热释电红外传感器是基于热电效应原理的热电型红外传感器，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成。

【实验目的】

(1)了解热释电探测器和菲涅尔透镜特性;

(2)学习被动式远红外探测系统光电设计和调试方法。

【实验原理】

热释电红外传感器的极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰，该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，能以非接触方式检测出物体辐射的红外线能量变化，并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器一般内置场效应管完成阻抗变换。

图23.1是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。使用时D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。

23.1 双探测元热释电红外传感器结构示意图

制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.2～20μm。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片只允许某些波长范围的红外辐射通过，可以将灯光、阳光和其他红外辐射阻断。

被动式远红外探测系统主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理及报警控制电路等几部分组成。菲涅尔透镜等光学元件可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性。信号处理电路把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，再作相应的报警或开关控制。图23.2是待测目标、菲涅尔透镜、热释电红外传感器相结合使用时的工作原理示意图。

3.2 热释电远红外探测系统工作原理示意图

菲涅尔透镜，简单地说，就是在透镜的一侧有等距的齿纹。其作用主要有两个: 一是聚焦，即将人体辐射的热释红外信号折射或反射在PⅠR(passive infrared)红外传感器上; 二是将探测区域分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式，在PⅠR红外传感器上产生变化的热释电红外信号。

菲涅尔镜片采用PE(聚乙烯)材料压制而成。镜片表面刻录了一圈圈由小到大、向外由浅至深的同心圆，从剖面看似锯齿。圆环线多而密、感应角度大，则焦距远; 圆环线刻录得深、感应距离远，则焦距近。红外光线越是靠近同心环，光线越集中且越强。同一行的数个同心环组成一个垂直感应区，同心环之间组成一个水平感应段。垂直感应区越多，则垂直感应角度越大; 镜片越长感应段越多，则水平感应角度就越大。区段数量多被感应人体移动幅度就小，区段数量少被感应人体移动幅度就大些。不同区的同心圆之间相互交错，可减少区段之间的盲区。由于镜片受到红外探头视场角度的制约，垂直和水平感应角度有限，镜片面积也有限。镜片从外观分为长形、方形、圆形，从功能分为单区多段、双区多段、多区多段。

热释电远红外探测系统的信号处理电路如图23.3所示。当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号。该信号经OA1作第一级放大，经OA2作第二级放大和直流偏移，经OA3和OA4进行双限比较，最后控制报警指示灯。

【实验仪器】

CA9005信息光电子综合实验系统，实验用电路板，连接电线、热释电探头、示波器

【实验内容及步骤】

(1)光路和电路准备

①将菲涅尔透镜扣入热释电远红外传感器，将传感器模块用75mm支架固定于光学平台中心偏右15cm位置，感光窗口正对左方。连接电源传感器电源至主机DC1端口，连接信号至实验电路板S1端口。

②将实验电路板电源连接至主机DC2端口。(www.daowen.com)

③按实验电路图连接线路。

(2)电路调试

①检查电路连接无误后打开主机电源，再打开实验电路板电源开关，此时红色电源指示灯亮。

②在传感器左侧晃动手臂产生运动的远红外辐射，用示波器观察OA1输出信号(S6)，调节R1和R2参数，使得OA1输出信号摆幅最大。

③调节R10，使得OA2同相端电压(S9)为2.5V。

④调节R3和R4参数，使得OA2输出信号摆幅最大。

⑤逆时针调节R7到底。

⑥调节R5设置比较器上限电压为2.8V，调节R6设置比较器下限电压为2.2V，用示波器观察OA3输出信号(S16)和OA4输出信号(S17)，在手臂晃动时应有高电平出现，此时报警指示灯被点亮。

⑦调节R7可以改变报警指示灯延时时间。

⑧改变OA1和OA2增益，改变比较器上下限电压，可以改善探测灵敏度和可靠性，记录最大探测距离。

⑨拿掉菲涅尔透镜，观察探测性能的变化。

【思考题】

(1)在本实验中，菲涅尔透镜的主要作用是什么?

(2)被动式远红外探测系统主要由哪几个部分构成?

(3)本实验中如何提高红外探测系统感知的灵敏度?

【注意事项】

(1)电路连好必须经教师检查后才能接通电源，以防短路而造成仪器损坏。

(2)禁止用手直接触摸仪器的感光窗口。