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熱釋電傳感器原理與應(yīng)用

作者: 時(shí)間:2007-01-29 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
一、前言
熱釋電紅外是一種非常有應(yīng)用潛力的。它能檢測(cè)人或某些動(dòng)物發(fā)射的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。早在1938年,有人就提出利用探測(cè)紅外輻射,但并未受到重視。直到六十年代,隨著激光、紅外技術(shù)的迅速發(fā)展,才又推動(dòng)了對(duì)的研究和對(duì)熱釋電晶體的應(yīng)用開發(fā)。近年來(lái),伴隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,以及對(duì)該的特性的深入研究,相關(guān)的專用集成電路處理技術(shù)也迅速增長(zhǎng)。本文先介紹熱釋電傳感器的原理,然后再描述相關(guān)的專用集成電路處理技術(shù)。
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,圖1表示了熱釋電效應(yīng)形成的原理。
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,其常用的材料有單晶(LiTaO3 )、壓電陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVFZ等)[2]
熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應(yīng),是一種溫度敏感傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成,元件兩個(gè)表面做成電極,當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)溫度有ΔT的變化時(shí),熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生電荷ΔQ,即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱電壓ΔV。由于它的輸出阻抗極高,所以傳感器中有一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷ΔQ會(huì)跟空氣中的離子所結(jié)合而消失,當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí),ΔT=0,傳感器無(wú)輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí),因人體溫度與環(huán)境溫度有差別,產(chǎn)生ΔT,則有信號(hào)輸出;若人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后不動(dòng),則溫度沒有變化,傳感器也沒有輸出,所以這種傳感器能檢測(cè)人體或者動(dòng)物的活動(dòng)。熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路見圖2所示。傳感器主要有外殼、濾光片、熱釋電元件PZT、場(chǎng)效應(yīng)管FET等組成。其中,濾光片設(shè)置在窗口處,組成紅外線通過的窗口。濾光片為6mm多層膜干涉濾光片,對(duì)太陽(yáng)光和熒光燈光的短波長(zhǎng)(約5mm以下)可很好濾除。熱釋電元件PZT將波長(zhǎng)在8mm~12mm之間的紅外信號(hào)的微弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),為了只對(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涅耳濾光片,使環(huán)境的干擾受到明顯的抑制作用。
。
(圖3)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。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)。
三、的工作原理與特性
在自然界,任何高于絕對(duì)溫度(-273K)的物體都將產(chǎn)生紅外光譜,不同溫度的物體釋放的紅外能量的波長(zhǎng)是不一樣的,因此紅外波長(zhǎng)與溫度的高低是相關(guān)的,而且輻射能量的大小與物體表面溫度有關(guān)。
人體都有恒定的體溫,一般在37°C左右,會(huì)發(fā)出10mm左右特定波長(zhǎng)的紅外線,被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的紅外線而進(jìn)行工作的。紅外線通過菲涅耳濾光片增強(qiáng)后聚集到熱釋電元件,這種元件在接收到人體紅外輻射變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡,向外釋放電荷,后經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。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)的熱釋電元件,而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反(如圖2側(cè)視圖C),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[3]
四、被動(dòng)式熱釋電紅外探頭的優(yōu)缺點(diǎn)
不同于主動(dòng)式紅外傳感器,被動(dòng)紅外傳感器本身不發(fā)任何類型的輻射,隱蔽性好,器件功耗很小,價(jià)格低廉。 但是,被動(dòng)式熱釋電傳感器也有缺點(diǎn),如:
信號(hào)幅度小,容易受各種熱源、光源干擾;
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;
易受射頻輻射的干擾;
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;
被動(dòng)紅外探測(cè)器的主要檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闄M向運(yùn)動(dòng)方向,對(duì)徑向方向運(yùn)動(dòng)的物體檢測(cè)能力比較差。
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五、熱釋電紅外探頭處理芯片原理及應(yīng)用
雖然被動(dòng)式熱釋電紅外探頭有些缺點(diǎn),但是利用特殊信號(hào)處理方法后,仍然使它在某些領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。因此,有很多生產(chǎn)商根據(jù)PIR傳感器的特性設(shè)計(jì)了專用信號(hào)處理器,比如HOLTEK HT761X、PTI WELTREND WT8072,BISS0001。本文對(duì)PTI)專用芯片作一個(gè)應(yīng)用實(shí)例的介紹。
4陰影部分是PIR信號(hào)處理部分,有兩個(gè)運(yùn)算放大器、一個(gè)窗口比較器、一個(gè)穩(wěn)壓器、一個(gè)系統(tǒng)振蕩器和一個(gè)邏輯控制器。其它是依賴處理結(jié)果的控制部分,這里重點(diǎn)介紹PIR信號(hào)處理部分,控制部分就簡(jiǎn)單略過。
由于PIR 信號(hào)變化緩慢、幅值小,針對(duì)該特點(diǎn),專用信號(hào)處理器一般分為三步處理,具體處理步驟如下:
①濾波放大
普通PIR傳感器輸出信號(hào)幅值一般都很小,大約幾百微伏到幾毫伏,為了后續(xù)電路能作有效的處理,考慮到傳感器的信噪比,通常取增益72.5dB,通帶0.3Hz~7Hz。同時(shí),由于是處理模擬小信號(hào),所以為了保證放大器的工作穩(wěn)定可靠,電路中特別集成了一個(gè)穩(wěn)壓器用于給傳感器、放大器和比較器供電。
②窗口比較器
經(jīng)過放大后的信號(hào)通過窗口比較器后檢出滿足幅值要求的信號(hào)后,再轉(zhuǎn)換成一系列數(shù)字脈沖信號(hào)。

