一、引言

红外辐射这一物理现象的发现可追溯到19世纪初^[1]。但直到本世纪的50年代，红外技术才开始进入广泛应用的阶段。非接触测温技术也叫辐射测温，最早的非接触测温就是以光学高温计为代表的亮温法。以后，人们根据斯蒂芬-玻尔兹曼公式，利用黑体辐射能与热力学温度关系进行测温，这就是全辐射测温和部分辐射测温法。还有的人在光学高温计上进行改进，出现了光电高温计、红外温度计等。

非接触红外测温有以下几点优点^[2]：

（1）它的测量不干扰被测温场，不影响温场分布，从而具有较高的测量准确度。

（2）测温范围宽。在理论上无测量上限，可以测量相当高的温度。

（3）探测器的响应时间短，反应速度快，易于快速与动态测量。

（4）不必接触被测物体，操作方便。

（5）可以确定微小目标的温度。

非接触测温技术的意义是显而易见的。随着工农业、国防事业、医学的发展，对温度测量越来越迫切。在某些场合，温度测量逐步上升为主要矛盾，引起了各方面的普遍重视^[1]。例如在不停机的情况下对机械设备、电力设备、生产设备等进行温度测量；在不能造成产品的污染或损坏的情况下对生产过程中或仓库里的产品温度进行测量；在医学领域内，为了了解病人的身体状况，需对病人身体各个部分的温度进行安全的测量^[3]。在这种背景下，使用方便、可快速对物体温度进行非接触、无损测量的红外测温技术就得到了极大的发展。若测温不仅限于某一点，而是一个区域，则可以呈现温场分布的图像^[4]。

本文拟对红外测温技术的原理、热释电红外探测器、测温自动化作出详细介绍，以推动和促进对非接触式热释电红外测温技术的进一步研究和发展。

二、非接触式红外测温的原理

众所周知，凡是温度高于绝对零度的物体都可以产生红外辐射。物体所发出的红外辐射能量的强度与其温度成比例^[5]。物体温度越高，所发出的红外辐射能量越强^[1]。红外探测器经汇聚的红外光照射后产生信号，该信号传到处理电路，处理电路对其进行处理并计算出物体的温度。

设温度为T的物体，其辐出度M（辐射源在单位面积上向半球空间发射的总辐射功率，单位为W/cm²）由温度T决定。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，输出度M由下式求出:

M =s·T ⁴ (对黑体而言)

M =e·s·T ⁴

（对非黑体而言）

式中： s—斯蒂芬-玻尔兹曼常数;

e—物体表面的发射率；

T—物体热力学温度。

图1中辐射出射度随温度的增加而迅速增大是很明显的；这个增加与绝对温度的四次方成正比。故相当小的温度变化，就会引起辐射出射度很大的变化^[6]。

发射率是指被测量的物体吸收、透过和发射红外波段能量的能力，其值为0.0（极光滑的镜面）至1.0（黑体）。根据辐射源的e随波长变化的情况，辐射源可分为三类：

(1)黑体：e(l)=e=1；

(2)灰体：e(l)=e=常数（小于1）；

(3)选择性辐射体：e(l)随波长而变。

在自然界中几乎所有物体的辐射都具有选择性。具有粗糙表面的固体的选择性最小，它们可看作灰体。灰体的辐射也与黑体一样具有连续光谱，且其光谱曲线的形状与黑体类似。在相同温度下灰体和黑体具有相同的峰值波长。影响发射率的因素有：

（1） 材料的类别。一般情况下，金属材料的发射率较低，而非金属材料的发射率比较高。

（2） 温度。一般情况下，金属材料的发射率随着温度的升高而逐渐增大；非金属材料的发射率随着温度的升高而减小。

（3） 辐射波长。一般物体的发射率会随着波长的改变而变化。

（4） 物体表面的加工状况。光滑而清洁的表面发射率一般较低；粗糙的、有氧化膜的表面发射率较高。

（5） 表面涂层。发射率是物体表面状态的函数，涂层不同，发射率不同。

（6） 涂层厚薄。

三、热释电红外探测器

红外探测器是红外测温仪的重要组成部分。它可以分为热探测器和光子探测器两大类^[7]。其中，热释电探测器是热探测器中的一种，它是利用热释电效应工作的探测器，其响应速度虽不如光子型，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽^[9、10]，灵敏度与波长无关，因此其应用领域广，容易使用^[10]。常用的热释电探测器如：硫酸三甘钛（TGS）探测器、铌酸锶钡（SBN）探测器、钽酸锂（LiTaO₃）探测器、锆钛酸铅（PZT）探测器等。

