中心議題：
- 介紹熱釋電效應(yīng)及p7187熱釋電傳感器的等效電路
- 說(shuō)明紅外測(cè)溫儀測(cè)量系統(tǒng)基本電路、參數(shù)選擇并得出結(jié)論
解決方案：
- 熱釋電傳感器在溫度變化時(shí)有輸出電壓
- 采用溫敏二極管的非線性作溫度補(bǔ)償
熱釋電紅外探測(cè)器是由熱釋電紅外傳感器、菲涅耳透鏡及電子電路組成的一種光電檢測(cè)裝置。他能無(wú)接觸地檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)輻射出的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。本文介紹了一種用于快速測(cè)量人體體溫的p7187熱釋電傳感器的原理及其基本設(shè)計(jì)電路。
熱釋電效應(yīng)
某些強(qiáng)介電物質(zhì)(PZT，LiTaO3等)的表面接受了紅外線的輻射能量，其表面產(chǎn)生溫度變化，隨著溫度的上升或下降，這些物質(zhì)表面上就會(huì)產(chǎn)生電荷的變化，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。圖1為晶體表面電荷隨溫度變化的移動(dòng)情況[1]。
可見(jiàn)，當(dāng)紅外線照射熱釋電元件時(shí)，其內(nèi)部極化作用發(fā)生很大的變化，其變化部分作為電荷釋放出，從外部取出該電荷就變成傳感器的輸出電壓。由此可見(jiàn)，熱釋電傳感器只有在溫度變化時(shí)才有輸出電壓。
p7187熱釋電傳感器的等效電路
常見(jiàn)的熱釋電傳感器有p2613，p3782，p7187等。根據(jù)法拉第法則，人體的體溫約為3 7℃，輻射最多紅外線的波長(zhǎng)是10μm左右，而p7187對(duì)7～20μm范圍波長(zhǎng)比較靈敏，他采用了2個(gè)熱釋電元件PZT板，PZT板表面吸收紅外線，并在受光面的內(nèi)外各自安裝取出電荷的一對(duì)電極，能敏感的捕捉到被測(cè)物體或光源，具有很高的靈敏度。這2個(gè)受光電極反向串聯(lián)，可有效地防止背景波動(dòng)以及干擾光照射時(shí)的誤動(dòng)作(一是環(huán)境變化引起的誤動(dòng)作，二是使用光調(diào)制器時(shí)的誤動(dòng)作)對(duì)傳感器的影響，當(dāng)2個(gè)受光電極同時(shí)受到紅外線照射時(shí)，輸出電壓相互抵消而無(wú)輸出，只有當(dāng)人體移動(dòng)時(shí)才有電壓的輸出，輸出電壓比較精確的反映了人體移動(dòng)的情況。P7187等效電路如圖2[2]。
紅外測(cè)溫儀測(cè)量系統(tǒng)基本電路及參數(shù)選擇
a.電路構(gòu)成
測(cè)量系統(tǒng)基本電路如圖3所示。傳感器輸出信號(hào)經(jīng)放大、選頻濾波后，與室溫測(cè)量元件輸出進(jìn)行相加和修正，最后得到與被測(cè)物體溫度成正比的輸出電壓。
b.參數(shù)選擇
傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)47μF電容耦合到同相放大器A1，A1的閉環(huán)增益為23～24之間。同時(shí)A1還兼做高通濾波器，其截止頻率為fL=0.3 Hz。
A2是一個(gè)低通濾波器，其閉環(huán)增益約為1，截止頻率為fH=7 Hz。
A1，A2分別把低于0.3 Hz和高于7 Hz的信號(hào)濾掉，使輸出的信號(hào)僅是經(jīng)過(guò)調(diào)制器調(diào)制的1 Hz紅外輻射信號(hào)。
由溫敏二極管和運(yùn)算放大器A4組成溫度補(bǔ)償部分，他檢測(cè)調(diào)制器的溫度Ta，利用溫敏二極管的非線性作溫度補(bǔ)償。
根據(jù)斯忒藩一波耳茲曼定律，當(dāng)調(diào)制器裝置溫度為T(mén)0，被測(cè)溫體的溫度為T(mén)0時(shí)，紅外線傳感器的輸出電壓為：
由上式可知，要獲得正比于待測(cè)物體的絕對(duì)溫度的電壓V，應(yīng)將
信號(hào)加到上式中進(jìn)行補(bǔ)償[3]。V(Ta)由溫度補(bǔ)償電路提供，溫度補(bǔ)償曲線可近似地看成是四次方曲線，這個(gè)過(guò)程將在加法器A3中完成。A3的作用是將信號(hào)電壓與溫度校正部分的輸出進(jìn)行加法計(jì)算。
結(jié) 語(yǔ)
該紅外測(cè)溫儀靈敏度為20 mV/℃，分辨率優(yōu)于0.2℃，誤差在0.3℃以內(nèi);具有非接觸快速測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)減少相互傳染提供了重要手段。但他僅適于被測(cè)物體與傳感器單元的距離為10 cm左右的非接觸測(cè)溫場(chǎng)合，并且人體表面溫度不僅跟人體溫度相關(guān)，同時(shí)還受體表下血液循環(huán)、導(dǎo)熱狀況和表面換熱條件等多方面因素的影響。該測(cè)溫儀測(cè)量的是人體表面的溫度，應(yīng)盡量要求被測(cè)量人處在測(cè)量環(huán)境中足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使得被測(cè)量人的表面換熱條件相同或相近。
