盛明远 赵敬之 刘 锦 朱怡然 王昭杰 谢海芬

(华东理工大学,上海 200237)

红外目标检测与识别是近年来备受瞩目的智能监控技术,红外热释电传感器以未接触形式检测环境中红外辐射的变化,对人体运动具有很高的敏感度,因其功耗低、体积小、成本低等优点被广泛应用于监测、防盗、人体识别等方面。目前有关红外热释电传感器的研究主要集中在结合单片机技术进行安防、照明以及人体动作识别领域[1,2,3],这些研究大部分在可行性分析与设计方面进行了深入的讨论。根据红外辐射传输理论[4],热源温度和距离都是影响红外辐射传输的关键因素。在应用中需要考虑热源温度和距离对红外热释电传感器的影响。本文基于热释电效应的综合因素设计了测量电路并研究了温度和距离对输出电压的影响,得到了热源温度与距离对红外热释电传感器输出电压的综合影响模型,在红外热释电传感器的定量化使用方面具有指导意义。

1 热释电效应及传感器

1.1 热释电效应

自然界中存在一种有着极化性质的晶体材料,当环境温度保持恒定不变时,晶体材料表面呈现电中性,当环境温度变化时,热晶体极化程度就会变化,表面的极化电荷会相应的改变。这种现象称为热释电现象,原理如图1所示。

图1 热释电原理图

依据热释电原理,把由红外辐射引起的温度变换信号转化为电信号,其输出电流对温度的变化率成正比[5]

其中A为热释电电极表面面积,p为热释电系数,ΔT为温度变化量,t为时间。

1.2 红外热释电传感器

红外热释电传感器是利用晶体热释电效应而制成的传感器。本实验采用的RE200B 型号传感器,由两片热释电材料晶体反向串接而构成,其结构如图2所示。

图2 热释电传感器结构图

正常工作时D 端接正极,G 端接地,S端电信号输出。滤光片过滤不需要的红外射线和其他光线。两个探测热电元反向串接可以消除环境温度变化产生的影响。当外界红外辐射产生交替变化时,热释电晶体电荷会产生相应变化。引入高阻抗电阻使得电荷信号转变为电压信号,通过场效应管使得微弱的电压信号进行第一步放大输出。

2 传感器参数

传感器参数是描述传感器性能的重要物理量。红外热释电传感器的参数主要有响应率、响应时间、噪声、探测率等。这里主要介绍传感器的响应率与响应时间两个参数。

2.1 响应率

响应率[5]是评测红外热释电传感器性能的一个重要指标。红外热释电传感器响应主要分为两个阶段:光热响应和热电响应。

光热响应,即传感器探测元把辐射进入的红外线信号转化成温度信号,单位入射功率所引起的温度变化量称为光热响应函数

其中η为探测元吸收系数,τt为温度时间常数(τt=,G为热导,ζ为热容),ω为调制红外信号频率。

热电响应,即传感器探测元把温度变化信号转换成电信号,其响应函数分为电压响应函数与电流响应函数

红外热释电传感器响应率即为

其中τed为探测元电压时间常数(τed=R d C d,R d为探测元内阻,C d为探测元电容),p为热电系数,A为敏感元面积。

红外热释电传感器的响应率与红外辐射信号的调制频率有关,若调制频率取为定值,则电压输出与探测元所受到的辐射功率成正比。

2.2 响应时间

当传感器收到红外辐射时,其输出电压U随时间变化的关系为

其中τ为响应时间,表示电压上升到稳定值的63%时所需要的时间。

3 实验

3.1 实验仪器

MSO2014B型示波器、RE200B 热释电实验线路板、PS-2125型温度传感器、铁架台、尼龙绳、直尺、量角器。

3.2 测量电路设计与实验过程

由于红外热释电传感器直接输出信号噪声大,幅值小,所以本实验采用如图3所示的滤波放大电路。

红外热释电传感器直接输出电压经过R1、C1滤波输入到LM358中一级放大输入端,经一级放大后由C4电容耦合进行二次放大输出。

实验中采用温度保持恒定的热水作为热源,并用型号为PS-2125的Pasco温度传感器监测温度,并用尼龙绳固定形成单摆,量角器确定单摆摆动角度不变,进行红外辐射信号调制。避免了以人为研究对象时所带来的各种因素的综合干扰。将红外热释电传感器固定,使其接收窗口与热源辐射窗口相一致对应。图4 为实验原理图,图5为红外调制信号效果图。

图3 测量电路

图4 实验测量原理图

图5 红外调制信号效果图

保持热源摆动角度为45°不变来确定红外热释电传感器接收到红外调制辐射频率不变。在5～40cm 的范围内,以5cm 为步长,分别测量不同热源温度产生的红外热释电传感器输出电压的峰值,并记录相关数据。

3.3 实验结果

保持红外辐射频率不变,在室内温度为26.0摄氏度情况下,在5～40cm 距离范围内,分别测量在不同热源温度下的红外热释电传感器的电压输出。测量结果如表1所示。

4 分析与讨论

4.1 不同热源温度对红外热释电传感器的影响分析

图6是不同距离下输出电压与热源温度关系曲线图。从图中可以知道:

