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　　一、热释电传感器的工作原理

　　某些晶体，例如钽酸锂、硫酸三甘肽等受热时，晶体两端会产生数量相等、符号相反的电荷。1842年布鲁斯特将这种由温度变化引起的电极化现象正式命名为“pyroelectric”，即热释电效应。红外热释电传感器就是基于热释电效应工作的热电型红外传感器其结构简单坚固，技术性能稳定，被广泛应用于红外检测报警、红外遥控、光谱分析等领域，是目前使用最广的红外传感器。

　　二、传感器的组成结构

　　热释电传感器由滤光片、热释电探测元和前置放大器组成，补偿型热释电传感器还带有温度补偿元件，国1-1所示为热释电传感器的内部结构。为防止外部环境对传感器输出信号的干扰，上述元件被真空封装在—个金属营内。

图1-1 热释电传感器的结构

　　热释电传感器的滤光片为带通滤光片，它封装在传感器壳体的顶端，使特定波长的红外辐射选择性地通过，到达热释电探测元+在其截止范围外的红外辐射则不能通过。

　　热释电探测元是热释电传感器的核心元件，它是在热释电晶体的两面镀上金属电极后，加电极化制成，相当于一个以热释电晶体为电介质的平板电容器。当它受到非恒定强度的红外光照射时，产生的温度变化导致其表面电极的电荷密度发生改变，从而产生热释电电流。

　　前置放大器由一个高内阻的场效应管源极跟随器构成，通过阻抗变换，将热释电探测元微弱的电流信号转换为有用的电压信号输出。

　　三、信号转换与处理

　　热释电传感器的信号转换可以概述为三个阶段：

　　热转换阶段：辐射通量为△Φ的调制辐射光经过透射率为т的红外滤光片到达热释电探测元，辐射通量τ△Φ被元件表面吸收后，产生温度变化△T。

　　热电转换阶段：在△T的作用下，热释电元件的表面电报产生电荷密度变化△Q。

　　电转换阶段：AQ通过前置放大器转换为电压信号△u输出。

图1-2 热释电传感器的信号转换过程

　　热转换阶段产生的转换温差△T越大，传感器的响应率和信噪比越高；

图1-3 热释电传感器热学简化模型

图1-4 热释电传感器等效电路

　　图1-3、1-4是热释电传感器的热学模型和等效电路。热沉表示环境温度影响。

　　转换温差（1）

　　式中，α——热释电探测源的吸收率，

　　C——热释电探测源的热容；

　　G_T——热释电探测元与环境之间的热导。

　　从（1）式可知，ατ越趋近于1，△T越大，在热释电探测元的表面附着吸收层可以使ατ增大，从而增大△T。其次，△T与热容C成反比，而物质的厚度越小，热容越小，因此通常用钽酸锂薄膜做热释电探测器元的材料。此外，△T还与热导G_T成反比，但是减小G_T会使热时间常数增大，因此一般不做考虑。

　　热释电电流是热释电探测元响应温度变化产生的热电输出。当温度恒定时，热释电晶体表面的极化电荷会被空气中的异性电荷中和异性电荷中和而无法检测。因此，热释电探测元只响应温度变化而非恒定温度。

　　热释电电流（2）

　　式中，P——热释电系数；

　　A_s——热释电元件的表面积。

　　（图1-5）描绘了热释电电流、温差和热辐射频率的函数关系。图中热辐射的脉动频率以角频率标示。热释电电流曲线是热释电电流与频率之间的关系，可以看出当频率大于O.OIHz时才有热电输出，当频率超过1Hz时，热释电电流不再增大．这是因为当热辐射频率低于0.01Hz时，热释电晶体被缓惺地彻底加热冷却，并维持在暂时的热平衡态，晶体虽然产生了较大的温差，但不会有较大的电流输出，而热辐射频率太高，晶体的热惯性会使温差降低，也会影响热释电信号的输出。

图1-5 热释电电流、温差与热辐射频率的曲线函数

　　热释电探测元的直接输出的微弱电流信号，必须经过高阻抗的前置放大器转换才能使用。（图1-6）是热释电传感器的前置放大器电路，它由一个场效应管源极跟随器构成。

图1-6 前置放大器电路

　　如图(1-6)所示的前置放大器电路中，输出电压和响应率的计算如下：

　　四、信号干扰

　　热释电传感器输出的信号受到多种噪声源的干扰，使可探测的辐射通量减少或降低传感器的信噪比，研究表明这些干扰主要来自传感器的固有噪声或周围空气流动引起的噪声，包括：

　　(1)热释电元件的介电损耗噪声，

　　(2)温度噪声，

　　(3)前置放大器的输入噪声电压，

　　(4)前置放大器的输入噪声电流，

　　(5)高兆欧电阻器的热噪声。

　　通常用比探测率来衡量传感器的信噪比，则：

　　比探测率式中，——有效噪声值，也称为噪声电压密度。

　　下表所列为各噪声源及其所对应的噪声值。这些噪声值的叠加和就是有效噪声值。

表1-1 热电传感器的主要噪声源

　　表中，A_v为电压增益。

　　理想状态下，热释电晶片与环境之间的热交换是热释电传感器唯一的噪声源．此即温度噪声。它决定了热释电情感器在室温下可达到的最高理论比探测率：

（6）

　　但在现实条件下，其他噪声源对热释电传感器的影响远大于温度噪声，图1-7所示为不同频率下，各噪声源对热释电传感器的影响。当频率小于10Hz时，有效噪声主要是高兆欧电阻器的热噪声频率在100Hz附近时，有效噪声主要是热释电元件的介电损耗噪声；当频率大于1000Hz时，有效噪声主要是前置放大器的电压噪声。

