統[J].國外電子元器件，2005(3):18-20.

[3] 侯識華，宋世庚，陶明德.熱釋電材料及其應用[J].電子元件與材料，2000,19(6):26-41.

[4] 張曄，楊衛，岳元,等.基于熱釋電紅外傳感器探測距離影響因素的研究[J].紅外與毫米波學報，2010，29(6):448-451.

[5] 彭麗靜，宮世寬，李麗靜.熱釋電紅外傳感器原理及應用[J].煤炭技術，2005，24(3):113-114.

[6] 張敏.基于熱釋電紅外傳感器的無線監控報警系統設計.安防科技[J]，2008(1):42-44，63.

[7] 程素萍.熱釋電紅外傳感器及其報警電路[J].建筑技術與應用，2007(10):16-17.

Design of the Monocular Pyroelectric Infrared Detector

崔永俊1,2賈磊1,2王希鵬3趙秀梅3薛志勇3杜文略1,2

(中北大學 電子測試技術國家重點實驗室1，山西 太原030051;

中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室2，山西 太原030051;

中國煤炭科工集團太原研究院有限公司3，山西 太原030051)

摘要：為解決普通熱釋電的紅外探測技術誤報率高、敏感度低且不能對入侵目標進行定位等問題，提出了一種基于熱釋電紅外探測器的復眼結構的設計。結合熱釋電紅外探測隱蔽性好、性能穩定、環境適應能力強、復眼視場角大、體積小且靈敏度高等優勢，將熱釋材料上的電荷信號轉換為電壓信號，經濾波、放大后輸出。通過實驗表明，采用該熱釋電紅外探測器的單目可以檢測到15 m 內的入侵目標，并輸出脈沖電平作為報警信號。

關鍵詞：紅外探測器菲涅爾透鏡敏感元件濾光片傳感器信號處理濾波電路設計等效電路

Abstract：To solve the problems of high false alarm rate, low sensitivity and unable to locate intrusion targets and other issues in ordinary pyroelectric infrared detection technology, the design based on compound eye structure is proposed for pyroelectric infrared detector. Combining the advantages of pyroelectric infrared detection, including good concealment, stable performance, environmental adaptability, large viewing angle of compound eye, small size and high sensitivity, the charge signal on pyroelectric material is converted into voltage signal, and output after filtering and amplifying. Experiments show that the monocular of the designed pyroelectric infrared detector can detect intrusion target within fifteen meters, and output pulse level as an alarm signal.

Keywords:Infrared detectorFresnel lensSensitive elementSensorSignal processingFilteringCircuit designEquivalent circuit

中圖分類號：TH7;TP212

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201604023

修改稿收到日期：2015-10-15。

第一作者崔永俊(1973-)，男，現為北京航空航天大學在讀博士研究生，副教授；主要從事納米測試技術及儀器方向的研究。