第六章、 熱釋電紅外傳感器及其應用

1、第六章、第六章、 熱釋電紅外傳感器及其應用熱釋電紅外傳感器及其應用 熱釋電紅外傳感器是一種被動式調(diào)制型溫度熱釋電紅外傳感器是一種被動式調(diào)制型溫度敏感器件，利用熱釋電效應工作，它是通過目標敏感器件，利用熱釋電效應工作，它是通過目標與背景的溫差來探測目標的。其響應速度雖不如與背景的溫差來探測目標的。其響應速度雖不如光子型，但由于它可在室溫下使用、光譜響應寬、光子型，但由于它可在室溫下使用、光譜響應寬、工作頻率寬，靈敏度與波長無關，容易使用。這工作頻率寬，靈敏度與波長無關，容易使用。這種探測器，靈種探測器，靈敏度高，探測面廣，是一種可靠性敏度高，探測面廣，是一種可靠性很強的探測器。因此廣泛應用于各類

2、入侵報警器，很強的探測器。因此廣泛應用于各類入侵報警器，自動開關、非接觸測溫、火焰報警器等，目前生自動開關、非接觸測溫、火焰報警器等，目前生產(chǎn)有單元、雙元、四元、產(chǎn)有單元、雙元、四元、180等傳感器和帶有等傳感器和帶有PCB控制電路的傳感器。常用的熱釋電探測器如：控制電路的傳感器。常用的熱釋電探測器如：硫酸三甘鈦（硫酸三甘鈦（TGS）探測器、鈮酸鍶鋇（）探測器、鈮酸鍶鋇（SBN）探測器、鉭酸鋰（探測器、鉭酸鋰（LiTaO3）探測器、鋯鈦酸鉛）探測器、鋯鈦酸鉛（PZT）探測器等。）探測器等。熱釋電效應：當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會熱釋電效應：當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號

3、相反的電荷。這種由于熱變化產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷。這種由于熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應。而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被空氣中通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被空氣中附集在晶體外表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化附集在晶體外表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能顯示出來。當溫度變化時，晶體結構中的電矩不能顯示出來。當溫度變化時，晶體結構中的正、負電荷重心產(chǎn)生相對位移，晶體自發(fā)極化值就正、負電荷重心產(chǎn)生相對位移，晶體自發(fā)極化值就會發(fā)生變化，在晶體表面就會產(chǎn)生電荷，對外顯示會發(fā)生變化，在晶體表面就會產(chǎn)生電荷，對外顯示電性。電性。 若溫度對時間

4、的變化率為若溫度對時間的變化率為Dt/dt，極化強度，極化強度PS 對對時間的變化率為時間的變化率為dPs/dt，它相當于外電路上流動的，它相當于外電路上流動的電流。射電極面積為電流。射電極面積為A，則信號電壓的大小為：，則信號電壓的大小為：U=ARL dPs/dt=ARL dPs/dT dT/dt，A為敏感元面積，為敏感元面積，RL為負載電阻；為負載電阻；dPs/dT為常數(shù)。為常數(shù)。1. 熱釋電紅外傳感器的結構熱釋電紅外傳感器的結構n 常見的熱釋電紅外傳感常見的熱釋電紅外傳感器的外形如圖所示。器的外形如圖所示。n熱釋電紅外傳感器由敏感熱釋電紅外傳感器由敏感元、場效應管、高阻電阻元、場效應管、

5、高阻電阻等組成，并向殼內(nèi)充入氮等組成，并向殼內(nèi)充入氮氣封裝起來，內(nèi)部結構如氣封裝起來，內(nèi)部結構如下圖所示。下圖所示。常見熱釋電紅外傳感器的外形熱釋電傳感器的內(nèi)部結構n 敏感元敏感元n敏感元用紅外熱釋電材料敏感元用紅外熱釋電材料 鋯鈦酸鉛鋯鈦酸鉛(PZT)制成制成，經(jīng)極化處理后，其剩余極化強度隨溫度，經(jīng)極化處理后，其剩余極化強度隨溫度T升高升高而下降。制作敏感元件時，將熱釋電材料制成很而下降。制作敏感元件時，將熱釋電材料制成很小的薄片，再在薄片兩面鍍上電極，構成兩個串小的薄片，再在薄片兩面鍍上電極，構成兩個串聯(lián)的、有極性的小電容。把兩個極性相反的熱釋聯(lián)的、有極性的小電容。把兩個極性相反的熱釋電敏

