淺談熱釋電紅外傳感器原理和應(yīng)用

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    紅外傳感器

　　紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，按照功能可分成五類， 按探測機(jī)理可分成為光子探測器和熱探測器。 紅外傳感技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用

　　紅外線對射管的驅(qū)動分為電平型和脈沖型兩種驅(qū)動方式。由紅外線對射管陣列組成分離型光電傳感器。該傳感器的創(chuàng)新點(diǎn)在于能夠抵抗外界的強(qiáng)光干擾。太陽光中含有對紅外線接收管產(chǎn)生干擾的紅外線，該光線能夠?qū)⒓t外線接收二極管導(dǎo)通，使系統(tǒng)產(chǎn)生誤判，甚至導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。本傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于能夠設(shè)置多點(diǎn)采集，對射管陣列的間距和陣列數(shù)量可根據(jù)需求選取。

　　紅外線技術(shù)在測速系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，許多產(chǎn)品已運(yùn)用紅外線技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛測速、探測等研究。紅外線應(yīng)用速度測量領(lǐng)域時，最難克服的是受強(qiáng)太陽光等多種含有紅外線的光源干擾。外界光源的干擾成為紅外線應(yīng)用于野外的瓶頸。針對此問題，這里提出一種紅外線測速傳感器設(shè)計方案，該設(shè)計方案能夠為多點(diǎn)測量即時速度和階段加速度提供技術(shù)支持，可應(yīng)用于公路測速和生產(chǎn)線下料的速度稱量等工業(yè)生產(chǎn)中需要測量速度的環(huán)節(jié)。

　　紅外技術(shù)已經(jīng)眾所周知，這項技術(shù)在現(xiàn)代科技、國防科技和工農(nóng)業(yè)科技等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：（1）輻射計，用于輻射和光譜測量；（2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對它的運(yùn)動進(jìn)行跟蹤；（3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標(biāo)紅外輻射的分布圖像；（4）紅外測距和通信系統(tǒng)；（5）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。

　　紅外傳感器根據(jù)探測機(jī)理可分成為：光子探測器（基于光電效應(yīng)）和熱探測器（基于熱效應(yīng)）。

　　原理

　　待測目標(biāo)

　　根據(jù)待測目標(biāo)的紅外輻射特性可進(jìn)行紅外系統(tǒng)的設(shè)定。

　　大氣衰減

　　待測目標(biāo)的紅外輻射通過地球大氣層時，由于氣體分子和各種氣體以及各種溶膠粒的散射和吸收，將使得紅外源發(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。

　　光學(xué)接收器

　　它接收目標(biāo)的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當(dāng)于雷達(dá)天線，常用是物鏡。

　　輻射調(diào)制器

　　對來自待測目標(biāo)的輻射調(diào)制成交變的輻射光，提供目標(biāo)方位信息，并可濾除大面積的干擾信號。又稱調(diào)制盤和斬波器，它具有多種結(jié)構(gòu)。

　　紅外探測器

　　這是紅外系統(tǒng)的核心。它是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來的物理效應(yīng)探測紅外輻射的傳感器，多數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)出的電學(xué)效應(yīng)。此類探測器可分為光子探測器和熱敏感探測器兩大類型。

　　探測器制冷器

　　由于某些探測器必須要在高溫下工作，所以相應(yīng)的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。經(jīng)過制冷，設(shè)備可以縮短響應(yīng)時間，提高探測靈敏度。

　　信號處理系統(tǒng)

　　將探測的信號進(jìn)行放大、濾波，并從這些信號中提取出信息。然后將此類信息轉(zhuǎn)化成為所需要的格式，最后輸送到控制設(shè)備或者顯示器中。

　　顯示設(shè)備

　　這是紅外設(shè)備的終端設(shè)備。常用的顯示器有示波器、顯像管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。

　　依照上面的流程，紅外系統(tǒng)就可以完成相應(yīng)的物理量的測量。紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器，按照探測的機(jī)理的不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。下面以熱探測器為例子來分析探測器的原理。

　　熱探測器是利用輻射熱效應(yīng)，使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使探測器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。多數(shù)情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當(dāng)元件接收輻射，引起非電量的物理變化時，可以通過適當(dāng)?shù)淖儞Q后測量相應(yīng)的電量變化。

