第六章、 熱釋電紅外傳感器及其應(yīng)用

1、第六章、第六章、 熱釋電紅外傳感器及其應(yīng)用熱釋電紅外傳感器及其應(yīng)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(yīng)工作，它是通過目標(biāo)敏感器件，利用熱釋電效應(yīng)工作，它是通過目標(biāo)與背景的溫差來探測目標(biāo)的。其響應(yīng)速度雖不如與背景的溫差來探測目標(biāo)的。其響應(yīng)速度雖不如光子型，但由于它可在室溫下使用、光譜響應(yīng)寬、光子型，但由于它可在室溫下使用、光譜響應(yīng)寬、工作頻率寬，靈敏度與波長無關(guān)，容易使用。這工作頻率寬，靈敏度與波長無關(guān)，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(qiáng)的探測器。因此廣泛應(yīng)用于各類

2、入侵報(bào)警器，很強(qiáng)的探測器。因此廣泛應(yīng)用于各類入侵報(bào)警器，自動開關(guān)、非接觸測溫、火焰報(bào)警器等，目前生自動開關(guān)、非接觸測溫、火焰報(bào)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(yīng)：當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會熱釋電效應(yīng)：當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，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(yīng)。而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。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(dāng)溫度變化時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的電矩不能顯示出來。當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的正、負(fù)電荷重心產(chǎn)生相對位移，晶體自發(fā)極化值就正、負(fù)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(shí)間

4、的變化率為若溫度對時(shí)間的變化率為Dt/dt，極化強(qiáng)度，極化強(qiáng)度PS 對對時(shí)間的變化率為時(shí)間的變化率為dPs/dt，它相當(dāng)于外電路上流動的，它相當(dāng)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(fù)載電阻；為負(fù)載電阻；dPs/dT為常數(shù)。為常數(shù)。1. 熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)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(yīng)管、高阻電阻元、場效應(yīng)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?dú)夥庋b起來，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如氣封裝起來，內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(qiáng)度隨溫度，經(jīng)極化處理后，其剩余極化強(qiáng)度隨溫度T升高升高而下降。制作敏感元件時(shí)，將熱釋電材料制成很而下降。制作敏感元件時(shí)，將熱釋電材料制成很小的薄片，再在薄片兩面鍍上電極，構(gòu)成兩個(gè)串小的薄片，再在薄片兩面鍍上電極，構(gòu)成兩個(gè)串聯(lián)的、有極性的小電容。把兩個(gè)極性相反的熱釋聯(lián)的、有極性的小電容。把兩個(gè)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(gè)晶片產(chǎn)生溫度變化時(shí)，兩個(gè)敏感元產(chǎn)生的熱整個(gè)晶片產(chǎn)生溫度變化時(shí)，兩個(gè)敏感元產(chǎn)生的熱釋電信號互相抵消，起到補(bǔ)償作用。釋電信號互相抵消，起到補(bǔ)償作用。n使用熱釋電傳感器時(shí)，通常要在使用菲涅爾透鏡使用熱釋電傳感器時(shí)，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(gè)傳感元上將外來紅外輻射通過透鏡會聚光于一個(gè)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(diǎn)是它只在由于外界的輻射而熱釋電傳感器的持點(diǎn)是它只在由于外界的輻射而引起它本身的溫度變化時(shí)，才會給出一個(gè)相應(yīng)的引起它本身的溫度變化