6、感元做在同一晶片上，由于溫度的變化影響電敏感元做在同一晶片上，由于溫度的變化影響整個晶片產(chǎn)生溫度變化時，兩個敏感元產(chǎn)生的熱整個晶片產(chǎn)生溫度變化時，兩個敏感元產(chǎn)生的熱釋電信號互相抵消，起到補償作用。釋電信號互相抵消，起到補償作用。n使用熱釋電傳感器時，通常要在使用菲涅爾透鏡使用熱釋電傳感器時，通常要在使用菲涅爾透鏡將外來紅外輻射通過透鏡會聚光于一個傳感元上將外來紅外輻射通過透鏡會聚光于一個傳感元上，它產(chǎn)生的信號不會被抵消。，它產(chǎn)生的信號不會被抵消。n 熱釋電傳感器的持點是它只在由于外界的輻射而熱釋電傳感器的持點是它只在由于外界的輻射而引起它本身的溫度變化時，才會給出一個相應的引起它本身的溫度變化

7、時，才會給出一個相應的電信號，當溫度的變化趨于穩(wěn)定后，就再沒有信電信號，當溫度的變化趨于穩(wěn)定后，就再沒有信號輸出，即熱釋電信號與它本身的溫度的變化率號輸出，即熱釋電信號與它本身的溫度的變化率成正比。因此，熱釋電傳感器只對運動的人體或成正比。因此，熱釋電傳感器只對運動的人體或物體敏感。物體敏感。 傳感器內(nèi)部接線圖 場效應管及高阻值電阻場效應管及高阻值電阻Rg 敏感元的阻值可達敏感元的阻值可達1013，因此需用場效應管進行阻，因此需用場效應管進行阻抗變換才能應用。場效應管常用抗變換才能應用。場效應管常用2SK303V3，2SK94X3等等型號，用來構成源極跟隨器。高阻值電阻型號，用來構成源極跟隨器

8、。高阻值電阻Rg的作用是釋放的作用是釋放柵極電荷，使場效應管安全正常工作，源極輸出接法時，柵極電荷，使場效應管安全正常工作，源極輸出接法時，源極電壓約源極電壓約0.4一一1.0V。如傳感器內(nèi)部接線圖如下圖所示。如傳感器內(nèi)部接線圖如下圖所示。 紅外濾光片透射曲線 濾光片濾光片(FT) PZT制成的敏感元件是一種光譜材料，能探測各種制成的敏感元件是一種光譜材料，能探測各種 波長輻射。波長輻射。為了使傳感器對人體最敏感，而對太陽、電燈光等有抗干擾性，為了使傳感器對人體最敏感，而對太陽、電燈光等有抗干擾性，傳感器采用了濾光片作窗口。濾光片是在傳感器采用了濾光片作窗口。濾光片是在Si基片上鍍多層膜制成基

9、片上鍍多層膜制成的。每個物體都能發(fā)出紅外輻射，其輻射峰值波長滿足維恩位移的。每個物體都能發(fā)出紅外輻射，其輻射峰值波長滿足維恩位移定律。定律。對于人體體溫對于人體體溫(約約36)，輻射的最長波長為，輻射的最長波長為 m=2898309=9.4m，也就是說，人體輻射在，也就是說，人體輻射在9.4m處最強，紅外濾光片處最強，紅外濾光片選取了選取了6.514m波段，能有效地選取人體的紅外輻射。紅外濾波段，能有效地選取人體的紅外輻射。紅外濾光片透射曲線如上圖所示。由圖可見，小于光片透射曲線如上圖所示。由圖可見，小于6.0m的光銳減至的光銳減至0，6.515.0m的輻射，其透射率達的輻射，其透射率達60以