图2为热释电红外传感器的结构图、电路图^[8]。传感器的敏感元为PZT，在上下两面做上电极，并在表面加一层黑色氧化膜以提高其转换效率。它的等效电路是一个在负载电阻上并联一个电容的电流发生器，其输出阻抗极高，而输出电压信号又极其微弱，故在管内附有JFET及厚膜电阻，以达到阻抗变换的目的。在管壳的顶部设有滤光镜（TO-5封装）。

热释电体的自发极化强度与温度有关。随着温度升高，自发极化强度下降。温度升高到T_c时，自发极化消失，此温度称为居里温度。温度超过居里温度，铁电体发生相变，从极化晶体变为非极化晶体，P_s变为零。

由于自发极化，在与极化轴相垂直的晶体两外表面上出现正负束缚电荷，其密度等于自发极化强度。但是这些面束缚电荷常常被晶体内部或外部的电荷所中和，因而显示不出来。因此不能在静态条件下测量自发极化。但是自由电荷中和面束缚电荷所需的时间很长，而晶体自发极化的弛豫时间很短，约10^-12s。因此当晶体经受一定频率的温度变化时其体内的自由电荷和外部杂散电荷便来不及中和变化着的面束缚电荷，因此可在动态条件下测量自发极化。

如果在热释电晶体沿极化轴的端面装上电极，那么自发极化在电极上感应的电荷量为

Q=AP _s

, 当红外辐射照射时，热释电晶体温度升高，自发极化强度降低，因而电极表面上感应电荷减少，这相当于“释放”了一部分电荷，因此称之为热释电现象。如图3所示的电路连接负载，则在红外辐射照射时，就有电流流过负载，经放大后成为输出信号。

若没有经过调制的红外辐射照射热释电晶体，使温度升高到一个新的平衡值，那么电极表面的感应电荷也变化到新的平衡值，不再“释放”电荷，也就不再输出信号。因此，热释电探测器与其他热探测器不同，它只有在温度升降的过程中才有信号输出。所以利用热释电探测器探测的红外辐射必须经过调制。

如果用调制频率为f的红外线照射热释电晶体，则晶体的温度，自发极化强度（P_s）及其引起的面束缚电荷密度均以频率f作周期变化。如果1/f小于自由电荷中和面束缚电荷所需要的时间，那么在垂直于P_s的晶体的两个端面之间就会产生开路电压。如果用负载电阻R_g把两个电极连接起来，就会有热释电电流i_s通过负载。热释电晶体自发极化强度随温度变化，使电极表面感应电荷发生变化，其等效电路如图4所示^[11]。

电流源的电流强度为I_s为：

式中：p—自发极化强度对温度变化率，称为热释电系数，

A—光敏面面积；

四、红外测温系统的设计

热释电红外自动测温系统的原理方框图如图5所示：经聚焦后的红外辐射被调制后间断地入射到探头上，输出信号经前置放大，后级放大、滤波，积分后恢复为探头所接收的红外辐射功率曲线，再经绝对值电路、峰值保持电路检测出红外辐射的最大功率，与补偿的半导体热敏传感器所测斩波片的功率，双道缓冲后经A/D转换，由CPU处理，执行显示被测物的摄氏温度。

本测温系统中最关键的是制备高灵敏度、低噪声铁电材料热释电红外传感器探头。热释电式红外传感器的输出是电荷，这并不能直接使用，要附加电阻R_g，用电压形式输出，但因电阻非常大（1~100GW），要用场效应管进行阻抗变换^[12]。若采用铁电薄膜热释电红外传感器探头，由于铁电薄膜的电阻率低，易引入各种较大的噪声，而且它对外界响应所产生的热释电电荷比体材料要小的多。因此，设计优良的高灵敏度、低噪声微电流前置放大器成为研制测温仪的关键。

前置放大器的主要作用，是以尽可能高的信噪比放大探测器的信号，并实现探测器与电路系统的阻抗匹配以及扩展探测器的频率响应。通常前放与探测器置于同一电磁屏蔽之中，以防止外界电磁干扰和探测器信号的泄漏。前放的噪声特性直接决定整个信息处理系统的噪声性能。

低噪声前置放大器的设计又称为放大器的低噪声电子设计，其关键是低噪声半导体器件（例如，双极晶体管、结型场效应管等）的选择，低噪声电子线路及其工作状态的优化设计，同时还包括减少放大器外来干扰的技术措施。在本系统中，我们只考虑如何选用合适的低噪声器件，以及优化的噪声电子线路的设计。

