热释电探测器
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 。
&那电何*© 0 0 0 0 ❺ © 0 @ O © © © ® 倫条杵T[K]r~S極化T+ATIKJ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。
热释电探测器介绍
热释电红外线传感器热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。
在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。
由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。
为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10~20米范围内人的行动。
菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。
当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。
人体辐射的红外线中心波长为9~10--um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20--um范围内几乎稳定不变。
在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10--um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。
被动式热释电红外探头的工作原理及特性：人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。
人体发射的10UM 左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。
红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。
1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。
所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。
红外探测器原理
红外探测器原理
红外探测器是一种能够感知红外辐射的传感器，其原理基于物体的热辐射特性。
红外辐射是指波长长于可见光的电磁辐射，通常处于0.75μm至1000μm的范围内。
红外探测器主要应用于红外成像、红外测温、红外遥控以及红外安防等领域。
红外探测器的原理主要有热释电、热电偶、焦平面阵列等几种。
热释电原理是基于物质在吸收红外辐射后产生温度升高，从而产生电荷变化的
现象。
热释电探测器的工作原理是通过将红外辐射转化为热能，再将热能转化为电能，最终得到电信号。
这种原理的探测器具有快速响应、高灵敏度的特点，但需要外部电源供电。
热电偶原理是利用两种不同材料的接触产生的塞贝克效应，当其中一种材料吸
收红外辐射时，产生的热量使得两种材料的接触点产生温差，从而产生电压信号。
热电偶探测器的优点是工作稳定、寿命长，但对环境温度变化敏感。
焦平面阵列是一种集成式的红外探测器，由多个微小的红外探测单元组成，每
个单元都能够独立感知红外辐射并转化为电信号。
焦平面阵列探测器具有高分辨率、高灵敏度和多功能集成的特点，广泛应用于红外成像领域。
除了以上几种原理外，红外探测器还可以根据探测方式分为主动式和被动式。
主动式红外探测器通过发射红外辐射并测量其反射回来的信号来实现探测，常用于红外遥控和红外测距。
被动式红外探测器则是通过感知周围环境中的红外辐射来实现探测，常用于红外安防和红外监测。
总的来说，红外探测器通过感知物体的红外辐射来实现探测，其原理多种多样，应用也十分广泛。
随着科技的不断进步，红外探测器的性能将会不断提升，为各种领域的应用提供更加可靠、高效的技术支持。
热释电探测器介绍
热释电红外线传感器热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。
在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。
由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。
为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10~20米范围内人的行动。
菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。
当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。
人体辐射的红外线中心波长为9~10--um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20--um范围内几乎稳定不变。
在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10--um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。
被动式热释电红外探头的工作原理及特性：人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。
人体发射的10UM 左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。
红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。
1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。
所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。
傅里叶红外光谱仪所用的检测器
傅里叶红外光谱仪所用的检测器
傅里叶红外光谱仪常用的检测器有以下几种：
1. 热释电探测器（Thermocouple Detector，TCD）：利用样品区域内气体的传热性质来测量样品辐射出的热量。