图1-7 噪声与频率的函数关系

　　五、前置放大器的设计

　　前置放大器将微弱的热释电电流转换为有效电压输出。前置放大器必须具备高增益、低噪声、抗干扰能力强的特点，以便从众多的噪声干扰中提取微弱的有用信号。国18是热释电传感器的内部电路。热释电探测元和前置放大器通常集成封装在晶体管内，以避免空气湿度使泄露电流增大。这种结构的前置放大器信噪比高，受温度影响小。

图1-8 热释电传感器电路

　　图1-8电路中的电压增益与场效应管在工作点的跨导和源极电阻有关，计算公式如下：

　　由公式(7)可知，增大源极电阻，或减小漏极电流可以提高前置放大器的电压增益。但是增大源极电阻的同时，输出电阻会变大，从而导致漏极电压升高，当源极电阻达到100Kohm时，漏极电压会升高到15V，因此源极电阻不应过大，一般不超过100Kohm，增大电压增益能降低温度对跨导的影响，提高增益的温度稳定性。

　　六、传感器的温度特性

　　环境温度的变化会影响热释电传感器内部组件的特性，使传感器的信号和噪声发生偏移．特别是温度梯度会使传感器的输出信号产生波动，增加输出的不稳定性。
温度对传感器内部组件特性的影响主要表现在：

　　1、当温度低于热释电晶体的居里温度时，热释电系数随温度升高而增大；

　　2、温度升高，场效应管的门泄露电流和输入电流噪声会大幅上升，并且共源跨导减小，夹断电压升高

　　3、温度升高会导致门电阻的阻值减小，而噪声与门电阻的平方根成反比，因此传感器噪声会随温度升高而增大。

　　4、温度升高通常会导致滤光片的透射率降低，变化的程度由滤光片的材料和涂层工艺决定。

　　以上特性的改变最终导致传感器整体性能随温度变化

　　图l-9至国1-11分别展示了热释电传感器的响应率、稳态偏置电压和噪声随温度变化的曲线关系。

图1-9 响应率随温度变化曲线

图1-11 噪声密度随温度变化曲线

图1-10 偏置电压随温度变化曲线

　　从上图可知．热释电传感器的响应率、偏置电压和噪声部随温度升高而增大，其中，响应率与温度成线性关系，偏置电压在温度越高时增加越快，噪声则在门电阻阻值越大时增加越明显。

　　七、温度补偿

　　温度梯度会使热释电传感器产生—个极大的低频信号，甚至超出前置放大器的工作范围，对前置放大器造成损坏，这种影响的程度与热释电传感器的时间常数有关，时间常数越大传感器对温度梯度越敏感。改善传感器结构，可以减小时间常数，降低温度梯度的影响，但是无法完全消除。

　　图1-12是不同门电阻的热释电传感器的偏置电压与温度梯度之间的关系。由图可知，门电阻阻值越小的传感器稳定性越高。但是，门电阻阻值的平方根与噪声成反比，当门电阻的阻值减小时，传感器的噪声会同时增大。例如，当我们通过减小门电阻的阻值使传感器的稳定性提高到原来的9倍时，传感器的比探测率也会降至原来的三分之一。

图1-12 不同门电阻的传感器的偏置电压与温度梯度之间的变化曲线

　　通常在热释电传感器内部增加温度补偿元件以提高传热释电感器的温度稳定性。将两个极性相反、特性—致的热释电探测元串联或并联在—起．其中—个作为工作元件，另—个作为补偿元件。补偿元件被完全遮蔽，因此不响应红外光，只是作为—个有效电容工作，当传感器壳体温度发生变化时，工作元件和补偿元件由此产生的干扰信号会相互抵消，因此能够提高传感器的温度稳定性。

图1-13 补偿型和非补偿型传感器偏置电压与温度梯度的变化曲线

　　图1-13是补偿型和非补偿型传感器在温度梯度的作用下偏置电压的变化曲线，从图中可以看出，增加了补偿元件后传感器的偏置电压几乎不受温度梯度的影响。

图1-14 补偿型和非补偿型传感器温度瞬变下的阶跃响应曲线

　　图1-14描绘了温度瞬变的条件下，补偿型和非补偿型传感器的阶跃响应曲线。从图中可以看出，当环境温度从25℃快速升高到40℃时，非补偿型传感器的偏压跃变非常大，与之相比，补偿型传感器的阶跃响应很小，恢复时间也短得多。需要注意的是，由于加工误差的原因，传感器的阶跃响应可能为正也可能为负。