具有零点温度补偿的热释电传感电路及补偿方法技术领域
本发明涉及传感器领域，具体而言涉及一种具有零点温度补偿的热释电传感电路
及补偿方法。
背景技术
红外热释电传感器广泛用于消防、化工气体的检测并智能量化显示气体参数、红
外检测报警、红外遥控、光谱分析等领域。实际工作中由于传感器的工作环境温度变化较
大，又由于温度变化引起传感器的热输出较大，将会带来较大的测量误差。同时，温度变化
影响零点大小，继而影响到传感器的静态特性，所以必须采取措施以减少或消除温度变化
带来的影响，即必须进行零点温度补偿。
美国著名的传感器公司Kulite公司就基于相关的补偿方法研制出了一套温度补
偿系统，并已经应用于生产，但是这个系统跟一台专用的计算机捆绑销售，而且其价格十分
昂贵，每台售价大约要35万美元。在国内，近年来在这方面的理论研究也取得了很大进步。
如沈阳仪器仪表工艺研究所在国内首次解决了扩散硅力敏芯片的零点温度自补偿工艺，但
是都是苦于没有一个精确的、可方便的应用于生产实践数学模型来计算补偿电阻的大小，
难以实现在生产线上快速自动的补偿，效率不高。改善传感器结构，可以减小时间常数，降
低温度梯度的影响，但是无法完全消除。
目前红外热释电传感器的温度补偿方法过于昂贵，且补偿效果并不够理想，急需
一种具有零点温度补偿的红外热释电传感电路。
发明内容
本发明目的在于提供一种具有零点温度补偿的热释电传感电路及补偿方法，该热
释电传感电路能够有效零点温度补偿红外热释电传感器，使得红外热释电传感器的测量结
果更为精确，且成本低廉，易于推广。
本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有
利的方式发展独立权利要求的技术特征。
为达成上述目的，本发明提出一种具有零点温度补偿的热释电传感电路，所述热
释电传感电路包括用于红外探测的第一热释电探测元、用于温度补偿的第二热释电探测
元，以及用于放大探测信号的放大模块；
所述第一热释电探测元包括第一热释电晶体，以及镀在第一热释电晶体两侧的两
个金属电极；
所述第一热释电晶体两侧的金属电极被设置成通过加电极化以分别具有正、负极
性；
所述第二热释电探测元包括第二热释电晶体、镀在第二热释电晶体两侧的两个第
二金属电极，以及设置在第二热释电晶体之外的用于遮挡红外光的遮光元件；
所述第二热释电晶体两侧的金属电极被设置成通过加电极化以分别具有正、负极
性；
所述第一热释电晶体与所述第二热释电晶体结构相同；
所述放大模块包括前置放大模块和后置放大模块，其中：
所述前置放大模块为场效应管，该场效应管的栅极连接有栅极电阻，该栅极电阻
的另一端接地；该场效应管的源极连接有源极电阻，该源极电阻的另一端接电；
所述后置放大模块为电流运算放大器，其输入端与所述前置放大模块的源极连
接，用于对前置放大模块的输出结果进行放大；
所述第一热释电探测元的正极与所述第二热释电探测元的负极相连，再连接至所
述前置放大器的栅极；
所述第一热释电探测元的负极与所述第二热释电探测元的正极相连后接地；
所述第一热释电探测元的第一热释电晶体因温度变化而释放电荷，在其正极产生
的电流被定义为工作电流，该工作电流分为两部分，其中，一部分是第一热释电晶体受到红
外辐射而生成，这一部分被定义为探测电流；另一部分是第一热释电晶体因传感器壳体温
度变化而生成，这一部分被定义为第一温度电流；
所述第二热释电探测元因传感器壳体温度变化而在其正极生成的电流被定义为
第二温度电流；
所述第一温度电流和第二温度电流的差值被定义为差值电流；
所述场效应管的栅极电压分为两部分，其中，一部分是由所述探测电流流经栅极
电阻造成的探测电压，另一部分是由所述差值电流流经栅极电阻造成的差值电压；
所述热释电传感电路通过减小栅极电阻的阻值以减小所述差值电压。
进一步的实施例中，所述热释电传感电路通过增大栅极电阻的阻值以增大所述探
测电压。
进一步的实施例中，所述栅极电阻的阻值大于等于8×106千欧，且小于等于1×107
千欧。
进一步的实施例中，所述场效应管的电压增益与场效应管在工作点的跨导有关，
与源极电阻有关，按下式计算：
其中，AV为场效应管的电压增益，gfs为场效应管在工作点的跨导，RS为源极电阻的
阻值。
进一步的实施例中，所述源极电阻的阻值RS小于等于100千欧。
进一步的实施例中，所述源极电阻的阻值RS为47千欧。