适用于大气气体和少量挥发性物质的检测。
2. 热导探测器（Thermal Conductivity Detector，TID）：利用样品与载气混合后导热系数的变化来检测挥发性物质和气体。
适用于空气净化、化学工业中的气体分析。
3. 红外辐射探测器（Infrared Radiation Detector，IRD）：通过监测样品产生的红外辐射信号来检测挥发性物质和气体。
适用于空间探测、地球物理以及制造业中的检测。
4. 二极管（Diode）：利用二极管受入射光电子激发发生电流变化的特性测量光谱强度。
适用于大气、气体和液体等样品的分析。
5. 红外阵列检测器（Infrared Array Detector，IAD）：利用阵列检测器对红外信号进行同时采集和转换，快速地测量样品的红外吸收光谱。
适用于生物医药、材料分析与制造等各个领域。
热探测器分类
用的要求，所以常把几个或几十个热电偶串接起来组成热电堆。热电堆可以 比热电偶提供更大的温差电动势，新型的热电堆采用薄膜技术制成，因此， 称为薄膜型热电堆。 4、热释电探测器 热释电探测器是发展较晚的一种热探测器。如今，不仅单元热释电探 测器已成熟，而且多元列阵元件也成功地获得应用。热释电探测器的探测率 比光子探测器的探测率低，但它的光谱响应宽，在室温下工作，已在红外热 成像、红外摄像管、非接触测温、入侵报警、红外光谱仪、激光测量和亚毫 米波测量等方面获得了应用，所以，它已成为一种重要的红外探测器。
热敏电阻的阻值随自身温度变化而变化。它的温度取决于吸收辐射、 工作时所加电流产生的焦耳热、环境温度和散热情况。热敏电阻基本上是用 半导体材料制成的，有负电阻温度系数（NTC）和正电阻温度系数（PTC） 两种。 热敏电阻通常为两端器件，但也有制成三端、四端的。两端器件或三 端器件属于直接加热型，四端器件属于间接加热型。热敏电阻通常都制得比 较小，外形有珠状、环状和薄片状。用负温度系数的氧化物半导体（一般是 锰、镍和钴的氧化物的混合物）制成的热敏电阻测辐射热器常为两个元件： 一个为主元件，正对窗口，接收红外辐射；另一个为补偿元件，性能与主元 件相同，彼此独立，同封装于一管壳内，不接收红外辐射，只起温度补偿作 用。 3、热电偶和热电堆 热电偶是最古老的热探测器之一，仍得到广泛的应用。热电偶是基于 温差电效应工作的。单个热电偶提供的温器常被分为四种：气动探测器（高莱管） 、热电偶或热电堆、 热敏电阻、热释电探测器。 1、气动探测器（高莱管） 利用充气容器接受热辐射后温度升高气体体积膨胀的原理，测量其容 器壁的变化来确定红外辐射的强度。这是一种比较老式的探测器，但在 1947 年经高莱改进以后的气动探测器，用光电管测量容器壁的微小变化，使灵敏 度大大提高，所以这种气动探测器又称高莱元件。 2、热敏电阻
热辐射器件(热释电探测器)
热探测器
¡¡¡¡
¡
—§6-1
1 热探测器的一般原理
热探测器的一般原理
—¡
热释电探测器
2 热释电探测器
§6-2
一热释电效应1．热释电材料
¡
2．热释电材料单畴极化
¡总的电极化矢量仍能保持下来。
s P v s P
v
¡，将在材料表面吸s P v
s
P v =s s P
v
3．热释电效应定义
¡s P v
4．热释电材料最高工作温度
¡T ↑ T ↑ ＝＝Tc Tc（居里温度时），单畴极化强＝¡¡s P
v
注意
因此，热释电器件不同于其他光电器件，在恒定辐射作用的情况下输出的信号电压为零。
只有在交变辐射的作用下才会有信号输出。
二热释电探测器的电路连接
三热释电探测器的工作原理分析1、热释电探测器的输出电流
2、热释电探测器的输出电压
L d L d R dt dT A R i V ÷øöçè
æ=´=g ¡
四热释电探测器的结构
六．常用的热释电探测器1. 硫酸三甘肽（TGS）晶体热释电器件
¡
¡2. 铌酸锶钡(SBN)¡3. 钽酸锂（LiTaO3）
¡4. 压电陶瓷热释电器件
¡l。
热释电红外传感器原理
热释电红外传感器原理
热释电红外传感器利用物体的红外辐射特性实现对目标物体的检测与监测。
它的工作原理基于热释电效应，即当物体处于不同温度时，会发射出不同强度的红外辐射。
热释电红外传感器的核心部件是由热释电材料制成的探测器。
这种材料能够感应并吸收周围环境中的红外辐射能量。
当被探测的目标物体进入传感器的检测范围内时，目标物体会通过发射红外辐射来改变周围环境的温度分布。
探测器会感知到这种变化，并将其转化为电信号输出。
热释电红外传感器通常还配备有补偿元件和信号处理电路。
补偿元件用于自动调整探测器的温度，以排除环境温度的影响。
信号处理电路则负责处理探测器输出的电信号，将其转化为可读的数字信号或控制信号。
当有人或物体进入传感器的感应范围时，热释电红外传感器会发出警报信号或触发其他相应的操作。
由于其灵敏度高、响应快，以及对环境光和声音的抵抗能力强，因此热释电红外传感器被广泛应用于安防系统、自动化控制以及简单的人体检测等领域。
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12.1.1 红外辐射
/ m
10－ 9 10－ 7 10－ 5 10－ 3 10－ 1 10
/ cm
10－ 1 10
紫可 宇 宙 射 线 射 线 X射 线 外 见 红 外 线 微 波
线光
/m
102 103 104
无 线 电波
λ=0.76～1000 μm
第12章 辐射式传感器
红外热像仪是一种用来探测目标物体的红外辐射，并通过光电转换、电信号处理 等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的高科技产品。 红外热像仪具有很高的军事应用价值和民用价值。在军事上，红外热像仪可应用 于军事夜视侦查、武器瞄具、夜视导引、红外搜索和跟踪、卫星遥感等多个领域； 在民用方面，红外热像仪可以用于材料缺陷的检测与评价、建筑节能评价、设备 状态热诊断、生产过程监控、自动测试、减灾防灾等诸多方面。
1.5～1.8μm，2.0～3.5 μm，即近、中红外波段，在白天日照条件好的时候扫描 成像常用这些波段，比如TM的5、7波段等用以探测植物含水量以及云、雪或用 于地质制图等。
3.5～5.5μm，即中红外波段，物体的热辐射较强。这一区间除了地面物体反射光 谱反射太 阳辐 射外 ， 地 面物 体也有自 身的 发射能量 。 比 如 ，NOAA 卫 星的 AVHRR传感器用3.55～3.93μm探测海面温度，获得昼夜云图。