③噪聲抑制數(shù)字信號(hào)處理
根據(jù)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)以及傳感器的特性的長(zhǎng)期研究,用固定時(shí)間內(nèi)計(jì)脈沖個(gè)數(shù)和測(cè)脈沖寬度的方法來(lái)甄別有效的人體信號(hào),這里由系統(tǒng)振蕩器提供時(shí)鐘源(16kHz)。具體判別方法如下[4]
!--[if !supportLists]--> !--[endif]--> 判別操作限制在2s內(nèi); !--[endif]--> 脈沖寬度低于24ms的都算作噪聲,不予處理;單個(gè)有效脈沖:寬度必須大于340 ms;雙脈沖,其中寬的必須大于160ms ,窄的大于 24ms ;三個(gè)脈沖有效,每個(gè)都必須大于 24ms 。
經(jīng)過上述三步處理后就能準(zhǔn)確、可靠地判斷人體信號(hào)。根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)既定控制,例如報(bào)警器自動(dòng)告警,自動(dòng)開啟某個(gè)設(shè)備。 PT8A26XX 系列主要是用于自動(dòng)延時(shí)開關(guān),其中延時(shí)可調(diào),還可設(shè)定白天不工作。另外其它幾個(gè)公司處理器功能都基本類似,在節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)用較廣。
六、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、來(lái)客告知及非接觸開關(guān)等紅外領(lǐng)域。除了在眾所周知的摟道自動(dòng)開關(guān)、防盜報(bào)警上得到應(yīng)用外,在更多的領(lǐng)域應(yīng)用前景看好。




參考文獻(xiàn):
[1] PIS01E datasheet[DB/OL]. http://www.Watirony.com 慧創(chuàng)就電子有限公司 .
[2] 黃繼昌,徐巧魚等 . 傳感器工作原理及應(yīng)用實(shí)例 [M] ,人民郵電出版社 .
[3] 被動(dòng)紅外探測(cè)器在安防工程中的應(yīng)用 [EB/OL] http://www.secu.com.cn/News/view/2005/7/5/14484.htm
[4] HOLTEK HT7610[DB/OL]. http://www.holtek.com.cn /china /products/misc_5.htm
Principle Of Pyroelectric Infrared Sensor And Its Application
Abstract : This article mainly introduces operational principles of Pyroelectric Infrared(PIR) sensor and PTI's PIR processing chip , meanwhile, with their principles and features, this article also shows widely application of PIR sensor and the related chip in safety and protection, energy-saving switch and automatic control field.
Keywords: pyroelectric effect; passive pyroelectric infrared sensor; fresnel lens
作者簡(jiǎn)介:
李建,主要從事集成電路方面的研發(fā)工作,集中于對(duì)產(chǎn)品的可行性研究及制定詳細(xì)的產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范。
通信地址:上海市桂平路 481 號(hào) 20 幢 3 層 郵編: 200233 電話: 021-64850576-365 ( O )
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