人體熱釋電紅外線傳感器的原理和應(yīng)用

1、人體熱釋電紅外線傳感器的原理和應(yīng)用熱釋電人體紅外線傳感器是上世紀(jì)80年代末期出現(xiàn)的一種新型傳感器件。熱釋電紅外傳感器不受白天黑夜的影響，可晝夜不停地用于監(jiān)測(cè)，廣泛地用于防盜報(bào)警。本文就熱釋電人體紅外線傳感器的基本原理及應(yīng)用作以大致介紹：一、熱釋電人體紅外線傳感器的基本結(jié)構(gòu)和原理熱釋電紅外(PIR)傳感器，亦稱為熱紅外傳感器，是一種能檢測(cè)人體發(fā)射的紅外線的新型高靈敏度紅外探測(cè)元件。熱釋電傳感器實(shí)物圖如圖所示。它能以非接觸形式檢測(cè)出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。將輸出的電壓信號(hào)加以放大，便可驅(qū)動(dòng)各種控制電路，如作電源開(kāi)關(guān)控制、防盜防火報(bào)警等。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的熱釋電人體紅外線

2、傳感器主要有上海賽拉公司的SD02、PH5324,德國(guó)Perkinelmer公司的LHi954、LHi958，美國(guó)Hamastsu公司的P2288,日本NipponCeramic公司的SCA02-1、RS02D等。雖然它們的型號(hào)不一樣，但其結(jié)構(gòu)、外型和特性參數(shù)大致相同，大部分可以彼此互換使用。熱釋電紅外線傳感器由探測(cè)元、濾光窗和場(chǎng)效應(yīng)管阻抗變換器等三大部分組成，如圖下圖所示。對(duì)不同的傳感器來(lái)說(shuō)，探測(cè)元的制造材料有所不同。如SD02的敏感單元由鋯鈦酸鉛制成；P2288由LiTaO3制成。將這些材料做成很薄的薄片，每一片薄片相對(duì)的兩面各引出一根電極，在電極兩端則形成一個(gè)等效的小電容。因?yàn)檫@兩個(gè)小電

3、容是做在同一硅晶片上的，因此形成的等效小電容能自身產(chǎn)生極化，在電容的兩端產(chǎn)生極性相反的正、負(fù)電荷。傳感器中兩個(gè)電容是極性相反串聯(lián)的。謎光片正負(fù)電荷相互抵消，回路中無(wú)電流,內(nèi)時(shí)，照射到兩個(gè)電容上的紅外線光能量相等的光電流在回路中相互抵當(dāng)傳感器沒(méi)有檢測(cè)到人體輻射出的紅外線信號(hào)時(shí)，在電容兩端產(chǎn)生極性相反、電量相等的正、負(fù)電荷，所以，傳感器無(wú)輸出。當(dāng)人體靜止在傳感器的檢測(cè)區(qū)域能能量相等，且達(dá)到平衡，極性相反、消，傳感器仍然沒(méi)有信號(hào)輸出。當(dāng)人體在傳感器的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，照射到兩個(gè)電容上的紅外線能量不相等，光電流在回路中不能相互抵消，傳感器有信號(hào)輸出。綜上所述，傳感器只對(duì)移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)的人體和體溫近似人體的

4、物體起作用。濾光窗是由一塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜而成的，能夠有效地濾除7.014um波長(zhǎng)以外的紅外線。人體的正常體溫為3637.5C,即309310.5K，其輻射的最強(qiáng)的紅外線的波長(zhǎng)為入m=2989/(309310.5)=9.679.64um,中心波長(zhǎng)為9.65um,正好落在濾光窗的響應(yīng)波長(zhǎng)的中心。所以，濾光窗能有效地讓人體輻射的紅外線通過(guò)，而最大限度地阻止陽(yáng)光、燈光等可見(jiàn)光中的紅外線的通過(guò)，以免引起干擾。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場(chǎng)效應(yīng)管的目的在于完成阻抗變換。由于探測(cè)元輸出的是電荷信號(hào)，不能直接使用，因而需要將其轉(zhuǎn)換為電壓形式。場(chǎng)效應(yīng)管輸入阻抗高達(dá)104MQ,接成共漏極形式來(lái)完成阻抗