(1) 在距离与红外调制频率固定的情况下,红外热释电传感器接收到信号后输出的电压幅值随着热源温度的升高而升高,且呈现正比例关系。

(2) 在距离不变的情况下,温度越高,输出电压就越大。这是由于温度越高,辐射到热释电晶体表面的能量也越高,产生电压幅值越高。这个结果与上述响应率理论相吻合。

由表2可知,在同一温度下,输出电压的响应随距离的增大而减小。当距离为5cm 时,其相关性达到0.96,而距离增至45cm 时,其相关性仅有0.72。这是由于距离越远,环境噪声对传感器影响越显著,引起输出电压幅值波动就越大。

图6 不同距离下输出电压与热源温度关系曲线

4.2 不同距离对红外热释电传感器的影响分析

当热源温度取定时,由于远距离辐射传热过程中有巨大损耗,所以距离对红外热释电传感器输出电压具有很大的影响。

红外热释电传感器所接受到的有效辐射为目标辐射、环境辐射和大气辐射三部分。假设大气路径的瞬时辐照度对背景和物体的影响相同,且大气透过率在探测光谱波段为常数,对于灰体而言,传感器接收到的辐射ΔE与距离R的关系为[6]

[21]刘悠翔：《东南亚才是中国网文的海外第一粉丝团》，http://www.infzm.com/content/123740，2017年3月24日。

表1 电压输出幅值表

表2 不同距离下输出电压随温度变化的斜率及相关性

其中μ为大气消光系数,k1、k2为常数,由传感器工作波段确定,σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数,εt、εb分别为物体和背景的表面发射率;T t、T b分别为物体和背景温度。由此可知,由于传感器输出电压与探测元所接收的辐射功率成正比,所以传感器输出电压与作用距离呈现指数关系。

图7不同热源温度对应的距离在5～40cm 范围内红外热释电传感器输出电压值曲线。经origin8.5软件拟合处理后发现指数型函数具有很好的拟合效果。与上述物理原理相符。

图7 在不同温度下输出电压与距离的关系

随着距离的不断增加,红外热释电传感器输出电压急剧下降,在5～20cm 下降速率最快,在20～40cm 时输出电压基本呈现较小的波动,并趋于稳定。并且对于不同热源温度,在远距离情况下,红外热释电传感器输出电压都趋向于同一水平。这主要是由于热源在红外辐射的过程中由于大气吸收或散射过后到达传感器表面时能量大幅度减弱。在远距离情况下,热源在传感器视野范围内越来越小,所受到的其他辐射信号越来越多,干扰也就越来越多,最终传感器检测到信号为环境温度信号。实际应用中为了减小距离因素对输出电压的影响,常采用在热释电元件前加入光学透镜,例如菲涅尔透镜。红外辐射经过透镜更好地汇聚在热释电晶体表面,引起温度升高,输出电压变大。

4.3 不同物体对红外热释电传感器的影响分析

根据斯特藩-玻耳兹曼定律,即一个黑体表面单位面积在单位时间内辐射出总能量与黑体本身的热力学温度T 的四次方成正比

其中σ为玻耳兹曼常数,其值为5.67×10-8W·(m2·K2)-1。

但一切实际物体的辐射能力都小于同温度下的黑体,实际物体辐射出射度的计算采用修正公式

其中ε为物体的发射率,又称黑度,与物体表面状态有关。表3给出了一些常用材料的黑度。

从表3可以看出物体的黑度由材料的种类、材料的表面状况及材料温度决定。一般非金属材料的黑度要比金属的黑度大并且与其表面状况关系不大。对于金属材料来说,表面状况对材料黑度影响很大,表面未磨光黄铜的黑度为0.22,而磨光黄铜黑度只有0.05。

由上述辐射理论可知,在热源温度与距离固定不变的情况下,红外热释电传感器表面的辐射照度与目标辐射物体的黑度成线性相关。

4.4 综合因素分析

由上述实验结果与分析可知,热源温度与距离对红外热释电传感器的输出电压存在较大的影响,这就有必要找出温度与距离对红外热释电传感器输出电压的关系模型。对于温度而言,输出电压与热源温度成线性关系,可以写成

表3 常用材料的黑度

对于距离来说,输出电压与其成指数衰减关系,可以写成

考虑到热源温度与距离对输出电压的综合影响,由此得到他们之间的关系为

其中T表示热源温度,X表示距离。图8、图9为此模型的拟合结果。

图8 热源温度与距离对输出电压的拟合图

图9 输出电压分布场线图

由此得出此模型的数值关系式为

相关系数R2=0.978。该传感器在实际应用中具有指导意义,例如在距离一定的时候,通过输出电压可以知道温度大小;在温度一定时可以通过输出电压来确定距离。

5 结语

热源温度与距离因素对红外热释电传感器输出电压产生较大的影响。实验结果表明:由于传感器响应率只与调制信号频率有关,当调制的红外热辐射信号频率一定,传感器输出电压与热源温度成线性相关。另一方面,当调制信号频率与热源温度固定的情况下,输出电压对距离呈现指数型衰减。这是因为随着距离的增加,红外辐射信号经过空气的散射与吸收,透过率减少,导致热释电晶体温度变化不大,输出电压变小并逐步趋于平稳。同时,随着距离的增大,传感器对热源的视角越来越小,受环境温度场影响增大,所以输出电压最终减小至环境温度所对应的电压值。本文实验并提出了热源温度与距离对红外热释电传感器输出电压的综合影响模型,对传感器的实际应用具有指导性意义。