基于热释电效应的红外人体检测

2012-12-17汉中职业技术学院辜文杰

电子世界 2012年13期

汉中职业技术学院辜文杰方宏

但凡是存在于自然界中的物体，比如人体、冰块等，只要其绝对温度高于-273℃，均会向外辐射红外线，只是其辐射出来的红外线的波长不同而已。而基于热释电效应的红外检测器就是利用人体所辐射出的红外线对人体进行检测，不分白天黑夜，不受环境限，特别适用于防盗报警的监测。

1.红外辐射

红外辐射俗称为红外线，是一种不可见光，波长在0.75-1000µm的范围内，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称为红外线，其本质是热辐射。热辐射是温度高的物体向外辐射电磁波的现象，是一种热量的传递方式。热辐射主要靠波长较长的红外线传播，因而一个炙热的物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐出来。物体温度越高，辐射出来的红外线越多，且辐射出的红外线被物体吸收后，可显著的转变为物体的热能，使物体温度升高。

红外辐射和所有电磁波一样，都是以直线的形式在空间传播，特别当其在大气中传播时，大气层会吸收不同波长的红外辐射。但是有三个波长段的红外辐射在通过大气层时透射率最高，它们是1-2.6µm、3-5µm及8-14µm（如图1所示），统称为“大气窗口”。这三个波段对利用红外线来进行探测是非常重要的，所以，红外探测的仪器一般都工作在这三个波段之内。而人体的温度为36-37℃，其向外辐射的红外波长为9-10µm，刚好位于波段之内，因而可以利用这个特点来对人体进行红外探测。

2.热释电红外人体检测的原理及仪器结构

2.1 热释电效应及器件

由于红外辐射会产生热量，引起探测器的敏感器件的表面温度发生变化，进而使其有关物理参数发生相应的变化，通过测量有关物理参数的变化就可以来确定红外探测器件所吸收的红外辐射。近年来，有一种崭露头角的这类型探测器，叫做热释电型红外探测器，其所利用的是热释电效应。

所谓的热释电效应是指某些电介质表面温度变化时，介质表面就会产生电荷的现象。电介质在电场中会发生极化现象，然而对于绝大多数介质来说，在电场除去以后，极化现象也随之消失。但有一些晶体，在外部电场去除后，仍然能保持极化状态，这就是“自发极化”，即晶体材料内部某个方向上正负电荷的中心不重合，有电偶极矩，在材料表面形成一定量的极化电荷。但由于通常其表面俘获了大气中游离的正负电荷而保持了电平衡的状态（如图2（a）所示）。但当温度升高时，这种材料内部的极化强度会降低，极化电荷急剧减少，而表面被俘获的游离的电荷变化缓慢，跟不上材料表面极化电荷的减少速度，因此在一段时间内材料表面就剩下多余的浮游电荷，相当于是材料释放出一部分电荷（如图2（b）所示）。随后，剩下的浮游电荷逐步脱离晶体表面，晶体又重新达到电平衡的状态，对外不显电性（如图2（c）所示）。

从材料温度发生变化引起极化强度变化释放出电荷到材料表面重新达到电平衡的状态时间是极短的。如果将其连接负载，则在负载中便有一个电信号输出（如图3所示），将其放大后就成了一种控制信号，利用这一原理就可制成热释电红外探测器。特别要指出的是，如果照射到热释电元件上的红外辐射持续不变，则电介质的温度会达到一个平衡状态，不再变化，则介质表面不会再释放电荷，也就不会有信号再输出。因此，对于这类热释电红外探测器，只有在红外辐射强度不断变化，使它的内部温度随之不断升降的过程中，探测器才有信号输出，而在红外辐射稳定不变的情况下，输出信号为零。而人体的红外辐射是恒定的，所以在进行人体探测的时候，必须对红外辐射进行调制，即设法使红外辐射不断变化，这样才有信号输出，才能对人体进行探测。

图1 红外辐射的波长和在大气中的透射率关系

图2 热释电效应原理图

图3 热释电晶体的应用电路

图4 内部电气连接图

图5 菲涅尔透镜

2.2 热释电红外探测器的结构及工作原理

热释电红外探测传感器可采用差动平衡结构，将两片相同的热释电元件做到同一晶片上，如图4所示反向串联，这样由于环境的影响而使整个晶片发生温度变化时，反向串联的热释电元件所产生的电荷相互抵消，探测器就无信号输出，这样可以去除掉太阳光等周围环境因素的干扰。同样，当人体静止的站在传感器的检测范围内时，两个热释电元件感受相同的红外辐射，温度升高的程度相同，产生等量电荷，由于反向串接，产生的电荷也会相互抵消，无信号输出，因而只有对人体的红外辐射进行调制，使得两个热释电元件感受的红外辐射强度不一致，温度变化不一致，才会有信号输出。那么，可以采用一组光学透镜来解决这个问题，典型的比如菲涅尔透镜，就能很好的对人体的红外辐射进行调制。

菲涅尔透镜实际上是一个透镜组，其结构如图5所示，透过它去看外部，则视场被分为一个个的小单元，小单元和小单元之间是盲区。这样，透过它所看到的视场既不连续，也不重叠。当运动的人体在透镜的视场范围内运动时，则透镜后的热释电元件一会“看得见”走过去的人，一会“看不见”…这样往复下去。那么，就可将人体恒定的红外辐射变成交变的了，从而使得热释电元件的温度不断变化。

同时，又由于两片热释电元件放置的位置相对于透镜来说角度不同，则这两片热释电元件一个“看得到”，另一个“看不到”，再一个“看得到”，另一个“看不到”，这样就使得两个热释电元件交替感受到人体的红外辐射，其温度也是交替变化，产生的电荷不会抵消，使得探测器可以有信号输出，从而实现对人体的探测。