熱釋電紅外傳感器原理和應(yīng)用介紹

　　隨著社會(huì)的發(fā)展，各種方便于生活的自動(dòng)控制系統(tǒng)開始進(jìn)入了人們的生活，以熱釋電紅外傳感器為核心的自動(dòng)門系統(tǒng)就是其中之一。熱釋電紅外傳感器是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合慮光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。熱釋電紅外傳感器由傳感探測(cè)元、干涉濾光片和場(chǎng)效應(yīng)管匹配器三部分組成。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對(duì)其進(jìn)行極化，這樣便制成了熱釋電探測(cè)元。

　　1、熱釋電紅外傳感器原理

　　1.1熱釋電紅外傳感器的原理特性

　　熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱電偶，其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。為了抑制因自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾該傳感器在工藝上將兩個(gè)特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動(dòng)平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測(cè)出物體放出的紅外線能量變化并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。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。由于熱電元輸出的是電荷信號(hào)，并不能直接使用因而需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式該電阻阻抗高達(dá)104MΩ，故引入的N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)接成共漏形式即源極跟隨器來(lái)完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測(cè)元、干涉濾光片和場(chǎng)效應(yīng)管匹配器三部分組成。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對(duì)其進(jìn)行極化，這樣便制成了熱釋電探測(cè)元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測(cè)元也是有正、負(fù)極性的。

　　1.2 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左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強(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，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(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泥爾濾光片，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。

　　5）菲泥爾濾光片根據(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。

　　被動(dòng)式熱釋電紅外探頭的優(yōu)缺點(diǎn)：

　　優(yōu)點(diǎn)：

　　本身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好。價(jià)格低廉。

　　缺點(diǎn)：

　　1、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。

　　抗干擾性能：

　　1、防小動(dòng)物干擾

　　探測(cè)器安裝在推薦地使用高度，對(duì)探測(cè)范圍內(nèi)地面上地小動(dòng)物，一般不產(chǎn)生報(bào)警。

　　2、抗電磁干擾

　　探測(cè)器的抗電磁波干擾性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手機(jī)電磁干擾不會(huì)引起誤報(bào)。

　　3、抗燈光干擾

　　探測(cè)器在正常靈敏度的范圍內(nèi)，受3米外H4鹵素?zé)敉高^玻璃照射，不產(chǎn)生報(bào)警。

　　紅外線熱釋電傳感器的安裝要求：

　　紅外線熱釋電人體傳感器只能安裝在室內(nèi)，其誤報(bào)率與安裝的位置和方式有極大的關(guān)系。正確的安裝應(yīng)滿足下列條件：

　　1、紅外線熱釋電傳感器應(yīng)離地面2.0-2.2米。

　　2、紅外線熱釋電傳感器遠(yuǎn)離空調(diào)， 冰箱，火爐等空氣溫度變化敏感的地方。

　　3、紅外線熱釋電傳感器探測(cè)范圍內(nèi)不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔離物。

　　4、紅外線熱釋電傳感器不要直對(duì)窗口，否則窗外的熱氣流擾動(dòng)和人員走動(dòng)會(huì)引起誤報(bào)，有條件的最好把窗簾拉上。紅外線熱釋電傳感器也不要安裝在有強(qiáng)氣流活動(dòng)的地方。

　　紅外線熱釋電傳感器對(duì)人體的敏感程度還和人的運(yùn)動(dòng)方向關(guān)系很大。紅外線熱釋電傳感器對(duì)于徑向移動(dòng)反應(yīng)最不敏感， 而對(duì)于橫切方向 （即與半徑垂直的方向）移動(dòng)則最為敏感。 在現(xiàn)場(chǎng)選擇合適的安裝位置是避免紅外探頭誤報(bào)、求得最佳檢測(cè)靈敏度極為重要的一環(huán)。

　　1.3 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)。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。

　　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（LiTaO3 等）、壓電陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）。

　　根據(jù)菲涅耳原理制成，把紅外光線分成可見區(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?，?dāng)元件受熱時(shí)，電阻上就有電流流過，在兩端得到電壓信號(hào)。

　　2、 熱釋電紅外傳感器應(yīng)用-自動(dòng)門

　　2.1 自動(dòng)門設(shè)計(jì)原理

　　在自動(dòng)門領(lǐng)域中，被動(dòng)式人體熱釋電紅外線感應(yīng)開關(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的歡迎，這種開關(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，為報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。

