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，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。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。

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)。

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，而電荷耗盡情況正比于極化程度。

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。熱釋電元件常用的材料有單晶(LiTaO3 等)、壓電陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVFZ等)。

熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應(yīng)，這是一種對(duì)溫度敏感的傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，在元件兩個(gè)表面做成電極，在傳感器監(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)生一微弱的電壓ΔV。由于它的輸出阻抗極高，在傳感器中有一個(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ΔQ會(huì)被空氣中的離子所結(jié)合而消失，即當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí)，ΔT=0，則傳感器無(wú)輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生ΔT，則有ΔT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)有輸出了。所以這種傳感器檢測(cè)人體或者動(dòng)物的活動(dòng)傳感。

熱釋電紅外線傳感器結(jié)構(gòu)

普通熱釋電人體紅外線傳感器的外形如圖所示，D腳和S腳分別為內(nèi)部場(chǎng)效應(yīng)管的漏極和源極的引出端，G腳為內(nèi)部敏感元件的接地引出端。因S和G之間懸空，故使用時(shí)其間應(yīng)接輸出電阻R，才能輸出傳感信號(hào)。為了增強(qiáng)抗干擾能力，在此電阻上應(yīng)并一個(gè)電容C。傳感器由敏感單元、濾光窗和菲涅爾透鏡組成。

敏感單元

敏感單元的等效電路如圖所示，內(nèi)部敏感材料做成很薄的薄片，每一薄片相對(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)小電容是做在同一硅晶片上的，且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。但這兩個(gè)電容的極性是相反串聯(lián)的。這正是傳感器的獨(dú)特設(shè)計(jì)之處，因而使得它具有獨(dú)特的抗干擾性。

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)，由于C1、C2自身產(chǎn)生極化，在電容的兩端產(chǎn)生極性相反、電量相等的正、負(fù)電荷，而這兩個(gè)電容的極性是相反串聯(lián)的，所以，正、負(fù)電荷相互抵消，回路中不產(chǎn)生電流，傳感器無(wú)輸出。

當(dāng)人體靜止在傳感器的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)時(shí)，照射到C1、C2上的紅外線光能能量相等，且達(dá)到平衡，極性相反、能量相等的光電流在回路中相互抵消。傳感器仍然沒(méi)有信號(hào)輸出。同理，在燈光或陽(yáng)光下，因陽(yáng)光移動(dòng)的速度非常緩慢，C1、C2上的紅外線光能能量仍然可以看作是相等的，且在回路中相互抵消;再加上傳感器的響應(yīng)頻率很低(一般為0.1~10Hz)，即傳感器對(duì)紅外光的波長(zhǎng)的敏感范圍很窄(一般為5~15um)，因此，傳感器對(duì)它們不敏感。

當(dāng)環(huán)境溫度變化而引起傳感器本身的溫度發(fā)生變化時(shí)，因C1、C2做在同一硅晶片上，它所產(chǎn)生的極性相反、能量相等的光電流在回路中仍然相互抵消，傳感器無(wú)輸出。

只有當(dāng)人體移動(dòng)時(shí)，紅外輻射引傳感器敏感單元的兩個(gè)等效電容產(chǎn)生不同的極化電荷時(shí)，才會(huì)向外輸出電信號(hào)。所以，這種傳感器只對(duì)人體的移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)敏感，對(duì)靜止或移動(dòng)很緩慢的人體不敏感，且對(duì)可見(jiàn)光和大部分紅外線具有良好的抗干擾能力。

濾光窗

它是由一塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜而成的，濾光窗能有效地濾除7.0~14μm波長(zhǎng)以外的紅外線。例如，SCA02-1對(duì) 7.5~14μm波長(zhǎng)的紅外線的穿透量為70%，在6.5μm處時(shí)下降為65%，而在5.0μm處時(shí)陡降為0.1%，有效地保證了對(duì)人體紅外線的選擇性。

因?yàn)椋矬w發(fā)射出的紅外線輻射能，最強(qiáng)波長(zhǎng)和溫度的關(guān)系滿(mǎn)足λm×T=2989(μmk)(其中λm為最大波長(zhǎng)，T為絕對(duì)溫度)。人體的正常體溫為 36~37.5℃，即309~310.5K，其最強(qiáng)紅外線的波長(zhǎng)為λm=2989/(309~310.5)=9.67~9.64μm，中心波長(zhǎng)為9.65μm。因此，人體輻射的最強(qiáng)紅外線的波長(zhǎng)正好落在濾光窗的響應(yīng)波長(zhǎng)(7~14μm)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)光中的紅外線通過(guò)，以免引起干擾。

菲涅爾透鏡

不使用菲涅爾透鏡時(shí)傳感器的探測(cè)半徑不足2米，只有配合菲涅爾透鏡使用才能發(fā)揮最大作用。配上菲涅爾透鏡時(shí)傳感器的探測(cè)半徑可達(dá)到10米。

