热释电红外探测器

热释电红外探测器

热释电红外传感器是一种红外光传感器， 属于热电型器件，当热电元件PZT 受到光照时能将光能转换为热能，受热的晶体两端产生数量相等符号相反的电 荷，如果带上负载就会有电流流过，输出电压信号。

热释电效应及原理

在自然界，任何高于绝对温度（-273K ）的物体都将产生红外光谱，不同温 度的物体释放的红外能量的波长是不一样的， 因此红外波长与温度的高低是相关 的，而且辐射能量的大小与物体表面温度有关。 当一些晶体受热时，在晶体两端

将会产生数量

相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象， 被称为热释电 效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自 由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正 负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗 尽的状况正比于极化程度，图1表示了热释电效应形成的原理

图1热释电效应形成原理

热释电传感器利用的正是热释电效应， 是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧 化

物或压电晶体组件组成，组件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有 △ T 的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷 △ Q ,即在两电极之间产 生一微弱电压△ V 。

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能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电组件， 其常用的材料有单 晶（LiTaO3等）、压电陶瓷（PZT 等）及高分子薄膜（PVFZ 等）。

当以LiTaO3为代表的热释电材料处于自极化状态时，吸收红外线入射波后， 结晶的表面温度改变，自极化也发生改变，结晶表面的电荷变得不平衡，把这种 不平衡电荷的电压变化取出来，便可测出红外线。热释电材料只有在温度变化时 才产生电压，如果红外线一直照射，则没有不平衡电压，一旦无红外线照射时， 结晶表面电荷就处于不平衡状态，从而输出电压。

热释电红外线传感器因红外光线的照射与遮挡得到或失去热量， 从而产生电 压输出。从原理上讲应与波长无关，但由热释电材料做成的传感器有一个透光窗， 而透光窗的选材与波长有关系。如以 SiO2为窗材的传感器，它可以透过几乎全 部的可见光，而有的窗材只能通过 4卩m 附近波长的光，有的能透过6.1卩m 波 长的光，有的能透过8卩m~14卩m 波长的光，所以使用不同的窗材就可确认是哪 个波长的光产生的热。

热释电红外传感器内部结构

热释电红外传感器内部由光学滤镜、场效应管、红外感应源 （热释电元

件）、

偏置电阻、EMI 电容等元器件组成，其内部电路框图如图

2所示。

址学滤镜

封装内部电矗/丄° ND

图2热释电红外传感器内部电路框图

光学滤镜的主要作用是只允许波长在 10卩m 左右的红外线（人体发出的红 外

［传感器

电容

EMI £

线波长）通过，而将灯光、太阳光及其他辐射滤掉，以抑制外界的干扰。

红外感应源通常由两个串联或者并联的热释电元件组成，这两个热释电元件的电极相反，环境背景辐射对两个热释电元件几乎具有相同的作用，使其产生的热释电效应相互抵消，输出信号接近为零。一旦外界温度变化时，红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元件接收，由于角度不同，两片热释电元件接收到的热量不同，热释电能量也不同，不能完全抵消，经处理电路处理后输出控制信号。

热释电效应同压电效应类似，是指由于温度的变化而引起晶体表面电荷的现象。热释电红外传感器由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成

电极，在传感器监测范围内温度有厶T的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷△ Q，即在两电极之间产生一微弱的电压△ V。由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷△ Q会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，△ T=O，传感器无输出。

目前常用的热释电红外传感器

目前常用的热释电红外传感器型号主要有P228 LHI958、LHI954、RE200B、KDS209、PIS209、LHI878、PD632等。热释电红外传感器通常采用3引脚金属封装，各引脚分别为电源供电端（内部开关管D极，DRAIN）、信号输出端（内部开关管S极，SOURCE）、接地端（GROUND）。常见的热释电红外传感器外形如图3所示，各引脚与电路图的对应情况如图4所示。

图3常见的热释电红外传感器外形

+ V

输出

地

图4各引脚与电路图的对应情况