　　在該探測(cè)技術(shù)中，所謂“被動(dòng)”是指探測(cè)器本身不發(fā)出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量變化來(lái)完成探測(cè)目的。被動(dòng)紅外自動(dòng)門的特點(diǎn)是能夠響應(yīng)人體在探測(cè)區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)所引起的紅外輻射變化，并能使監(jiān)控報(bào)警器產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，從而完成報(bào)警功能。圖6所示是該報(bào)警器的工作電路原理圖。

　　當(dāng)人體輻射的紅外線通過菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器的探測(cè)元上時(shí)，電路中的傳感器將輸出電壓信號(hào)，然后使該信號(hào)先通過一個(gè)由C1、C2、R1、R2組成的帶通濾波器，該濾波器的上限截止頻率為16Hz，下限截止頻率為0．16Hz。由于熱釋電紅外傳感器輸出的探測(cè)信號(hào)電壓十分微弱（通常僅有1mV左右），而且是一個(gè)變化的信號(hào)，同時(shí)菲涅爾透鏡的作用又使輸出信號(hào)電壓呈脈沖形式（脈沖電壓的頻率由被測(cè)物體的移動(dòng)速度決定，通常為0．1～10Hz左右），所以應(yīng)對(duì)熱釋紅外傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大。本設(shè)計(jì)運(yùn)用集成運(yùn)算放大器LM324來(lái)進(jìn)行兩級(jí)放大，以使其獲得足夠的增益。當(dāng)傳感器探測(cè)到人體輻射的紅外線信號(hào)并經(jīng)放大后送給窗口比較器時(shí)，若信號(hào)幅度超過窗口比較器的上下限，系統(tǒng)將輸出高電平信號(hào)；無(wú)異常情況時(shí)則輸出低電平信號(hào)。在該比較器中，R9、R10、R11用做參考電壓，兩個(gè)運(yùn)算放大器用做比較，兩個(gè)二極管的主要作用是使輸出更穩(wěn)定。窗口比較器的上下限電壓即參考電壓分別為3.8V和1。2V。將這個(gè)高低電平變化的信號(hào)上升沿信號(hào)作為單穩(wěn)電路HEF4538B的觸發(fā)信號(hào)，并讓其輸出一個(gè)脈寬大約為10s的高電平信號(hào)。再用這一脈寬信號(hào)作為報(bào)警電路KD9561的輸入控制信號(hào)，來(lái)使電路產(chǎn)生10s的報(bào)警信號(hào)，最后用三極管VT1和VT2再一次對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，以便有足夠大的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)喇叭使其連續(xù)發(fā)出10s的報(bào)警聲。

　　前兩個(gè)LM324是兩級(jí)放大器。傳感器檢測(cè)到人體紅外線后產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)很微弱，電路中設(shè)置了諸多旁路電容都是為了抑制干擾，避免誤動(dòng)作。后兩個(gè)LM324是上、下限電壓比較器。只有傳感器感應(yīng)產(chǎn)生的交變信號(hào)經(jīng)放大達(dá)到足夠電平才能使其輸出為高電平，以控制后面繼電器K1是否得電。K1得電，此時(shí)將進(jìn)入自動(dòng)門控制部分。K1得電則KA2得電吸合，KA2常開閉合自鎖，電機(jī)開始正轉(zhuǎn)，門就慢慢打開。當(dāng)接觸到行程開關(guān)QS1后，之前動(dòng)作的觸點(diǎn)復(fù)位，電機(jī)停止，門也不動(dòng)了，一直處于開啟狀態(tài)。同時(shí)行程開關(guān)的常開觸點(diǎn)閉合，時(shí)間繼電器KT得電延時(shí)5S。5S后KT常開閉合， KA得電，KA3常開閉合自鎖，電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，直到碰到行程開關(guān)QS2，門已關(guān)上，電機(jī)停止反轉(zhuǎn)。以上為電路運(yùn)行的所有過程。

　　2.2 安裝：

　　元件選擇與參數(shù)確定：

　　這次設(shè)計(jì)中主要選擇LM324作為主要芯片，因是這兩塊芯片在以前學(xué)過的書本中都有所接觸，運(yùn)用起來(lái)相對(duì)比較熟悉。LM324是一個(gè)具有兩極放大的比較器。而在自動(dòng)門控制電路中，我使用了繼電器、時(shí)間繼電器、行程開關(guān)等一些強(qiáng)電器件來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)門的正常工作。

　　3.結(jié) 論

　　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)定而受到廣大用戶和專業(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、自動(dòng)門等紅外領(lǐng)域。