菲涅爾透鏡用聚乙烯塑料片制成，顏色為乳白色或黑色，呈半透明狀，但對(duì)波長(zhǎng)為10um左右的紅外線來(lái)說(shuō)卻是透明的。其外形為半球，透鏡在水平方向上分成3 個(gè)部分，每一部分在豎直方向上又等分成若干不同的區(qū)域。最上面部分的每一等份為一個(gè)透鏡單元，它們由一個(gè)個(gè)同心圓構(gòu)成，同心圓圓心在透鏡單元內(nèi)。中間和下半部分的每一等份也為分別一個(gè)透鏡單元，同樣由同心圓構(gòu)成，但同心圓圓心不在透鏡單元內(nèi)。

當(dāng)光線通過(guò)這些透鏡單元后，就會(huì)形成明暗相間的可見(jiàn)區(qū)和盲區(qū)。由于每一個(gè)透鏡單元只有一個(gè)很小的視角，視角內(nèi)為可見(jiàn)區(qū)，視角外為盲區(qū)。任何兩個(gè)相鄰?fù)哥R單元之間均以一個(gè)盲區(qū)和可見(jiàn)區(qū)相間隔，它們斷續(xù)而不重疊和交叉。這樣，當(dāng)把透鏡放在傳感器正前方的適當(dāng)位置時(shí)，運(yùn)動(dòng)的人體一旦出現(xiàn)在透鏡的前方，人體輻射出的紅外線通過(guò)透鏡后在傳感器上形成不斷交替變化的陰影區(qū)(盲區(qū))和明亮區(qū)(可見(jiàn)區(qū))，使傳感器表面的溫度不斷發(fā)生變化，從而輸出電信號(hào)。

也可以這樣理解，人體在檢測(cè)區(qū)內(nèi)活動(dòng)時(shí)，一離開(kāi)一個(gè)透鏡單元的視場(chǎng)，又會(huì)立即進(jìn)入另一個(gè)透鏡單元的視場(chǎng)，(因?yàn)橄噜復(fù)哥R單元之間相隔很近)，傳感器上就出現(xiàn)隨人體移動(dòng)的盲區(qū)和可見(jiàn)區(qū)，導(dǎo)致傳感器的溫度變化，而輸出電信號(hào)。

菲涅爾透鏡不僅可以形成可見(jiàn)區(qū)和盲區(qū)，還有聚焦作用，其焦點(diǎn)一般為5厘米左右，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況或資料提供的說(shuō)明調(diào)整菲涅爾透鏡與傳感器之間的距離，一般把透鏡固定在傳感器正前方1~5厘米的地方。

被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器的工作原理與特點(diǎn)

在自然界，任何高于絕對(duì)溫度(-273K)時(shí)物體都將產(chǎn)生紅外光譜，不同溫度的物體，其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)。

人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會(huì)發(fā)出10微米左右特定波長(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)。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，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。

被動(dòng)式熱釋電紅外探頭的優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：

1、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;

2、器件功耗很小;

3、價(jià)格低廉。

缺點(diǎn)：

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。

熱釋電紅外傳感器的應(yīng)用

熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感、熱輻射探測(cè)器等。除了在樓道自動(dòng)開(kāi)關(guān)、防盜報(bào)警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。例如：在房間無(wú)人時(shí)會(huì)自動(dòng)停機(jī)的空調(diào)機(jī)、飲水機(jī);電視機(jī)能判斷無(wú)人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺(jué)后自動(dòng)關(guān)機(jī)的電路;人靠近時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟監(jiān)視器或自動(dòng)門(mén)鈴;攝影機(jī)或數(shù)碼照相機(jī)自動(dòng)記錄動(dòng)物或人的活動(dòng);……

自動(dòng)門(mén)

在自動(dòng)門(mén)領(lǐng)域中，被動(dòng)式人體熱釋電紅外線感應(yīng)開(kāi)關(guān)的應(yīng)用非常廣泛，因其性能穩(wěn)定且能長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠工作而受到廣大用戶(hù)的歡迎，這種開(kāi)關(guān)主要由人體熱釋電紅外線傳感器、信號(hào)處理電路、控制及執(zhí)行電路、電源電路等幾部分組成。

熱釋電紅外自動(dòng)門(mén)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)處理和自動(dòng)門(mén)電路等幾部分組成。菲涅爾透鏡可以將人體輻射的紅外線聚焦到熱釋電紅外探測(cè)元上，同時(shí)也產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)，以適應(yīng)熱釋電探測(cè)元要求信號(hào)不斷變化的特性;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，為功能的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。

人體感應(yīng)燈

智能空調(diào)

智能空調(diào)能探測(cè)出室內(nèi)是否有人及人是靜止還是活動(dòng)，據(jù)此自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)機(jī)、制冷(熱)量及室溫，以達(dá)到節(jié)能和人性化的目的。

審核編輯：黃飛

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