一文讀懂熱釋電傳感器的原理與應(yīng)用

熱釋電紅外傳感器是一種非常有應(yīng)用潛力的傳感器。它能檢測人或某些動(dòng)物****的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，是一種能檢測人體****的紅外線的新型高靈敏度紅外探測元件。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。將輸出的電壓信號(hào)加以放大，便可驅(qū)動(dòng)各種控制電路，如作電源開關(guān)控制、防盜防火報(bào)警等。

早在1938年，有人就提出利用熱釋電效應(yīng)探測紅外輻射，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)熱釋電效應(yīng)的研究和對(duì)熱釋電晶體的應(yīng)用開發(fā)。

熱釋電效應(yīng)

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(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，而電荷耗盡情況正比于極化程度。

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。熱釋電元件常用的材料有單晶(LiTaO3 等)、壓電陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVFZ等)。

熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應(yīng)，這是一種對(duì)溫度敏感的傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，在元件兩個(gè)表面做成電極，在傳感器監(jiān)測范圍內(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)生一微弱的電壓ΔV。由于它的輸出阻抗極高，在傳感器中有一個(gè)場效應(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)被空氣中的離子所結(jié)合而消失，即當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí)，ΔT=0，則傳感器無輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測區(qū)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生ΔT，則有ΔT輸出;若人體進(jìn)入檢測區(qū)后不動(dòng)，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出了。所以這種傳感器檢測人體或者動(dòng)物的活動(dòng)傳感。

熱釋電紅外線傳感器結(jié)構(gòu)

普通熱釋電人體紅外線傳感器的外形如圖所示，D腳和S腳分別為內(nèi)部場效應(yīng)管的漏極和源極的引出端，G腳為內(nèi)部敏感元件的接地引出端。因S和G之間懸空，故使用時(shí)其間應(yīng)接輸出電阻R，才能輸出傳感信號(hào)。為了增強(qiáng)抗干擾能力，在此電阻上應(yīng)并一個(gè)電容C。傳感器由敏感單元、濾光窗和菲涅爾透鏡組成。

敏感單元

敏感單元的等效電路如圖所示，內(nèi)部敏感材料做成很薄的薄片，每一薄片相對(duì)的兩面各引出一根電極，在電極兩端則形成一個(gè)等效的小電容，因?yàn)檫@兩個(gè)小電容是做在同一硅晶片上的，且形成的等效小電容能自身產(chǎn)生極化，在電容的兩端產(chǎn)生極性相反的正、負(fù)電荷。但這兩個(gè)電容的極性是相反串聯(lián)的。這正是傳感器的獨(dú)特設(shè)計(jì)之處，因而使得它具有獨(dú)特的抗干擾性。

當(dāng)傳感器沒有檢測到人體輻射出的紅外線信號(hào)時(shí)，由于C1、C2自身產(chǎn)生極化，在電容的兩端產(chǎn)生極性相反、電量相等的正、負(fù)電荷，而這兩個(gè)電容的極性是相反串聯(lián)的，所以，正、負(fù)電荷相互抵消，回路中不產(chǎn)生電流，傳感器無輸出。

當(dāng)人體靜止在傳感器的檢測區(qū)域內(nèi)時(shí)，照射到C1、C2上的紅外線光能能量相等，且達(dá)到平衡，極性相反、能量相等的光電流在回路中相互抵消。傳感器仍然沒有信號(hào)輸出。同理，在燈光或陽光下，因陽光移動(dòng)的速度非常緩慢，C1、C2上的紅外線光能能量仍然可以看作是相等的，且在回路中相互抵消;再加上傳感器的響應(yīng)頻率很低(一般為0.1~10Hz)，即傳感器對(duì)紅外光的波長的敏感范圍很窄(一般為5~15um)，因此，傳感器對(duì)它們不敏感。

當(dāng)環(huán)境溫度變化而引起傳感器本身的溫度發(fā)生變化時(shí)，因C1、C2做在同一硅晶片上，它所產(chǎn)生的極性相反、能量相等的光電流在回路中仍然相互抵消，傳感器無輸出。

只有當(dāng)人體移動(dòng)時(shí)，紅外輻射引傳感器敏感單元的兩個(gè)等效電容產(chǎn)生不同的極化電荷時(shí)，才會(huì)向外輸出電信號(hào)。所以，這種傳感器只對(duì)人體的移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)敏感，對(duì)靜止或移動(dòng)很緩慢的人體不敏感，且對(duì)可見光和大部分紅外線具有良好的抗干擾能力。

濾光窗

它是由一塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜而成的，濾光窗能有效地濾除7.0~14μm波長以外的紅外線。例如，SCA02-1對(duì) 7.5~14μm波長的紅外線的穿透量為70%，在6.5μm處時(shí)下降為65%，而在5.0μm處時(shí)陡降為0.1%，有效地保證了對(duì)人體紅外線的選擇性。

因?yàn)?，物體****出的紅外線輻射能，最強(qiáng)波長和溫度的關(guān)系滿足λm×T=2989(μmk)(其中λm為最大波長，T為絕對(duì)溫度)。人體的正常體溫為 36~37.5℃，即309~310.5K，其最強(qiáng)紅外線的波長為λm=2989/(309~310.5)=9.67~9.64μm，中心波長為9.65μm。因此，人體輻射的最強(qiáng)紅外線的波長正好落在濾光窗的響應(yīng)波長(7~14μm)的中心。所以，濾光窗能有效地讓人體輻射的紅外線通過，而最大限度地阻止陽光、燈光等可見光中的紅外線通過，以免引起干擾。