低噪声设计要达到的主要目的是在给定信号源（包括信号源阻抗）的条件下，使在信号工作频率范围内有最小的噪声。主要的设计内容有：

（1） 半导体器件及其工作点选择，同时还要满足信号源阻抗和放大器噪声匹配。

（2） 从信号源来看，可能有各种性质，例如，源电阻（如电阻时传感器、热电偶等），源阻抗（如电感时传感器、差动变压器等），甚至还有点抗性源（如光电传感器、压电传感器等）。从被测信号看，有低频（通常是传感器输出）、高频（通信系统）。从信号占据带宽看，有在带、宽带信号等。这些，均给低噪声电子设计带来不同的要求及不同的设计方法。其中，使噪声系数最小的设计方法仅适于源电阻及源电抗情况。

（3） 要得到良好的的噪声性能，还必须尽量避免外来的各种干扰，例如，空间的电磁干扰、电源工频干扰，以及各种用电设备干扰等。这些干扰，有时会造成比器件内部噪声更大的影响。因此，低噪声放大器要同时考虑各种抗干扰措施。

图6是本测温系统中的热释电电流前置放大电路。由于信号源是一种电容性元件，电容量在5nF~50nF之间其阻抗大约为10⁹Ω左右，热释电性可产生的电流为pA级，故在电路设计中，重点因为前置放大器的设计。信号源与放大器直接相连，中间不加任何网络，即采用直接耦合方式。在这种情况下，前置放大器必须选择低噪声器件和合适的工作点。其中JFET的型号是2SK30A，参数如下：

g_m=1.5ms， I_GSS=-nA，

I_DSS=0.3mA，V_P=-0.2V。R₁=10kΩ，R₂=20kΩ，

则场效应管的工作点为：

I_D=0.39mA, V_GS==0.78V.

在该电路中，应注意R_g的取值。它强烈的影响了样品的低频响应，并使得本来很微弱的输出信号再度衰减。但它也不能太大，否则会产生更大的噪声。从理论上来说，当R_g与样品的内阻相等时，才能使它获得最大的功率，而且不引入过量的噪

声。在实际应用中，R_g应当尽量取大些以避免过多的取用信号源电流。通常，取R_g= R_s/100，则在这种情况下测得的电流就可以认为是热释电电流。

五、红外测温的自动化

由于辐射测温本身特点所限制，电压-温度曲线只能在较小范围内近似看为直线，所以，传统的模拟式测温仪难以做到宽量程、高精度、多功能。微处理机的发展对红外测温起了很大的促进作用，使测量仪表的功能扩大，并简化了控制系统。

使用微机技术的红外测温仪，灵活性好，仪器的测温范围改变和扩大都十分方便，容易实现温度的自动控制，采用高位A/D转换，仪器的分辨率和精度可以进一步改善，稳定性和可靠性进一步提高。

清华大学用硅太阳电池作探测元件，研制出WH-11红外测温仪^[13]。考虑到测温范围内电压—温度曲线的切线的斜率在高低端相差太大，故将测温范围分为三段，同时采用高精度的12位A/D转换芯片，从而使仪器总的测量精度达到0.5%。由于辐射定律复杂，使编程困难且计算误差大，程序长而降低仪器的响应速度。他们利用单片机的查表功能，根据实测温度的电压信号，查出温度的范围，再结合线性插值法求出精确的温度值，使分辨率仅为1℃。

西北轻工业学院也研究了微机控制的红外测温技术^[14]。红外测温仪中钽酸锂（LiTaO₃）元件接收到的深埋在强噪声中的微弱信号，经闭路相敏检波锁相放大器的提取、放大、整流^[15]，其输出的模拟信号含环境温度的辐射影响，且与被测温度是非线性关系^[16]。他们应用微机技术将 16路采样开关采集的电压信号送给12位ADC1210模/数转换器，使其输出的模拟量转换为数字量，然后将该带有环境温度的被测信号的数字量输给CPU微处理机，进行数据处理、环境温度校正、黑度运算、电压温度转换，最后显示出被测物体的温度。

在他们的红外测温系统基础上，我们研制了以铁电薄膜热释电红外探测器为探测元件的具有显示度的红外测温系统，如图5所示：经聚焦后的红外辐射被调制后间断地入射到铁电薄膜热释电红外探测器上，输出信号经前置放大，后级放大、滤波，积分后恢复为探头所接收的红外辐射功率信号，再经绝对值电路、峰值保持电路检测出红外辐射的最大功率，与补偿的半导体热敏传感器所测斩波片的功率，双道缓冲后经A/D转换，由CPU处理，执行显示被测物绝对温度。

此红外测温仪可对至少1~2m远的静止物体进行测温，并能显示温度的绝对数值。在0～50℃环境下正常工作，测温范围为5～500℃，显示分辨率（R）达到1℃。测定波长（l）为8～14mm，测定视场（F）为f2.5/30mm，响应速度（v）为0.5s(90%响应)，测定精度（A）为±1℃，工作电压（U）为 DC±4.5V，工作温度（T）为-40～70℃。