10、上，因此，以上，因此，F(xiàn)T可以有效可以有效地防止、抑制電燈、太陽光的干擾，但對電燈發(fā)熱引起的紅外輻地防止、抑制電燈、太陽光的干擾，但對電燈發(fā)熱引起的紅外輻射光有時也能產(chǎn)生誤動作。熱釋電傳感器常用于防盜報警、自動射光有時也能產(chǎn)生誤動作。熱釋電傳感器常用于防盜報警、自動門、自動燈等。門、自動燈等。 2. 熱釋電紅外傳感器的應用熱釋電紅外傳感器的應用 人體探測防盜報警器人體探測防盜報警器 菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡(FRESNEL LENS) 熱釋電傳感器的前面要加菲涅爾透鏡才能增加探測距離。熱釋電傳感器的前面要加菲涅爾透鏡才能增加探測距離。菲涅爾透鏡是一種由塑料制成的特殊設計的透鏡組，它上面菲涅爾透鏡是

11、一種由塑料制成的特殊設計的透鏡組，它上面的每個單元透鏡一般都只有一個不大的視場，而相鄰的兩個的每個單元透鏡一般都只有一個不大的視場，而相鄰的兩個單元透鏡的視場既不連續(xù)，也不重疊，都相隔一個盲區(qū)。它單元透鏡的視場既不連續(xù)，也不重疊，都相隔一個盲區(qū)。它的外型如下圖所示。的外型如下圖所示。菲涅爾透鏡的外形 CE-024型菲涅爾透鏡的視場的側視圖和俯視圖如下圖型菲涅爾透鏡的視場的側視圖和俯視圖如下圖所示。當人體在這一監(jiān)視范圍內(nèi)運動時，順次地進入某一單所示。當人體在這一監(jiān)視范圍內(nèi)運動時，順次地進入某一單元透鏡的視場，又走出這一視場，熱釋電傳感器對運動的人元透鏡的視場，又走出這一視場，熱釋電傳感器對運動的

12、人體一會兒看到，一會兒看不到，再過一會又看到，之后又看體一會兒看到，一會兒看不到，再過一會又看到，之后又看不到，于是人體的紅外輻射不斷地改變熱釋電不到，于是人體的紅外輻射不斷地改變熱釋電菲涅爾透鏡的視場的溫度，使它輸出一個又的溫度，使它輸出一個又一個相應的信號。從圖示一個相應的信號。從圖示的視場圖可以看出，菲涅的視場圖可以看出，菲涅爾透鏡是有防盜盲區(qū)的，爾透鏡是有防盜盲區(qū)的，安裝在安裝在2m高處的菲涅爾透高處的菲涅爾透鏡存在著小于鏡存在著小于1m的盲區(qū)，的盲區(qū)，在圖示的黑影之下。在圖示的黑影之下。 不加菲涅爾透鏡，探不加菲涅爾透鏡，探測距離僅為測距離僅為2m左右，加上左右，加上菲涅爾透鏡后，其

13、探測距菲涅爾透鏡后，其探測距離可達離可達10米，若采用雙重米，若采用雙重反射型菲涅爾透鏡，其探反射型菲涅爾透鏡，其探測距離可達測距離可達20m以上。以上。 探測電路探測電路 人體進入探測范圍內(nèi)，傳感器的輸出信號頻率大人體進入探測范圍內(nèi)，傳感器的輸出信號頻率大約為約為0.110Hz，這頻率范圍是由菲涅爾送人體運動，這頻率范圍是由菲涅爾送人體運動速度和熱釋電傳感器本身的特性決定的。其探測電速度和熱釋電傳感器本身的特性決定的。其探測電路由檢測、放大、比較電路、延時電路與驅動電路路由檢測、放大、比較電路、延時電路與驅動電路組成。組成。 檢測放大電路：檢測放大電路由熱釋電傳感器檢測放大電路：檢測放大電路

14、由熱釋電傳感器SD02及濾波放大器及濾波放大器A1、A2等組成，具有等組成，具有4000多多倍的放大能力。倍的放大能力。 比較器電路：比較器電路：A3組成電壓比較組成電壓比較器，無報警信號時輸出低電平；當有人入侵時，器，無報警信號時輸出低電平；當有人入侵時，比較器翻轉比較器翻轉LED亮，當人體運動時則輸出一串脈亮，當人體運動時則輸出一串脈沖。沖。 延時驅動電路：延時驅動電路： 555，555和和VT2組成組成延時、驅動電路。當延時、驅動電路。當A3輸出一個正脈沖，輸出一個正脈沖，C12充充電，無脈沖電，無脈沖C12將通過將通過R17放電；若人在報警區(qū)移放電；若人在報警區(qū)移動，動，C12不斷允電