菲涅爾透鏡

不使用菲涅爾透鏡時(shí)傳感器的探測半徑不足2米，只有配合菲涅爾透鏡使用才能發(fā)揮最大作用。配上菲涅爾透鏡時(shí)傳感器的探測半徑可達(dá)到10米。

菲涅爾透鏡用聚乙烯塑料片制成，顏色為乳白色或黑色，呈半透明狀，但對(duì)波長為10um左右的紅外線來說卻是透明的。其外形為半球，透鏡在水平方向上分成3 個(gè)部分，每一部分在豎直方向上又等分成若干不同的區(qū)域。最上面部分的每一等份為一個(gè)透鏡單元，它們由一個(gè)個(gè)同心圓構(gòu)成，同心圓圓心在透鏡單元內(nèi)。中間和下半部分的每一等份也為分別一個(gè)透鏡單元，同樣由同心圓構(gòu)成，但同心圓圓心不在透鏡單元內(nèi)。

當(dāng)光線通過這些透鏡單元后，就會(huì)形成明暗相間的可見區(qū)和盲區(qū)。由于每一個(gè)透鏡單元只有一個(gè)很小的視角，視角內(nèi)為可見區(qū)，視角外為盲區(qū)。任何兩個(gè)相鄰?fù)哥R單元之間均以一個(gè)盲區(qū)和可見區(qū)相間隔，它們斷續(xù)而不重疊和交叉。這樣，當(dāng)把透鏡放在傳感器正前方的適當(dāng)位置時(shí)，運(yùn)動(dòng)的人體一旦出現(xiàn)在透鏡的前方，人體輻射出的紅外線通過透鏡后在傳感器上形成不斷交替變化的陰影區(qū)(盲區(qū))和明亮區(qū)(可見區(qū))，使傳感器表面的溫度不斷發(fā)生變化，從而輸出電信號(hào)。

也可以這樣理解，人體在檢測區(qū)內(nèi)活動(dòng)時(shí)，一離開一個(gè)透鏡單元的視場，又會(huì)立即進(jìn)入另一個(gè)透鏡單元的視場，(因?yàn)橄噜復(fù)哥R單元之間相隔很近)，傳感器上就出現(xiàn)隨人體移動(dòng)的盲區(qū)和可見區(qū)，導(dǎo)致傳感器的溫度變化，而輸出電信號(hào)。

菲涅爾透鏡不僅可以形成可見區(qū)和盲區(qū)，還有聚焦作用，其焦點(diǎn)一般為5厘米左右，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況或資料提供的說明調(diào)整菲涅爾透鏡與傳感器之間的距離，一般把透鏡固定在傳感器正前方1~5厘米的地方。

被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器的工作原理與特點(diǎn)

在自然界，任何高于絕對(duì)溫度(-273K)時(shí)物體都將產(chǎn)生紅外光譜，不同溫度的物體，其釋放的紅外能量的波長是不一樣的，因此紅外波長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度，所以會(huì)發(fā)出10微米左右特定波長的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測人體****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，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，于是探測器無信號(hào)輸出。

被動(dòng)式熱釋電紅外探頭的優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：

1、被動(dòng)紅外傳感器本身不發(fā)任何類型的輻射，隱蔽性好;

2、器件功耗很小;

3、價(jià)格低廉。

缺點(diǎn)：

1、信號(hào)幅度小，容易受各種熱源、光源干擾;

2、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。

3、易受射頻輻射的干擾。

4、環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，探測和靈敏度明顯下降，有時(shí)造成短時(shí)失靈。

5、被動(dòng)紅外探測器的主要檢測的運(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)的物體檢測能力比較差。

熱釋電紅外傳感器的應(yīng)用

熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感、熱輻射探測器等。除了在樓道自動(dòng)開關(guān)、防盜報(bào)警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。例如：在房間無人時(shí)會(huì)自動(dòng)停機(jī)的空調(diào)機(jī)、飲水機(jī);電視機(jī)能判斷無人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺后自動(dòng)關(guān)機(jī)的電路;人靠近時(shí)自動(dòng)開啟監(jiān)視器或自動(dòng)門鈴;攝影機(jī)或數(shù)碼照相機(jī)自動(dòng)記錄動(dòng)物或人的活動(dòng);……

自動(dòng)門

在自動(dòng)門領(lǐng)域中，被動(dòng)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(hào)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(dòng)門主要由光學(xué)系統(tǒng)、熱釋電紅外傳感器、信號(hào)濾波和放大、信號(hào)處理和自動(dòng)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(shí)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(hào)不斷變化的特性;熱釋電紅外傳感器是報(bào)警器設(shè)計(jì)中的核心器件，它可以把人體的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以供信號(hào)處理部分使用;信號(hào)處理主要是把傳感器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、延遲、比較，為功能的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。

人體感應(yīng)燈

智能空調(diào)

智能空調(diào)能探測出室內(nèi)是否有人及人是靜止還是活動(dòng)，據(jù)此自動(dòng)控制開關(guān)機(jī)、制冷(熱)量及室溫，以達(dá)到節(jié)能和人性化的目的。