熱釋電紅外傳感器原理和應用介紹

　　隨著社會的發(fā)展，各種方便于生活的自動控制系統(tǒng)開始進入了人們的生活，以熱釋電紅外傳感器為核心的自動門系統(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元、干涉濾光片和場效應管匹配器三部分組成。設計時應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，然后加電對其進行極化，這樣便制成了熱釋電探測元。

　　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)遠遠高于熱電偶，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特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測出物體放出的紅外線能量變化并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構上引入場效應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，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104MΩ，故引入的N溝道結(jié)型場效應管應接成共漏形式即源極跟隨器來完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場效應管匹配器三部分組成。設計時應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，然后加電對其進行極化，這樣便制成了熱釋電探測元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測元也是有正、負極性的。

　　1.2 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度，所以會發(fā)出特定波長10UM左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的10UM左右的紅外線而進行工作的。人體發(fā)射的10UM左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上。紅外感應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)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生報警信號。

　　1）這種探頭是以探測人體輻射為目標的。所以熱釋電元件對波長為10UM左右的紅外輻射必須非常敏感。

　　2）為了僅僅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泥爾濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。

　　3）被動紅外探頭，其傳感器包含兩個互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元。而且制成的兩個電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應相互抵消，于是探測器無信號輸出。

　　4）一旦人侵入探測區(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)信號處理而報警。

　　5）菲泥爾濾光片根據(jù)性能要求不同，具有不同的焦距（感應距離），從而產(chǎn)生不同的監(jiān)控視場，視場越多，控制越嚴密。

　　被動式熱釋電紅外探頭的優(yōu)缺點：

　　優(yōu)點：

　　本身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好。價格低廉。

　　缺點：

　　1、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(huán)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。

　　抗干擾性能：

　　1、防小動物干擾

　　探測器安裝在推薦地使用高度，對探測范圍內(nèi)地面上地小動物，一般不產(chǎn)生報警。

　　2、抗電磁干擾

　　探測器的抗電磁波干擾性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手機電磁干擾不會引起誤報。

　　3、抗燈光干擾

　　探測器在正常靈敏度的范圍內(nèi)，受3米外H4鹵素燈透過玻璃照射，不產(chǎn)生報警。

　　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)，其誤報率與安裝的位置和方式有極大的關系。正確的安裝應滿足下列條件：

　　1、紅外線熱釋電傳感器應離地面2.0-2.2米。

　　2、紅外線熱釋電傳感器遠離空調(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窗口，否則窗外的熱氣流擾動和人員走動會引起誤報，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氣流活動的地方。

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

　　1.3 熱釋電效應

　　當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷，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。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)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(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來。當溫度變化時，晶體結(jié)構中的正負電荷重心相對移位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面就會產(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，將熱釋的紅外信號折射（反射）在PIR上；二是將檢測區(qū)內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入檢測區(qū)的移動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，這樣PIR就能產(chǎn)生變化電信號。

　　如果我們在熱電元件接上適當?shù)碾娮瑁斣軣釙r，電阻上就有電流流過，在兩端得到電壓信號。

　　2、 熱釋電紅外傳感器應用-自動門

　　2.1 自動門設計原理

　　在自動門領域中，被動式人體熱釋電紅外線感應開關的應用非常廣泛，因其性能穩(wěn)定且能長期穩(wěn)定可靠工作而受到廣大用戶的歡迎，這種開關主要由人體熱釋電紅外線傳感器、信號處理電路、控制及執(zhí)行電路、電源電路等幾部分組成。

　　熱釋電紅外自動門主要由光學系統(tǒng)、熱釋電紅外傳感器、信號濾波和放大、信號處理和自動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元上，同時也產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)，以適應熱釋電探測元要求信號不斷變化的特性；熱釋電紅外傳感器是報警器設計中的核心器件，它可以把人體的紅外信號轉(zhuǎn)換為電信號以供信號處理部分使用；信號處理主要是把傳感器輸出的微弱電信號進行放大、濾波、延遲、比較，為報警功能的實現(xiàn)打下基礎。

　　在該探測技術中，所謂“被動”是指探測器本身不發(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完成探測目的。被動紅外自動門的特點是能夠響應人體在探測區(qū)域內(nèi)移動時所引起的紅外輻射變化，并能使監(jiān)控報警器產(chǎn)生報警信號，從而完成報警功能。圖6所示是該報警器的工作電路原理圖。

　　當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元上時，電路中的傳感器將輸出電壓信號，然后使該信號先通過一個由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信號電壓十分微弱（通常僅有1mV左右），而且是一個變化的信號，同時菲涅爾透鏡的作用又使輸出信號電壓呈脈沖形式（脈沖電壓的頻率由被測物體的移動速度決定，通常為0．1～10Hz左右），所以應對熱釋紅外傳感器輸出的電壓信號進行放大。本設計運用集成運算放大器LM324來進行兩級放大，以使其獲得足夠的增益。當傳感器探測到人體輻射的紅外線信號并經(jīng)放大后送給窗口比較器時，若信號幅度超過窗口比較器的上下限，系統(tǒng)將輸出高電平信號；無異常情況時則輸出低電平信號。在該比較器中，R9、R10、R11用做參考電壓，兩個運算放大器用做比較，兩個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。將這個高低電平變化的信號上升沿信號作為單穩(wěn)電路HEF4538B的觸發(fā)信號，并讓其輸出一個脈寬大約為10s的高電平信號。再用這一脈寬信號作為報警電路KD9561的輸入控制信號，來使電路產(chǎn)生10s的報警信號，最后用三極管VT1和VT2再一次對電信號進行放大，以便有足夠大的電流來驅(qū)動喇叭使其連續(xù)發(fā)出10s的報警聲。

　　前兩個LM324是兩級放大器。傳感器檢測到人體紅外線后產(chǎn)生的感應信號很微弱，電路中設置了諸多旁路電容都是為了抑制干擾，避免誤動作。后兩個LM324是上、下限電壓比較器。只有傳感器感應產(chǎn)生的交變信號經(jīng)放大達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，此時將進入自動門控制部分。K1得電則KA2得電吸合，KA2常開閉合自鎖，電機開始正轉(zhuǎn)，門就慢慢打開。當接觸到行程開關QS1后，之前動作的觸點復位，電機停止，門也不動了，一直處于開啟狀態(tài)。同時行程開關的常開觸點閉合，時間繼電器KT得電延時5S。5S后KT常開閉合， KA得電，KA3常開閉合自鎖，電機開始反轉(zhuǎn)，直到碰到行程開關QS2，門已關上，電機停止反轉(zhuǎn)。以上為電路運行的所有過程。

　　2.2 安裝：

　　元件選擇與參數(shù)確定：

　　這次設計中主要選擇LM324作為主要芯片，因是這兩塊芯片在以前學過的書本中都有所接觸，運用起來相對比較熟悉。LM324是一個具有兩極放大的比較器。而在自動門控制電路中，我使用了繼電器、時間繼電器、行程開關等一些強電器件來實現(xiàn)自動門的正常工作。

　　3.結(jié) 論

　　隨著相關信號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器，因其價格低廉、技術性能穩(wěn)定而受到廣大用戶和專業(yè)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、自動門等紅外領域。