15、，當達到一定電壓時，不斷允電，當達到一定電壓時，VT1觸發(fā)觸發(fā)555，使，使VT 2導通，吸合繼電器，使其控制報警導通，吸合繼電器，使其控制報警器。器。 555組成延時電路。避免開機瞬間的誤報組成延時電路。避免開機瞬間的誤報警。警。 集成紅外探測報警器集成紅外探測報警器 被動紅外探測控制集成電路被動紅外探測控制集成電路TWH9511 TWH系列系列PIR(熱釋電傳感器熱釋電傳感器)控控制電路采用大規(guī)模制電路采用大規(guī)模CMOS數(shù)字電路及數(shù)字電路及微型元件固化封裝，具有性能指標高，微型元件固化封裝，具有性能指標高，一致性好，外圍電路簡單，安裝方便，一致性好，外圍電路簡單，安裝方便，無需調(diào)試等特點。

16、無需調(diào)試等特點。該電路按信該電路按信表表10.1.1號輸出號輸出方式方式可分為三種：可分為三種：交流供電繼交流供電繼電器輸出型電器輸出型TWH9511；交流供電可交流供電可控硅輸出型控硅輸出型TWH9512；直流供電集直流供電集電極輸出型電極輸出型TWH9513。 TWH95系列控制電路內(nèi)部設計有兩個高阻抗輸入低噪聲運算系列控制電路內(nèi)部設計有兩個高阻抗輸入低噪聲運算放大器，其總增益限制在放大器，其總增益限制在67dB之內(nèi)，靈敏度可通過外接電阻進行之內(nèi)，靈敏度可通過外接電阻進行調(diào)整。比較器為一個典型的窗口比較電路，其上下閾值經(jīng)若干次調(diào)整。比較器為一個典型的窗口比較電路，其上下閾值經(jīng)若干次選擇后，

17、確定出最佳門限值。其比較放大電路由內(nèi)部選擇后，確定出最佳門限值。其比較放大電路由內(nèi)部4V穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路供電，設有溫度補償電路，因此增益不會隨外界溫度的變化而改供電，設有溫度補償電路，因此增益不會隨外界溫度的變化而改變。這種電路能抑制熱氣團流動所產(chǎn)生的紅外干擾，誤報率低，變。這種電路能抑制熱氣團流動所產(chǎn)生的紅外干擾，誤報率低，其探測距離達其探測距離達12米以上。米以上。TWH95系列電路，均有使能控制端系列電路，均有使能控制端RD，該腳懸空時為自動狀態(tài)，接入光控元件可使電路白天待機，晚上該腳懸空時為自動狀態(tài)，接入光控元件可使電路白天待機，晚上恢復自動工作?；謴妥詣庸ぷ?。 電路內(nèi)部均有為電路內(nèi)部

18、均有為PIR預熱的開機自動延時電路，延遲時間為預熱的開機自動延時電路，延遲時間為45秒，使秒，使PIR預熱后建立穩(wěn)定的工作狀態(tài)。內(nèi)部還設置了輸出延時系預熱后建立穩(wěn)定的工作狀態(tài)。內(nèi)部還設置了輸出延時系統(tǒng)電路，統(tǒng)電路， 電路工作原理：電路工作原理： 接通電源后，電路處于開機延時狀態(tài)，接通電源后，電路處于開機延時狀態(tài)，PIR傳感器加電預熱傳感器加電預熱45秒，延時結束，電路進入自動檢測狀態(tài)。如果有人進入探測區(qū)，人秒，延時結束，電路進入自動檢測狀態(tài)。如果有人進入探測區(qū)，人體輻射的紅外線被體輻射的紅外線被PIR傳感器探測到，輸出幅度約傳感器探測到，輸出幅度約1mV，頻率在，頻率在0.37Hz(與人體移動速度及透鏡型號有關與人體移動速度及透鏡型號有關