第7章紅外熱釋電傳感器宋玉宏主要內容概述熱釋電效應被動式熱釋電紅外傳感器的工作原理與特性被動式熱釋電紅外探頭的優缺點熱釋電紅外傳感器應用電路一、概述熱釋電紅外傳感器是一種非常有應用潛力的傳感器。它能檢測人或某些動物發射的紅外線并轉換成電信號輸出。早在1938年，有人就提出利用熱釋電效應探測紅外輻射，但并未受到重視。直到六十年代，隨著激光、紅外技術的迅速發展，才又推動了對熱釋電效應的研究和對熱釋電晶體的應用開發。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器，因其價格低廉、技術性能穩定而受到廣大用戶和專業人士的歡迎，廣泛應用于各種自動化控制裝置中，既可作為紅外激光的一種較理想的探測器，又可適用于防盜報警、來客告知及非接觸開關等紅外領域。除了在眾所周知的摟道自動開關、防盜報警上得到應用外，在更多的領域應用前景看好。

二、熱釋電效應當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產生數量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化產生的電極化現象，被稱為熱釋電效應。二、熱釋電效應通常，晶體自發極化所產生的束縛電荷被來自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發極化電矩不能表現出來。通常，晶體自發極化所產生的束縛電荷被來自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發極化電矩不能表現出來。二、熱釋電效應能產生熱釋電效應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、熱釋電效應熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應，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，元件兩個表面做成電極，當傳感器監測范圍內溫度有ΔT的變化時，熱釋電效應會在兩個電極上會產生電荷ΔQ，即在兩電極之間產生一微弱電壓ΔV。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個場效應管進行阻抗變換。二、熱釋電效應熱釋電效應所產生的電荷ΔQ會跟空氣中的離子所結合而消失，當環境溫度穩定不變時，ΔT=0，傳感器無輸出。當人體進入檢測區時，因人體溫度與環境溫度有差別，產生ΔT，則有信號輸出；若人體進入檢測區后不動，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出，所以這種傳感器能檢測人體或者動物的活動。二、熱釋電效應熱釋電紅外傳感器的結構及內部電路見圖所示。傳感器主要有外殼、濾光片、熱釋電元件PZT、場效應管FET等組成。二、熱釋電效應其中，濾光片設置在窗口處，組成紅外線通過的窗口。濾光片為6um多層膜干涉濾光片，對太陽光和熒光燈光的短波長（約5um以下）可很好濾除。二、熱釋電效應熱釋電元件PZT將波長在8um～12um之間的紅外信號的微弱變化轉變為電信號，為了只對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，使環境的干擾受到明顯的抑制作用。二、熱釋電效應菲涅耳透鏡根據菲涅耳原理制成，把紅外光線分成可見區和盲區，同時又有聚焦的作用，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，將熱釋的紅外信號折射（反射）在PIR上；二是將檢測區內分為若干個明區和暗區，使進入檢測區的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產生變化熱釋紅外信號，這樣PIR就能產生變化電信號。二、熱釋電效應在熱電元件接上適當的電阻，當元件受熱時，電阻上就有電流流過，在兩端得到電壓信號。三、被動式熱釋電紅外傳感器的工作原理與特性在自然界，任何高于絕對溫度（-273K）的物體都將產生紅外光譜，不同溫度的物體釋放的紅外能量的波長是不一樣的，因此紅外波長與溫度的高低是相關的，而且輻射能量的大小與物體表面溫度有關。三、被動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，會發出10um左右特定波長的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發射的紅外線而進行工作的。紅外線通過菲涅耳濾光片增強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就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后經檢測處理后就能產生報警信號。三、被動式熱釋電紅外傳感器的工作原理與特性

