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
- 說明紅外測溫儀測量系統(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裝置。他能無接觸地檢測人體運(yùn)動時輻射出的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信號輸出。本文介紹了一種用于快速測量人體體溫的p7187熱釋電傳感器的原理及其基本設(shè)計電路。
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情況[1]。
可見,當(dāng)紅外線照射熱釋電元件時,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,熱釋電傳感器只有在溫度變化時才有輸出電壓。
p7187熱釋電傳感器的等效電路
常見的熱釋電傳感器有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是10μm左右,而p7187對7~20μm范圍波長比較靈敏,他采用了2個熱釋電元件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電極,能敏感的捕捉到被測物體或光源,具有很高的靈敏度。這2個受光電極反向串聯(lián),可有效地防止背景波動以及干擾光照射時的誤動作(一是環(huán)境變化引起的誤動作,二是使用光調(diào)制器時的誤動作)對傳感器的影響,當(dāng)2個受光電極同時受到紅外線照射時,輸出電壓相互抵消而無輸出,只有當(dāng)人體移動時才有電壓的輸出,輸出電壓比較精確的反映了人體移動的情況。P7187等效電路如圖2[2]。
紅外測溫儀測量系統(tǒng)基本電路及參數(shù)選擇
a.電路構(gòu)成
測量系統(tǒng)基本電路如圖3所示。傳感器輸出信號經(jīng)放大、選頻濾波后,與室溫測量元件輸出進(jìn)行相加和修正,最后得到與被測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A1還兼做高通濾波器,其截止頻率為fL=0.3 Hz。
A2是一個低通濾波器,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的信號濾掉,使輸出的信號僅是經(jīng)過調(diào)制器調(diào)制的1 Hz紅外輻射信號。
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T0,被測溫體的溫度為T0時,紅外線傳感器的輸出電壓為:
由上式可知,要獲得正比于待測物體的絕對溫度的電壓V,應(yīng)將
信號加到上式中進(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,這個過程將在加法器A3中完成。A3的作用是將信號電壓與溫度校正部分的輸出進(jìn)行加法計算。
結(jié) 語
該紅外測溫儀靈敏度為20 mV/℃,分辨率優(yōu)于0.2℃,誤差在0.3℃以內(nèi);具有非接觸快速測溫的優(yōu)點,這對減少相互傳染提供了重要手段。但他僅適于被測物體與傳感器單元的距離為10 cm左右的非接觸測溫場合,并且人體表面溫度不僅跟人體溫度相關(guān),同時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。該測溫儀測量的是人體表面的溫度,應(yīng)盡量要求被測量人處在測量環(huán)境中足夠長的時間,使得被測量人的表面換熱條件相同或相近。