进一步的实施例中，所述后置放大模块采用电流运算放大器OP1177和OPA227中的
任意一种。
本发明还提供一种采用前述具有零点温度补偿的热释电传感电路的零点温度补
偿方法，所述方法包括下列步骤：
步骤1、辐射通量为ΔΦ的调制辐射光经过透射率为τ的滤光片到达第一热释电探
测元，辐射通量τΔΦ经过第一热释电探测元表面吸收后，产生温度变化ΔT；
步骤2、第一热释电探测元将温度变化ΔT转化处理为电荷密度变化ΔQ；
步骤3、第一热释电探测元的表面电极产生的电荷密度变化ΔQ通过前置放大器处
理，转换为电压信号输出Δu。
由以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于，本发明的具有零
点温度补偿的热释电传感器，能够将温度影响降低到最小，使热释电传感器的测量结果更
为精确。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这
样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保
护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实
施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面
的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组
成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。
现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1为本发明的热释电传感电路图。
图2为本发明的具有零点温度补偿的热释电传感电路与传统非电路受温度梯度影
响比较。
图3为本发明的具有零点温度补偿的热释电传感电路与传统非温度补偿电路对瞬
变温度响应比较。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。
本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实
施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实
施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一
些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合图1，本发明所提及的热释电传感电路包括用于红外探测的第一热释电探测
元60、用于温度补偿的第二热释电探测元60’，以及用于放大探测信号的放大模块。
所述第一热释电探测元60包括第一热释电晶体，以及镀在第一热释电晶体两侧的
两个金属电极。
所述第一热释电晶体两侧的金属电极被设置成通过加电极化以分别具有正、负极
性。
所述第二热释电探测元60’包括第二热释电晶体、镀在第二热释电晶体两侧的两
个第二金属电极，以及设置在第二热释电晶体之外的用于遮挡红外光的遮光元件。
所述第二热释电晶体两侧的金属电极被设置成通过加电极化以分别具有正、负极
性。
所述第一热释电晶体与所述第二热释电晶体结构相同。
所述放大模块包括前置放大模块和后置放大模块，其中：
所述前置放大模块为场效应管T1，该场效应管T1的栅极连接有栅极电阻，其阻值
为R1，该栅极电阻的另一端接地；该场效应管的源极连接有源极电阻，其阻值为RS，该源极
电阻的另一端接电。
所述后置放大模块为电流运算放大器L，其输入端与所述前置放大模块的源极连
接，用于对前置放大模块的输出结果进行放大。
所述第一热释电探测元60的正极与所述第二热释电探测元60’的负极相连，再连
接至所述前置放大器的栅极。
所述第一热释电探测元60的负极与所述第二热释电探测元60’的正极相连后接
地。
所述第一热释电探测元60的第一热释电晶体因温度变化而释放电荷，在其正极产
生的电流被定义为工作电流，该工作电流分为两部分，其中，一部分是第一热释电晶体受到
红外辐射而生成，这一部分被定义为探测电流；另一部分是第一热释电晶体因传感器壳体
温度变化而生成，这一部分被定义为第一温度电流。
由于第二热释电探测元60’外表面设置有用于遮挡红外光的遮光元件，因此第二