被動紅外探頭，其傳感器包含兩個互相串聯或并聯的熱釋電元件，而且制成的兩個電極化方向正好相反（側視圖C），環境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產生釋電效應相互抵消，于是探測器無信號輸出三、被動式熱釋電紅外傳感器的工作原理與特性傳感器內部由光學濾鏡、場效應管、紅外感應源(熱釋電元件)、偏置電阻、EMI電容等元器件組成光學濾鏡的主要作用是只允許波長在10μm左右的紅外線(人體發出的紅外線波長)通過，而將燈光、太陽光及其他輻射濾掉，以抑制外界的干擾。一旦有人侵入探測區域內，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，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，經處理電路處理后輸出控制信號。紅外感應源通常由兩個串聯或者并聯的熱釋電元件組成，這兩個熱釋電元件的電極相反，環境背景輻射對兩個熱釋電元件幾乎具有相同的作用，使其產生的熱釋電效應相互抵消，輸出信號接近為零。四、被動式熱釋電紅外探頭的優缺點不同于主動式紅外傳感器，被動紅外傳感器本身不發任何類型的輻射，隱蔽性好，器件功耗很小，價格低廉。但是，被動式熱釋電傳感器也有缺點，如：①信號幅度小，容易受各種熱源、光源干擾；②被動紅外穿透力差，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環境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度明顯下降，有時造成短時失靈；⑤被動紅外探測器的主要檢測的運動方向為橫向運動方向，對徑向方向運動的物體檢測能力比較差。五、熱釋電紅外傳感器應用電路由于PIR信號變化緩慢、幅值小，針對該特點，信號一般分為三步處理，以專用芯片PT8A26XXP為例，具體處理步驟如下：①濾波放大普通PIR傳感器輸出信號幅值一般都很小，大約幾百微伏到幾毫伏，為了后續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，由于是處理模擬小信號，所以為了保證放大器的工作穩定可靠，電路中特別集成了一個穩壓器用于給傳感器、放大器和比較器供電。五、熱釋電紅外傳感器應用電路②窗口比較器經過放大后的信號通過窗口比較器后檢出滿足幅值要求的信號后，再轉換成一系列數字脈沖信號。五、熱釋電紅外傳感器應用電路③噪聲抑制數字信號處理根據對人體運動特點以及傳感器的特性的長期研究，用固定時間內計脈沖個數和測脈沖寬度的方法來甄別有效的人體信號，這里由系統振蕩器提供時鐘源（16kHz）。具體判別方法如下：判別操作限制在2s內；脈沖寬度低于24ms的都算作噪聲，不予處理；單個有效脈沖：寬度必須大于340ms；雙脈沖，其中寬的必須大于160ms，窄的大于24ms；三個脈沖有效，每個都必須大于24ms。五、熱釋電紅外傳感器應用電路經過上述三步處理后就能準確、可靠地判斷人體信號。根據具體應用場合實現既定控制，例如報警器自動告警，自動開啟某個設備。1、嬰幼兒睡眠狀況告知器電路2、樓道照明開關電路3、人體遙感燈光/門鈴電路4、紅外傳感信號處理器BISS00011、嬰幼兒睡眠狀況告知器電路RDP-18是國產的紅外熱釋電的探測組件，在探測區域內有手、腳或身子等輕輕地人體運動，紅外探測組件中可重復觸發的延時定時器（RC定時元件）便會被啟動或維持啟動后的狀態。啟動的定時器同進驅使內部的開路輸出晶體管導通。VT1通過RDP獲得偏置，VT1導通，音樂集成塊KD-9300以及由三極管VT2等組成的振蕩電路得電，結果向空中發射出電磁波。在50M范圍內只要利用調頻收音機就可聽到音樂聲。電路中，VT2，電感L，電容C3、C6、C7等組成了電容三點式振蕩器，產生等幅超高頻振蕩。音樂集成塊輸出的音頻信號，通過C2加到VT2的基極，實現調頻，調制后的超高頻信號由L抽頭引出，經C4由天線發射出去。發射頻率在88~108MHz調頻段。當嬰兒睡沉后，RDP-18就探測不到人體的活動信息，內部定時器延時一過便會復位，并將輸出晶體管截止。于是VT1也截止，對應音樂集成塊以及VT2振蕩器斷電，調頻收音機中不再發出音樂聲，只有輕輕的“沙沙”聲。2、樓道照明開關電路此照明開關裝于樓道出入口，夜晚，行人由樓道口出入時，照明燈自動點亮一段時間后熄滅。白天，照明燈自動停止工作。主要元件是一片熱釋電紅外探測模塊HN911L和一只V-MOS管。HN911L內部集成了高靈敏度紅外傳感器PIR、放大器、信號處理電路、輸出電路等，能夠遙測人體移動時所發出的微弱紅外信號，在輸出端得到放大后的電信號。V-MOS場效應管輸入阻抗極高，接在柵源間的電容充電后，電容電壓可保持很長時間，在此期間，V-MOS管導通。利用這一特點，可實現延時功能。經過降壓、整流、穩壓、濾波后得到12V。再經過R2降壓、DW3穩壓、C3濾波后得到6V電壓。作IC1電源。當IC1未探測到紅外信號時，輸出端2腳為高電平。VT1無基極偏置而截止，VT2也截止，燈泡ZD不亮