第12章 辐射式传感器
大气的透射和大气窗口
红外辐射在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不 同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空气 中对称的双原子气体，如N2、O2、H2等不吸收红外线。而红外 线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是2～2.6μm、 3～5 μm和8～14 μm，统称它们为“大气窗口”。这三个波段 对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三 个波段（大气窗口）之内。
第12章 辐射式传感器
1. 热探测器
热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器的 敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参 数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸 收的红外辐射。
与光子探测器相比，热探测器的探测率比光子探测器的峰 值探测率低，响应时间长。但热探测器主要优点是响应波段宽， 响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方 便， 应用相当广泛。
第12章 辐射式传感器
ThermaCAM P30红外热像仪
德国英福泰克红外热像仪
FLIR夜视仪/FLIR红外热成像
第12章 辐射式传感器
长波1024×1024 QWIP照 相机的红外成像
从美国国家海洋和大气局的红外卫星云图上可以看到，美 国东区时间9月12日晚上9点15分时，飓风“伊万”的中心
距离古巴最西端东南方向190英里。
第12章 辐射式传感器
第12章 辐射式传感器
热释电效应的强弱用热释电系数来表示。 假设整个晶体的温度均匀地改变了一个小 量ΔT，则极化的改变可由下式给出：
P pT, (8.1)
式中p是热释电系数。
对于恒定辐射没有响应。
第12章 辐射式传感器
概述： AE-S708系列红外热释电传感器是利用材料的热释电效应、材料的极化强度随温 度变化而探测红外线辐射的光接收器件；具有探测度高、响应频谱宽、响应时间 短、能在室温的情况下工作不需要致冷等优点； AE-S708系列红外热释电传感器根据使用场所不同装载了不同波长的窄带滤光片 或截止型滤光片，可广泛用于各种光谱测量、辐射功率测量、非接触温度测量、 气体分析、入侵报警、火焰探测、自动照明领域。 特点：
便携式红外热像仪
第12章 辐射式传感器 红外热波无损检测技术的应用
第12章 辐射式传感器
12.1.2 红外传感器一般由光学系统、 探测器、信号调理电路及
显示单元等组成。 红外探测器是红外传感器的核心。红外探 测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探 测红外辐射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同， 分为热探测器和光子探测器两大类。
8～14μm，即远红外波段。主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探 测目标的地物温度。
0.8～2.5cm，即微波波段，由于微波穿云透雾的能力，这一区间可以全天候工作。 而且由其他窗口区间的被动遥感工作方式过渡到主动遥感的工作方式。如侧视 雷达影像，Radarsat 的卫星雷达影像等。其常用的波段为 0.8cm，3crn，5cm， 10cm，有时也可将该窗口扩展为0.05cm至300cm 波段。
第12章 辐射式传感器
热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型 和气体型。其中，热释电型探测器在热探测器中探测率最高， 频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视，发展很快。这里我 们主要介绍热释电型探测器。
第12章 辐射式传感器
热释电型红外探测器是根据热释电效应制成的，即电石、 水晶、酒石酸钾钠、钛酸钡等晶体受热产生温度变化时，其原子 排列将发生变化，晶体自然极化， 在其两表面产生电荷的现象 称为热释电效应。用此效应制成的“铁电体”， 其极化强度 （单位面积上的电荷）与温度有关。当红外辐射照射到已经极化 的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，使其极化强度降低， 表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传 感器。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生 一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢， 从而反映出入射的红外辐射的强弱，热释电型红外传感器的电压 响应率正比于入射光辐射率变化的速率。
近红外 中红外
0
3
6
远红外
极 远 红外
9
12
15
18
21
/ m
图12 – 1 电磁波谱图
第12章 辐射式传感器
第12章 辐射式传感器
大气窗口主要有：
0.3～1.3μm，即紫外、可见光、近红外波段。这一波段是摄影成像的最佳波段， 也是许多卫星传感器扫描成像的常用波段。比如，Landsat 卫星的TM 的 1～4 波 段，SPOT卫星的HRV波段等。
第12章 辐射式传感器
红外热像仪的工作原理如图8.2-10所示。光学系统收集辐射线，经滤波处理后将 景物图形聚集在探测器上，光学机械扫描包括两个扫描镜组：垂直扫描和水平扫 描。扫描器位于光学系统和探测器之间，当镜子摆动时，从物体到达探测器的光 束也随之移动，形成物点与物象互相对应。然后探测器将光学系统逐点扫描所依 次搜集的景物温度空间分布信息，变为按时序排列的电信号，经过信号处理后， 由显示器显示出可见图象—物体温度的空间分布情况。