热释电探测元60’不响应红外光，只是作为一个有效电容工作。当传感器壳体温度发生变化
时，所述第二热释电探测元60’因传感器壳体温度变化而在其正极生成电流，该电流被定义
为第二温度电流。
第二温度电流理论上与第一温度电流相同，但由于工艺差异，这两者之间存在一
个差值，被定义为差值电流。
由于第一热释电探测元60和第二热释电探测元60’为反极性并联，所述场效应管
的栅极电压分为两部分，其中，一部分是由所述探测电流流经栅极电阻造成的探测电压，另
一部分是由所述差值电流流经栅极电阻造成的差值电压。
所述热释电传感电路通过减小栅极电阻的阻值以减小差值电压，从而提高该热释
电传感电路的温度稳定性。
栅极电阻阻值越小的热释电传感电路稳定性越高，但是，栅极电阻阻值的平方根
与噪声成反比，当栅极电阻的阻值减小时，热释电传感电路的噪声会同时增大。例如，当我
们通过减小栅极电阻的阻值使热释电传感器的稳定性提高到原来的9倍时，热释电传感器
的探测率也会降至原来的三分之一。优选的，栅极电阻的阻值大于等于8Gohm且小于或等于
10Gohm，该栅极电阻的阻值范围能够兼顾热释电传感器稳定性及探测率。
场效应管T1的源极接有源极电阻，其阻值为RS，电压增益AV与场效应管在工作点的
跨导gfs和源极电阻的阻值RS有关，按下式计算：
由前述公式可知，增大源极电阻的阻值，或减小漏极电流可以提高场效应管T1的
电压增益AV。但是增大源极电阻的阻值的同时，输出电阻会变大，从而导致漏极电压升高，
当源极电阻的阻值达到100Kohm时，漏极电压会升高到15V，因此源极电阻的阻值不应过大，
一般不超过100Kohm。增大电压增益AV能降低温度对跨导gfs的影响，提高场效应管T1的温度
稳定性。
所述后置放大模块为电流运算放大器L，所述运算放大器采用OP1177或OPA227，
OP1177型号运算放大器L具有极低失调电压和漂移、低输入偏置电流、低噪声及低功耗特
点，运算放大器L对前置放大器的输入结果进行放大。电阻R2的阻值大小为10Kohm，电容C1
的容值为22μF，电容C2的容值为100nF，电容C3的容值为100nF。
热释电传感电路的信号处理转换可以概述为三个步骤：
步骤1、辐射通量为ΔΦ的调制辐射光到达第一热释电探测元60，辐射通量ΔΦ被
第一热释电探测元60表面吸收后，产生温度变化ΔT；
步骤2、第一热释电探测元60将温度变化ΔT转化为电荷密度变化ΔQ。
步骤3、电荷密度变化ΔQ通过前置放大器转换为电压信号Δu输出；
热转换阶段产生的转换温差ΔT越大，传感器的响应率和信噪比越高。
参见图2，温度补偿型和非温度补偿型热释电传感电路在温度梯度的作用下偏置
电压的变化不同，所述温度补偿型热释电传感电路包括的第一热释电探测元60及与其并联
的用于温度补偿的第二热释电探测元60’，所述非温度补偿型热释电传感电路不包括用于
温度补偿的第二热释电探测元60’。从图2中可以看出，增加了第二热释电探测元60’作为温
度补偿元件后，第一热释电探测元60的偏置电压几乎不受温度梯度的影响。
参见图3，温度瞬变的条件下，温度补偿型和非温度补偿型热释电传感电路的阶跃
响应曲线不同，所述温度补偿型热释电传感电路包括的第一热释电探测元60及与其并联的
用于温度补偿的第二热释电探测元60’，所述非温度补偿型热释电传感电路不包括用于温
度补偿的第二热释电探测元60’。从图3中可以看出，当环境温度从25℃快速升高到40℃时，
非温度补偿型热释传感电路的第一热释电探测元60的偏压跃变非常大，与之相比，温度补
偿型热释电传感电路的第一热释电探测元60的阶跃响应很小，恢复时间也短得多。需要注
意的是，由于加工误差的原因，传感器的阶跃响应可能为正也可能为负。
从而，本发明提出的具有零点温度补偿的热释电传感电路基本不受温度影响，在
温度瞬变的条件下也能比较快的恢复，第二热释电探测元60’能够有效补偿温度对第一热
释电探测元60造成的影响，从而保证采集信号的精确性。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技
术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因
此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。