熱熱釋電探測(cè)器講義

熱釋電效應(yīng)當(dāng)人體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，被稱(chēng)為熱釋電效應(yīng)。能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱(chēng)之為熱釋電體或熱釋電元件。熱釋電紅外傳感器通過(guò)目標(biāo)與背景的溫差來(lái)探測(cè)目標(biāo)。一般人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)10UM左右的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的10UM左右的紅外線而進(jìn)行工作的。熱釋電紅外傳感器的特點(diǎn)是反應(yīng)速度快、靈敏度高、準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍廣、使用方便，隨著相關(guān)信號(hào)處理器性能和可靠性的不斷提高，熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測(cè)器，因其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定而受到廣大用戶(hù)和專(zhuān)業(yè)人士的歡迎一：工作原理和結(jié)構(gòu)1.1：熱釋電效應(yīng)當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，被稱(chēng)為熱釋電效應(yīng)。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來(lái)自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)電荷重心相對(duì)移位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面就會(huì)產(chǎn)生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度，圖1表示了熱釋電效應(yīng)形成的原理。?????於平街親岸?????於平街親岸T[K)澄應(yīng)迎化血成樓化了+AT[K]圖i熱釋電效應(yīng)的形成原理口能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱(chēng)之為熱釋電體或熱釋電元件，其常用的材料有單晶（LiTaO3等）、壓電陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）⑵熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應(yīng)，是一種溫度敏感傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個(gè)表面做成電極，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)溫度有厶T的變化時(shí)，熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生電荷△Q,即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱電壓△V。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷△Q會(huì)跟空氣中的離子所結(jié)合而消失，當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí)，△T=0，傳感器無(wú)輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生AT,則有信號(hào)輸出；若人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后不動(dòng)，則溫度沒(méi)有變化，傳感器也沒(méi)有輸出，所以這種傳感器能檢測(cè)人體或者動(dòng)物的活動(dòng)。1.2：被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)熱釋電紅外傳感器通過(guò)目標(biāo)與背景的溫差來(lái)探測(cè)目標(biāo)，其工作原理是利用熱釋電效應(yīng)，即在鈦酸鋇一類(lèi)晶體的上、下表面設(shè)置電極，在上表面覆以黑色膜，若有紅外線間歇地照射，其表面溫度上升AT,其晶體內(nèi)部的原子排列將產(chǎn)生變化，引起自發(fā)極化電荷，在上下電極之間產(chǎn)生電壓AU。常用的熱釋電紅外線光敏元件的材料有陶瓷氧化物和壓電晶體，如鈦酸鋇、鉭酸鋰、硫酸三甘肽及鈦鉛酸鉛等。熱釋電紅外傳感器內(nèi)部由光學(xué)濾鏡、場(chǎng)效應(yīng)管、紅外感應(yīng)源（熱釋電元件）、偏置電阻、EMI電容等元器件組成，其內(nèi)部電路框圖如圖1所示。光學(xué)濾鏡的主要作用是只允許波長(zhǎng)在10“m左右的紅外線（人體發(fā)出的紅外線波長(zhǎng)）通過(guò)，而將燈光、太陽(yáng)光及其他輻射濾掉，以抑制外界的干擾。紅外感應(yīng)源通常由兩個(gè)串聯(lián)或者并聯(lián)的熱釋電元件組成，這兩個(gè)熱釋電元件的電極相反，環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋電元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生的熱釋電效應(yīng)相互抵消，輸出信號(hào)接近為零。一旦有人侵入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過(guò)部分鏡面聚焦，并被熱釋電元件接收，由于角度不同，兩片熱釋電元件接收到的熱量不同，熱釋電能量也不同，不能完全抵消，經(jīng)處理電路處理后輸出控制信號(hào)。熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路見(jiàn)圖2所示。傳感器主要有外殼、濾光片、熱釋電元件PZT、場(chǎng)效應(yīng)管FET等組成。其中，濾光片設(shè)置在窗口處，組成紅外線通過(guò)的窗口。濾光片為6mm多層膜干涉濾光片，對(duì)太陽(yáng)光和熒光燈光的短波長(zhǎng)（約5mm以下）可很好濾除。熱釋電元件PZT將波長(zhǎng)在8mm~12mm之間的紅外信號(hào)的微弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，為了只對(duì)人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲涅耳濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的抑制作用菲涅耳透鏡（圖3）根據(jù)菲涅耳原理制成，把紅外光線分成可見(jiàn)區(qū)和盲區(qū)，同時(shí)又有聚焦的作用，使熱釋電人體紅外傳感器（PIR）靈敏度大大增加。菲涅耳透鏡折射式和反射式兩種形式，其作用一是聚焦作用，將熱釋的紅外信號(hào)折射（反射）在PIR上；二是將檢測(cè)區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入檢測(cè)區(qū)的移動(dòng)物體。能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)，這樣PIR就能產(chǎn)生變化電信號(hào)。