第7章 紅外熱釋電傳感器

第7章紅外熱釋電傳感器宋玉宏主要內(nèi)容概述熱釋電效應(yīng)被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器的工作原理與特性被動(dòng)式熱釋電紅外探頭的優(yōu)缺點(diǎn)熱釋電紅外傳感器應(yīng)用電路一、概述熱釋電紅外傳感器是一種非常有應(yīng)用潛力的傳感器。它能檢測(cè)人或某些動(dòng)物發(fā)射的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。早在1938年，有人就提出利用熱釋電效應(yīng)探測(cè)紅外輻射，但并未受到重視。直到六十年代，隨著激光、紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，才又推動(dòng)了對(duì)熱釋電效應(yīng)的研究和對(duì)熱釋電晶體的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。一、概述目前，熱釋電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)定而受到廣大用戶和專(zhuān)業(yè)人士的歡迎，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制裝置中，既可作為紅外激光的一種較理想的探測(cè)器，又可適用于防盜報(bào)警、來(lái)客告知及非接觸開(kāi)關(guān)等紅外領(lǐng)域。除了在眾所周知的摟道自動(dòng)開(kāi)關(guān)、防盜報(bào)警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域應(yīng)用前景看好。

二、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，被稱為熱釋電效應(yīng)。二、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)。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)。二、熱釋電效應(yīng)能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱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）二、熱釋電效應(yīng)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ΔT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ΔQ，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱電壓ΔV。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。二、熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷ΔQ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)，ΔT=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ΔT，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)。二、熱釋電效應(yīng)熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路見(jiàn)圖所示。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。二、熱釋電效應(yīng)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6um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5um以下）可很好濾除。二、熱釋電效應(yīng)熱釋電元件PZT將波長(zhǎng)在8um～12um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。二、熱釋電效應(yīng)菲涅耳透鏡根據(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：PassiveInfrared）靈敏度大大增加。二、熱釋電效應(yīng)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)。二、熱釋電效應(yīng)在熱電元件接上適當(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)。三、被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器的工作原理與特性在自然界，任何高于絕對(duì)溫度（-273K）的物體都將產(chǎn)生紅外光譜，不同溫度的物體釋放的紅外能量的波長(zhǎng)是不一樣的，因此紅外波長(zhǎng)與溫度的高低是相關(guān)的，而且輻射能量的大小與物體表面溫度有關(guān)。三、被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器的工作原理與特性

人體都有恒定的體溫，一般在37°C左右，會(huì)發(fā)出10um左右特定波長(zhǎng)的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的紅外線而進(jìn)行工作的。紅外線通過(guò)菲涅耳濾光片增強(qiáng)后聚集到熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。三、被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器的工作原理與特性

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)的熱釋電元件，而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反（側(cè)視圖C），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)輸出三、被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器的工作原理與特性傳感器內(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電容等元器件組成光學(xué)濾鏡的主要作用是只允許波長(zhǎng)在10μm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。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)。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。四、被動(dòng)式熱釋電紅外探頭的優(yōu)缺點(diǎn)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：①信號(hào)幅度小，容易受各種熱源、光源干擾；②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；③易受射頻輻射的干擾；④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；⑤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。五、熱釋電紅外傳感器應(yīng)用電路由于PIR信號(hào)變化緩慢、幅值小，針對(duì)該特點(diǎn)，信號(hào)一般分為三步處理，以專(zhuān)用芯片PT8A26XXP為例，具體處理步驟如下：①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，通常取增益約70dB，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。五、熱釋電紅外傳感器應(yīng)用電路②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)。五、熱釋電紅外傳感器應(yīng)用電路③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。五、熱釋電紅外傳感器應(yīng)用電路經(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。1、嬰幼兒睡眠狀況告知器電路2、樓道照明開(kāi)關(guān)電路3、人體遙感燈光/門(mén)鈴電路4、紅外傳感信號(hào)處理器BISS00011、嬰幼兒睡眠狀況告知器電路RDP-18是國(guó)產(chǎn)的紅外熱釋電的探測(cè)組件，在探測(cè)區(qū)域內(nèi)有手、腳或身子等輕輕地人體運(yùn)動(dòng)，紅外探測(cè)組件中可重復(fù)觸發(fā)的延時(shí)定時(shí)器（RC定時(shí)元件）便會(huì)被啟動(dòng)或維持啟動(dòng)后的狀態(tài)。啟動(dòng)的定時(shí)器同進(jìn)驅(qū)使內(nèi)部的開(kāi)路輸出晶體管導(dǎo)通。VT1通過(guò)RDP獲得偏置，VT1導(dǎo)通，音樂(lè)集成塊KD-9300以及由三極管VT2等組成的振蕩電路得電，結(jié)果向空中發(fā)射出電磁波。在50M范圍內(nèi)只要利用調(diào)頻收音機(jī)就可聽(tīng)到音樂(lè)聲。電路中，VT2，電感L，電容C3、C6、C7等組成了電容三點(diǎn)式振蕩器，產(chǎn)生等幅超高頻振蕩。音樂(lè)集成塊輸出的音頻信號(hào)，通過(guò)C2加到VT2的基極，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，調(diào)制后的超高頻信號(hào)由L抽頭引出，經(jīng)C4由天線發(fā)射出去。發(fā)射頻率在88~108MHz調(diào)頻段。當(dāng)嬰兒睡沉后，RDP-18就探測(cè)不到人體的活動(dòng)信息，內(nèi)部定時(shí)器延時(shí)一過(guò)便會(huì)復(fù)位，并將輸出晶體管截止。于是VT1也截止，對(duì)應(yīng)音樂(lè)集成塊以及VT2振蕩器斷電，調(diào)頻收音機(jī)中不再發(fā)出音樂(lè)聲，只有輕輕的“沙沙”聲。2、樓道照明開(kāi)關(guān)電路此照明開(kāi)關(guān)裝于樓道出入口，夜晚，行人由樓道口出入時(shí)，照明燈自動(dòng)點(diǎn)亮一段時(shí)間后熄滅。白天，照明燈自動(dòng)停止工作。主要元件是一片熱釋電紅外探測(cè)模塊HN911L和一只V-MOS管。HN911L內(nèi)部集成了高靈敏度紅外傳感器PIR、放大器、信號(hào)處理電路、輸出電路等，能夠遙測(cè)人體移動(dòng)時(shí)所發(fā)出的微弱紅外信號(hào)，在輸出端得到放大后的電信號(hào)。V-MOS場(chǎng)效應(yīng)管輸入阻抗極高，接在柵源間的電容充電后，電容電壓可保持很長(zhǎng)時(shí)間，在此期間，V-MOS管導(dǎo)通。利用這一特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)延時(shí)功能。經(jīng)過(guò)降壓、整流、穩(wěn)壓、濾波后得到12V。再經(jīng)過(guò)R2降壓、DW3穩(wěn)壓、C3濾波后得到6V電壓。作IC1電源。當(dāng)IC1未探測(cè)到紅外信號(hào)時(shí)，輸出端2腳為高電平。VT1無(wú)基極偏置而截止，VT2也截止，燈泡ZD不亮