　　圖上所示為歐姆龍公司生產(chǎn)的漫反射式和對射式光電傳感器，這兩種傳感器主要用于事件檢測和物體定位。圖中的紅燈和綠燈表示傳感器的狀態(tài)。

　　紅外傳感器已經(jīng)在現(xiàn)代化的生產(chǎn)實踐中發(fā)揮著它的巨大作用，隨著探測設(shè)備和其他部分的技術(shù)的提高，紅外傳感器能夠擁有更多的性能和更好的靈敏度。

　　類型

　　紅外線傳感器依動作可分為：

　　（1） 將紅外線一部份變換為熱，藉熱取出電阻值變化及電動勢等輸出信號之熱型。

　�。�2） 利用半導(dǎo)體遷徙現(xiàn)象吸收能量差之光電效果及利用因PN 接合之光電動勢效果的量子型。

　　熱型的現(xiàn)象俗稱為焦熱效應(yīng)，其中最具代表性者有測輻射熱器 （THERMAL BOLOMETER），熱電堆（THERMOPILE）及熱電（PYROELECTRIC）元件。

　　熱型的優(yōu)點(diǎn)有：可常溫動作下操作，波長依存性（波長不同感度有很大之變化者）并不存在，造價便宜；

　　缺點(diǎn)：感度低、響應(yīng)慢（MS之譜）。

　　量子型 的優(yōu)點(diǎn)：感度高、響應(yīng)快速（ΜS 之譜）；

　　缺點(diǎn)：必須冷卻（液體氮?dú)猓?、有波長依存性、價格偏高；

　　紅外線傳感器特別是利用遠(yuǎn)紅外線范圍的感度做為人體檢出用，紅外線的波長比可見光長而比電波短。紅外線讓人覺得只由熱的物體放射出來，可是事實上不是如此，凡是存在于自然界的物體，如人類、火、冰等等全部都會射出紅外線，只是其波長因其物體的溫度而有差異而已。人體的體溫約為36～37°C，所放射出峰值為9～10微米的遠(yuǎn)紅外線，另外加熱至400～700°C的物體，可放射出峰值為3～5微米（不是MM）的中間紅外線。

　　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(jìn)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(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元、干涉濾光片和場效應(yīng)管匹配器三部分組成。設(shè)計時應(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，然后加電對其進(jìn)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(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(gòu)上引入場效應(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，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)型場效應(yīng)管應(yīng)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(yīng)管匹配器三部分組成。設(shè)計時應(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，然后加電對其進(jìn)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(fù)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(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(biāo)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(yīng)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(yīng)距離），從而產(chǎn)生不同的監(jiān)控視場，視場越多，控制越嚴(yán)密。

　　被動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。價格低廉。

　　缺點(diǎn)：

　　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(jī)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?zé)敉高^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(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(qiáng)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(yùn)動方向關(guān)系很大。紅外線熱釋電傳感器對于徑向移動反應(yīng)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(yīng)

　　當(dāng)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(yīng)。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(dāng)溫度變化時，晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)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(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(jìn)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(dāng)?shù)碾娮瑁��?dāng)元件受熱時，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(yīng)用-自動門

　　2.1 自動門設(shè)計原理

　　在自動門領(lǐng)域中，被動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(xué)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(yīng)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(shè)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(jìn)行放大、濾波、延遲、比較，為報警功能的實現(xiàn)打下基礎(chǔ)。

　　在該探測技術(shù)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(diǎn)是能夠響應(yīng)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(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(yīng)對熱釋紅外傳感器輸出的電壓信號進(jìn)行放大。本設(shè)計運(yùn)用集成運(yùn)算放大器LM324來進(jìn)行兩級放大，以使其獲得足夠的增益。當(dāng)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(yùn)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(jìn)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(yīng)信號很微弱，電路中設(shè)置了諸多旁路電容都是為了抑制干擾，避免誤動作。后兩個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，此時將進(jìn)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(jī)開始正轉(zhuǎn)，門就慢慢打開。當(dāng)接觸到行程開關(guān)QS1后，之前動作的觸點(diǎn)復(fù)位，電機(jī)停止，門也不動了，一直處于開啟狀態(tài)。同時行程開關(guān)的常開觸點(diǎn)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(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(guān)等一些強(qiáng)電器件來實現(xiàn)自動門的正常工作。

　　3.結(jié) 論

　　隨著相關(guān)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(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(lǐng)域。

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熱釋電器件的特性-- 價格低、性能穩(wěn)定是其應(yīng)用廣泛的主要原因。