如果我們?cè)跓犭娫由线m當(dāng)?shù)碾娮瑁?dāng)元件受熱時(shí)，電阻上就有電流流過(guò)，在兩端得到電壓信號(hào)1.3：熱釋電紅外探頭處理芯片原理一般人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)10UM左右的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的10UM左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10UM左右的紅外線通過(guò)菲尼爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，電后續(xù)電路經(jīng)檢驗(yàn)處理后即可產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。1、 這種探頭是以探測(cè)人體輻射為目標(biāo)的。所以熱釋電元件對(duì)波長(zhǎng)為10UM左右的紅外輻射必須非常敏感。2、 為了僅僅對(duì)人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲尼爾濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。3、 被動(dòng)紅外探頭，其傳感器包含兩個(gè)互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元。而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測(cè)器無(wú)信號(hào)輸出。4、 一旦人侵入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過(guò)部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經(jīng)信

號(hào)處理而報(bào)警。1.5、菲尼爾濾光片根據(jù)性能要求不同，具有不同的焦距（感應(yīng)距離），從而產(chǎn)生不同的監(jiān)控視場(chǎng)，視場(chǎng)越多，控制越嚴(yán)密。在電子防盜、人體探測(cè)器領(lǐng)域中，被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器的應(yīng)用非常廣泛，因其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定而受到廣大用戶(hù)和專(zhuān)業(yè)人士的歡迎。被動(dòng)式熱釋電紅外探頭利用特殊信號(hào)處理方法后在某些領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，有很多生產(chǎn)商根據(jù)PIR傳感器的特性設(shè)計(jì)了專(zhuān)用信號(hào)處理器，比如HOLTEKHT761X、PTIPT8A26XXP、WELTRENDWT8072,BISS0001。現(xiàn)對(duì)用芯片PT8A26XXP作一個(gè)應(yīng)用實(shí)例的介紹。圖四中陰影部分是PIR信號(hào)處理部分，有兩個(gè)運(yùn)算放大器、一個(gè)窗口比較器、一個(gè)穩(wěn)壓器、一個(gè)系統(tǒng)振蕩器和一個(gè)邏輯控制器。其它是依賴(lài)處理結(jié)果的控制部分，這里重點(diǎn)介紹PIR信號(hào)處理部分，控制部分就簡(jiǎn)單略過(guò)。由于PIR信號(hào)變化緩慢、幅值小，針對(duì)該特點(diǎn)，專(zhuān)用信號(hào)處理器一般分為三步處理，具體處理步驟如下：濾波放大普通PIR傳感器輸出信號(hào)幅值一般都很小，大約幾百微伏到幾毫伏，為了后續(xù)電路能作有效的處理，考慮到傳感器的信噪比，通常取增益 72.5dB，通帶0.3Hz~7Hz。同時(shí)，由于是處理模擬小信號(hào)，所以為了保證放大器的工作穩(wěn)定可靠，電路中特別集成了一個(gè)穩(wěn)壓器用于給傳感器、放大器和比較器供電。窗口比較器經(jīng)過(guò)放大后的信號(hào)通過(guò)窗口比較器后檢出滿(mǎn)足幅值要求的信號(hào)后，再轉(zhuǎn)換成一系列數(shù)字脈沖信號(hào)。亟叵亙卜 Z[orzr1■杯沖I亟叵亙卜 Z[orzr1■杯沖I*iWllWi卅◎F內(nèi)一9^~\Dfioi J￥比 劇：人悻感應(yīng)開(kāi)關(guān)的信號(hào)處理過(guò)程噪聲抑制數(shù)字信號(hào)處理根據(jù)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)以及傳感器的特性的長(zhǎng)期研究，用固定時(shí)間內(nèi)計(jì)脈沖個(gè)數(shù)和測(cè)脈沖寬度的方法來(lái)甄別有效的人體信號(hào)，這里由系統(tǒng)振蕩器提供時(shí)鐘源（16kHz）。具體判別方法如下：判別操作限制在2s內(nèi)；脈沖寬度低于24ms的都算作噪聲，不予處理；單個(gè)有效脈沖：寬度必須大于340ms；雙脈沖，其中寬的必須大于160ms，窄的大于24ms；三個(gè)脈沖有效，每個(gè)都必須大于24ms。經(jīng)過(guò)上述三步處理后就能準(zhǔn)確、可靠地判斷人體信號(hào)。根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)既定控制，例如報(bào)警器自動(dòng)告警，自動(dòng)開(kāi)啟某個(gè)設(shè)備。PT8A26XX系列主要是用于自動(dòng)延時(shí)開(kāi)關(guān)，其中延時(shí)可調(diào)，還可設(shè)定白天不工作。另外其它幾個(gè)公司處理器功能都基本類(lèi)似，在節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)用較廣。二：工作特性和參數(shù)不同于主動(dòng)式紅外傳感器，被動(dòng)紅外傳感器本身不發(fā)任何類(lèi)型的輻射，隱蔽性好，器件功耗很小，價(jià)格低廉。但是，被動(dòng)式熱釋電傳感器也有缺點(diǎn)，如：信號(hào)幅度小，容易受各種熱源、光源干擾；被動(dòng)紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收；易受射頻輻射的干擾；環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，探測(cè)和靈敏度明顯下降，有時(shí)造成短時(shí)失靈；被動(dòng)紅外探測(cè)器的主要檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闄M向運(yùn)動(dòng)方向，對(duì)徑向方向運(yùn)動(dòng)的物體檢測(cè)能力比較差。熱釋電紅外傳感器的主要工作參數(shù)有工作電壓（常用的熱釋電紅外傳感器工作電壓范圍為3?15V）、工作波長(zhǎng)（通常為7.5?14pm）、源極電壓（通常為0.4?1.1V，R=47kQ）、輸出信號(hào)電壓（通常大于2.0V）等。三：實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展前景熱釋電紅外傳感器的特點(diǎn)是反應(yīng)速度快、靈敏度高、準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍廣、使用方便，隨著相關(guān)信號(hào)處理器性能和可靠性的不斷提高，熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測(cè)器，因其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定而受到廣大用戶(hù)和專(zhuān)業(yè)人士的歡迎，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制