運(yùn)動(dòng)傳感器或 PIR 傳感器的工作原理

現(xiàn)代世界充滿了當(dāng)它們感覺到人類運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)興奮的小玩意兒。電梯和購(gòu)物中心的自動(dòng)門、住宅和商店的防盜警報(bào)器、自動(dòng)照明系統(tǒng)、洗手間的電子設(shè)施只是人類存在或不存在將設(shè)備置于主動(dòng)或被動(dòng)狀態(tài)的幾個(gè)例子。聰明，對(duì)吧？現(xiàn)在，如果我們告訴您，在這種對(duì)運(yùn)動(dòng)的智能響應(yīng)背后是一個(gè)尺寸甚至達(dá)不到 2 厘米標(biāo)記的小發(fā)明，您會(huì)怎樣？這種小型電子設(shè)備被稱為熱釋電或被動(dòng)紅外傳感器（PIR，在這兩種情況下）。

每個(gè)溫度高于完美零的物體都會(huì)以輻射的形式釋放熱能（熱）。我們，智人，一天中的所有時(shí)間都以 9-10 微米的波長(zhǎng)輻射。PIR 傳感器經(jīng)過(guò)調(diào)諧以檢測(cè)此紅外波長(zhǎng)，該波長(zhǎng)僅在人類到達(dá)其附近時(shí)才會(huì)發(fā)出。術(shù)語(yǔ)“熱電”的意思是：產(chǎn)生電的熱量（這里是小振幅的電信號(hào)）。由于這些傳感器沒有自己的紅外線源，因此也稱為被動(dòng)式。

PIR 傳感器如何選擇性地響應(yīng)人體輻射的 IR？這個(gè)傳感器可以工作到什么范圍？這個(gè)傳感器內(nèi)部是什么讓它工作的？這以及此 Insight on PIR 傳感器中更多問(wèn)題的答案。為這款I(lǐng)nsight增添更多魅力的是，所采用的Panasonic 10m傳感器也是迄今為止市售的最小的PIR傳感器之一。

圖 1：松下 10 毫米紅外傳感器的圖像

圖 2：傳感器外殼圖像

圖片 02 顯示了一個(gè) Panasonic 10m 傳感器：PIR 傳感器單元封裝在一個(gè)塑料室內(nèi)。該腔室是半透明的，帶有蜂巢狀蓋子，底部有一個(gè)開口，傳感器的焊料浸漬腿從該開口伸出。

圖 3：顯示蜂巢結(jié)構(gòu)和傳感器頂部區(qū)域彎曲部分的圖像

在仔細(xì)觀察傳感器的頂部區(qū)域時(shí)，可以看到蜂巢結(jié)構(gòu)和彎曲的部分。這些彎曲的部分是菲涅爾透鏡，它們構(gòu)成了一個(gè)陣列，增加了傳感器的檢測(cè)區(qū)域。眾所周知，菲涅耳透鏡陣列可以捕獲更多的紅外輻射并將其聚焦到相對(duì)較小的點(diǎn)。檢測(cè)更穩(wěn)定，最大檢測(cè)距離也增加了。菲涅耳透鏡被制作成半透明的，因此它只能捕獲紅外輻射，而不會(huì)從可見光譜中獲得不需要的輻射。

菲涅耳透鏡的數(shù)量在陣列中可以變化，該傳感器共有 20 個(gè)透鏡。

圖 4：PIR 傳感器的內(nèi)部設(shè)置

圖 5：PIR 傳感器的形狀和結(jié)構(gòu)

菲涅耳陣列負(fù)載帽緊緊地放置在塑料成型件的底部區(qū)域上。但是，沒有閂鎖機(jī)構(gòu)來(lái)固定它，這讓人很想從塑料組件中撬出菲涅爾透鏡陣列。菲涅爾透鏡陣列下方是 PIR 傳感器，它牢固地放置在塑料成型件中。傳感器的放置至關(guān)重要，因?yàn)樗鼞?yīng)該接收來(lái)自透鏡陣列的最大量紅外輻射。因此，它被放置在模制件的中心，最大輻射會(huì)聚在該處。

圖 6：傳感器的紅外濾光片

傳感器頂部是紅外濾光片?？雌饋?lái)更像方形玻璃，此濾光片選擇傳感器需要響應(yīng)的所需波長(zhǎng)。由于該傳感器旨在檢測(cè)人體存在，因此選擇的波長(zhǎng)為 8 微米至 14 微米，這是人體輻射電磁射線的范圍。

圖 7：傳感器設(shè)計(jì)規(guī)格

傳感器主體為TO5金屬罐結(jié)構(gòu)。TO5 是一種基于行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，用于封裝各種小型模塊，例如晶體管、傳感器等。TO5 金屬外殼可防止內(nèi)部電路受到外部影響，例如振動(dòng)或噪聲，這些影響會(huì)干擾電路的正常工作。

圖 8：PIR 傳感器的 PCB

打開傳感器的蓋子可以看到一個(gè)小型 PCB，其中裝有傳感模塊、放大器和比較器電路。圖 09 顯示了放置傳感元件的 PCB 頂部。傳感元件通常由鐵電陶瓷（含鉛）或鉭酸鋰（無(wú)鉛）制成。為了增加信號(hào)接收功率，采用了多個(gè)傳感元件。該傳感器為四邊形，具有 4 個(gè)連接成陣列的傳感元件。

紅外線在穿過(guò)濾光片后撞擊該傳感元件，從而產(chǎn)生電荷。產(chǎn)生的電荷量與落在元件上的光線量成正比。

圖 9：PCB 的放大器和比較器

電荷產(chǎn)生后，它被傳遞到放大器電路，從放大器電路傳輸?shù)奖容^器。進(jìn)一步嵌入該 PCB 的是放大器和比較器。以前，這兩個(gè)電路包含在外部電路中；但是，將它們包含在傳感器模塊中可使電路更加緊湊。由于這兩個(gè)電路已經(jīng)針對(duì) IR 輻射光譜進(jìn)行了預(yù)定義，因此結(jié)果往往更加準(zhǔn)確和精確。

比較器用于那些提供數(shù)字輸出的傳感器模塊，就像這里的那個(gè)。

圖 10：底板及其組件

圖 11：處理器單元和嵌入式電阻器

基板和傳感器的其余結(jié)構(gòu)是場(chǎng)效應(yīng)晶體管 FET。即使產(chǎn)生的電荷被放大，它仍然設(shè)法產(chǎn)生僅 1mV 量級(jí)的電壓。FET 可以在如此低的電壓下工作，并且可以輕松地將電壓傳輸?shù)竭B接傳感器的處理器單元。

圖 10 的底板細(xì)節(jié)，而圖 11 顯示了帶有幾個(gè)電阻器的處理器單元。

圖 12：PIR 傳感器多功能連接線

正如人們所預(yù)料的那樣，在傳感器的底部是連接線。在這個(gè)傳感器中，它們執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)：允許焊接傳感器、處理小功率需求并將輸出發(fā)送到處理單元。

圖 12 顯示了連接引線放置的細(xì)節(jié)，其排列方式與 JFET 中的排列方式相同。每根導(dǎo)線的具體功能如圖所示。