7、時(shí)，才會給出一個(gè)相應(yīng)的電信號，當(dāng)溫度的變化趨于穩(wěn)定后，就再沒有信電信號，當(dāng)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(yùn)動的人體或成正比。因此，熱釋電傳感器只對運(yùn)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(yīng)管及高阻值電阻場效應(yīng)管及高阻值電阻Rg 敏感元的阻值可達(dá)敏感元的阻值可達(dá)1013，因此需用場效應(yīng)管進(jìn)行阻，因此需用場效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換才能應(yīng)用。場效應(yīng)管常用抗變換才能應(yīng)用。場效應(yīng)管常用2SK303V3，2SK94X3等等型號，用來構(gòu)成源極跟隨器。高阻值電阻型號，用來構(gòu)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(yīng)管安全正常工作，源極輸出接法時(shí)，柵極電荷，使場效應(yīng)管安全正常工作，源極輸出接法時(shí)，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(gè)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(gè)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(qiáng)，紅外濾光片處最強(qiáng)，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(dá)的輻射，其透射率達(dá)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(shí)也能產(chǎn)生誤動作。熱釋電傳感器常用于防盜報(bào)警、自動射光有時(shí)也能產(chǎn)生誤動作。熱釋電傳感器常用于防盜報(bào)警、自動門、自動燈等。門、自動燈等。 2. 熱釋電紅外傳感器的應(yīng)用熱釋電紅外傳感器的應(yīng)用 人體探測防盜報(bào)警器人體探測防盜報(bào)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的透鏡組，它上面的每個(gè)單元透鏡一般都只有一個(gè)不大的視場，而相鄰的兩個(gè)的每個(gè)單元透鏡一般都只有一個(gè)不大的視場，而相鄰的兩個(gè)單元透鏡的視場既不連續(xù)，也不重疊，都相隔一個(gè)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(gè)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(cè)視圖和俯視圖如下圖型菲涅爾透鏡的視場的側(cè)視圖和俯視圖如下圖所示。當(dāng)人體在這一監(jiān)視范圍內(nèi)運(yùn)動時(shí)，順次地進(jìn)入某一單所示。當(dāng)人體在這一監(jiān)視范圍內(nèi)運(yùn)動時(shí)，順次地進(jìn)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(yùn)動的人元透鏡的視場，又走出這一視場，熱釋電傳感器對運(yùn)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(gè)又的溫度，使它輸出一個(gè)又一個(gè)相應(yīng)的信號。從圖示一個(gè)相應(yīng)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(dá)離可達(dá)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(dá)測距離可達(dá)20m以上。以上。 探測電路探測電路 人體進(jìn)入探測范圍內(nèi)，傳感器的輸出信號頻率大人體進(jìn)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(yùn)動，這頻率范圍是由菲涅爾送人體運(yùn)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(shí)電路與驅(qū)動電路路由檢測、放大、比較電路、延時(shí)電路與驅(qū)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(bào)警信號時(shí)輸出低電平；當(dāng)有人入侵時(shí)，器，無報(bào)警信號時(shí)輸出低電平；當(dāng)有人入侵時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)比較器翻轉(zhuǎn)LED亮，當(dāng)人體運(yùn)動時(shí)則輸出一串脈亮，當(dāng)人體運(yùn)動時(shí)則輸出一串脈沖。沖。 延時(shí)驅(qū)動電路：延時(shí)驅(qū)動電路： 555，555和和VT2組成組成延時(shí)、驅(qū)動電路。當(dāng)延時(shí)、驅(qū)動電路。當(dāng)A3輸出一個(gè)正脈沖，輸出一個(gè)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(bào)警區(qū)移放電；若人在報(bào)警區(qū)移動，動，C12不斷允電

15、，當(dāng)達(dá)到一定電壓時(shí)，不斷允電，當(dāng)達(dá)到一定電壓時(shí)，VT1觸發(fā)觸發(fā)555，使，使VT 2導(dǎo)通，吸合繼電器，使其控制報(bào)警導(dǎo)通，吸合繼電器，使其控制報(bào)警器。器。 555組成延時(shí)電路。避免開機(jī)瞬間的誤報(bào)組成延時(shí)電路。避免開機(jī)瞬間的誤報(bào)警。警。 集成紅外探測報(bào)警器集成紅外探測報(bào)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(biāo)高，微型元件固化封裝，具有性能指標(biāo)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(diǎn)。

16、無需調(diào)試等特點(diǎn)。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(shè)計(jì)有兩個(gè)高阻抗輸入低噪聲運(yùn)算系列控制電路內(nèi)部設(shè)計(jì)有兩個(gè)高阻抗輸入低噪聲運(yùn)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(jìn)行之內(nèi)，靈敏度可通過外接電阻進(jìn)行調(diào)整。比較器為一個(gè)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(gè)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(shè)有溫度補(bǔ)償電路，因此增益不會隨外界溫度的變化而改供電，設(shè)有溫度補(bǔ)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(tuán)流動所產(chǎn)生的紅外干擾，誤報(bào)率低，變。這種電路能抑制熱氣團(tuán)流動所產(chǎn)生的紅外干擾，誤報(bào)率低，其探測距離達(dá)其探測距離達(dá)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(shí)為自動狀態(tài)，接入光控元件可使電路白天待機(jī)，晚上該腳懸空時(shí)為自動狀態(tài)，接入光控元件可使電路白天待機(jī)，晚上恢復(fù)自動工作。恢復(fù)自動工作。 電路內(nèi)部均有為電路內(nèi)部

18、均有為PIR預(yù)熱的開機(jī)自動延時(shí)電路，延遲時(shí)間為預(yù)熱的開機(jī)自動延時(shí)電路，延遲時(shí)間為45秒，使秒，使PIR預(yù)熱后建立穩(wěn)定的工作狀態(tài)。內(nèi)部還設(shè)置了輸出延時(shí)系預(yù)熱后建立穩(wěn)定的工作狀態(tài)。內(nèi)部還設(shè)置了輸出延時(shí)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(jī)延時(shí)狀態(tài)，接通電源后，電路處于開機(jī)延時(shí)狀態(tài)，PIR傳感器加電預(yù)熱傳感器加電預(yù)熱45秒，延時(shí)結(jié)束，電路進(jìn)入自動檢測狀態(tài)。如果有人進(jìn)入探測區(qū)，人秒，延時(shí)結(jié)束，電路進(jìn)入自動檢測狀態(tài)。如果有人進(jìn)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(guān)與人體移動速度及透鏡型號有關(guān)