5、變換。使用時(shí)D端接電源正極，G端接電源負(fù)極，S端為信號(hào)輸出。對(duì)于移動(dòng)速度非常緩慢的物體，如陽(yáng)光，兩個(gè)電容上的紅外線光能能量仍然可以看作是相等的，在回路中相互抵消；再加上傳感器的響應(yīng)頻率很低(一般為0.110Hz)，即傳感器對(duì)紅外光的波長(zhǎng)的敏感范圍很窄(一般為515um)，因此，傳感器對(duì)它們不敏感，因而無(wú)輸出。被動(dòng)式紅外報(bào)警器主要由光學(xué)系統(tǒng)、熱釋電紅外傳感器、信號(hào)濾波和放大、信號(hào)處理和報(bào)警電路等幾部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖中，菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學(xué)原理，在探測(cè)器前方產(chǎn)生一個(gè)交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，以提高它的探測(cè)接收靈敏度。當(dāng)有人從透鏡前走過(guò)時(shí)，人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替

6、從“盲區(qū)”進(jìn)入“高靈敏區(qū)”，這樣就使接收到的紅外信號(hào)以忽強(qiáng)忽弱的脈沖形式輸入，從而加強(qiáng)其能量幅度。熱釋電紅外傳感器是報(bào)警器設(shè)計(jì)中的核心器件，它可以把人體的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以供信號(hào)處理部分使用；信號(hào)處理主要是把傳感器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、延遲、比較，為報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。圖3報(bào)警器結(jié)構(gòu)圖報(bào)警器結(jié)構(gòu)圖是將待測(cè)目標(biāo)、菲涅爾透鏡、熱釋電紅外傳感器相結(jié)合使用時(shí)的工作原理示意圖。人體輻射的紅外線中心波長(zhǎng)為910um，而探測(cè)元件的波長(zhǎng)靈敏度在0.220um范圍內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂端開(kāi)設(shè)了一個(gè)裝有濾光鏡片的窗口，這個(gè)濾光片可通過(guò)光的波長(zhǎng)范圍為710um,正好適合于人體紅外輻射的探測(cè)，而

7、對(duì)其它波長(zhǎng)的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測(cè)人體輻射的紅外線傳感器。如圖4所示。人體紅外線探測(cè)報(bào)警器本機(jī)靜態(tài)工作電流約10mA，接通電源約1分鐘后進(jìn)入守候狀態(tài)，只要有人進(jìn)入監(jiān)視區(qū)便會(huì)報(bào)警，人離開(kāi)后約1分鐘停止報(bào)警。如果將訊響器改為繼電器驅(qū)動(dòng)其它裝置即作為其它控制用。這次我們介紹的報(bào)警器是利用探測(cè)人體發(fā)出的紅外線由紅外線傳感器、信號(hào)放大電路、電壓比較器、紅外線探測(cè)傳感器IC1探測(cè)到前方人體輻射出的紅外線信號(hào)時(shí)，由IC1的腳輸出微弱的電信號(hào)，經(jīng)三極管VT1等組成第一級(jí)放大電路放大，再通過(guò)C2輸入到運(yùn)算放大器IC2中進(jìn)行高增益、低噪聲放大，此時(shí)由IC2A腳輸出的信號(hào)已足夠強(qiáng)。IC

8、2B作電壓比較器，它的第腳由R10、VD1提供基準(zhǔn)電壓，當(dāng)IC2A腳輸出的信號(hào)電壓到達(dá)IC2B的腳時(shí)，兩個(gè)輸入端的電壓進(jìn)行比較，此時(shí)IC2B的腳由原來(lái)的高電平變?yōu)榈碗娖健C4為報(bào)警延時(shí)電路，R14和C6組成延時(shí)電路，其時(shí)間約為1分鐘。當(dāng)IC3的腳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，C6通過(guò)VD2放電，此時(shí)IC4的腳變?yōu)榈碗娖?，它與IC4的腳基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)它低于其基準(zhǔn)電壓時(shí)，IC4的腳變?yōu)楦唠娖?，VT2導(dǎo)通，訊響器BL通電發(fā)出報(bào)警聲。人體的紅外線信號(hào)消失后，IC3的腳又恢復(fù)高電平輸出，此時(shí)VD2截止。由于C6兩端的電壓不能突變，故通過(guò)R14向C6緩慢充電，當(dāng)C6兩端的電壓高于其基準(zhǔn)電壓時(shí)，IC4的腳才變?yōu)榈碗娖?，時(shí)間約為1分鐘，即持續(xù)1分鐘報(bào)警。由VT3、R20、C8組成開(kāi)機(jī)延時(shí)電路，時(shí)間也約為1分鐘，它的設(shè)置主要是防止使用者開(kāi)機(jī)后立即報(bào)警，好讓使用者有足夠的時(shí)間離開(kāi)監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)可防止停電后又來(lái)電時(shí)產(chǎn)生誤報(bào)。該裝置采用912V直流電源供電，由T降壓，全橋U整流，CIO濾波，檢測(cè)電路采用IC578L06供電。本裝置交直流兩用，自動(dòng)無(wú)間斷轉(zhuǎn)換。制作時(shí)，在IC1傳