運動傳感器或 PIR 傳感器的工作原理

現(xiàn)代世界充滿了當它們感覺到人類運動時就會興奮的小玩意兒。電梯和購物中心的自動門、住宅和商店的防盜警報器、自動照明系統(tǒng)、洗手間的電子設施只是人類存在或不存在將設備置于主動或被動狀態(tài)的幾個例子。聰明，對吧？現(xiàn)在，如果我們告訴您，在這種對運動的智能響應背后是一個尺寸甚至達不到 2 厘米標記的小發(fā)明，您會怎樣？這種小型電子設備被稱為熱釋電或被動紅外傳感器（PIR，在這兩種情況下）。

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

PIR 傳感器如何選擇性地響應人體輻射的 IR？這個傳感器可以工作到什么范圍？這個傳感器內(nèi)部是什么讓它工作的？這以及此 Insight on PIR 傳感器中更多問題的答案。為這款Insight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 Panasonic 10m 傳感器：PIR 傳感器單元封裝在一個塑料室內(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

在仔細觀察傳感器的頂部區(qū)域時，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)成了一個陣列，增加了傳感器的檢測區(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較小的點。檢測更穩(wěn)定，最大檢測距離也增加了。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 個透鏡。

圖 4：PIR 傳感器的內(nèi)部設置

圖 5：PIR 傳感器的形狀和結(jié)構(gòu)

菲涅耳陣列負載帽緊緊地放置在塑料成型件的底部區(qū)域上。但是，沒有閂鎖機構(gòu)來固定它，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，因為它應該接收來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?？雌饋砀穹叫尾Ａ?，此濾光片選擇傳感器需要響應的所需波長。由于該傳感器旨在檢測人體存在，因此選擇的波長為 8 微米至 14 微米，這是人體輻射電磁射線的范圍。

圖 7：傳感器設計規(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)的標準，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，例如振動或噪聲，這些影響會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（無鉛）制成。為了增加信號接收功率，采用了多個傳感元件。該傳感器為四邊形，具有 4 個連接成陣列的傳感元件。

紅外線在穿過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。進一步嵌入該 PCB 的是放大器和比較器。以前，這兩個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。由于這兩個電路已經(jīng)針對 IR 輻射光譜進行了預定義，因此結(jié)果往往更加準確和精確。

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。

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)是場效應晶體管 FET。即使產(chǎn)生的電荷被放大，它仍然設法產(chǎn)生僅 1mV 量級的電壓。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 的底板細節(jié)，而圖 11 顯示了帶有幾個電阻器的處理器單元。

圖 12：PIR 傳感器多功能連接線

正如人們所預料的那樣，在傳感器的底部是連接線。在這個傳感器中，它們執(zhí)行多項任務：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節(jié)，其排列方式與 JFET 中的排列方式相同。每根導線的具體功能如圖所示。