第7章红外热释电传感器.

1、第七章红外热释电传感器7.1概述热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电 信号输出。早在 1938年，有人就提出利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视。直到六十年代, 随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用开发。目前，热释电已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，因其价格低廉、技术性能稳定而 受到广大用户和专业人士的欢迎，广泛应用于各种自动化控制装置中，既可作为红外激光的一种较理想的 探测器，又可适用于防盗报警、来客告知及非接触开关等红外领域。除了在众所周知的搂道自动开关、防 盗报警上得到应用外

2、，在更多的领域应用前景看好。7.2热释电效应与传感器1热释电效应当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化 现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化 电矩不能表现出来。y羽电骨T+AT1K1图7-1热释电效应的形成原理2 .热释电元件能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单晶（LiTaO3等）、压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ 等）。在热电元件接上适当的电阻，当元件受热时，电阻上就有电流流 过，在两端得到电压信号。3 .热释电传感器热释电传感

3、器利用热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有 T的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷Q,即在两电极之间产生一微弱电压V。由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷 Q会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时， T=0,传感器无输出。当被检测体与环境温度有差别，产生T,则有信号输出；若检测体在检测区不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。热释电红外传感器的结构及内部电路见图7-2所示。传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件P

4、ZT、场效应管FET等组成。图7-2热释电传感器的的结构及内部电路其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。滤光片为6um多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5 um以下）可很好滤除。7.3工作原理与特性1. 工作原理常采用被动式红外热释电传感器用于人体活动检测，在家居安防和节能设备上应用。这种传感器俗称 为被动式红外探头，简称为PIR （ Passive Infrared ）。在自然界，任何高于绝对温度（-273K）的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体释放的红外能量 的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的，而且辐射能量的大小与物体表面温度有关。人体都有恒定的体

5、温，一般在37 C左右，会发出10 um左右特定波长的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到热释电元件，这种元件 在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后经检测处理后就能产生报警信号。由图7-2所示，被动红外探头包含两个互相串联或并联的热释电元件，而且制成的两个电极化方向正 好相反（侧视图 C）,环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消， 于是探测器无信号输出。2 .菲尼尔透镜热释电元件PZT将波长在8 um12 um之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的 红外辐射敏感，在

6、它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。菲涅耳透镜根据菲涅耳原理制成，把红外光线分成可见区和盲区，同时又有聚焦的作用，使热释电人 体红外传感器灵敏度大大增加。菲涅耳透镜折射式和反射式两种形式，其作用一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在传感 器上；二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在传感器上 产生变化热释红外信号，这样传感器就能产生变化电信号。3.传感器内部电路图7-3菲尼尔透镜下面具体看一下红外探头内部的电路，传感器内部由光学滤镜、场效应管、红外感应源 偏置电阻、EMI电容等元器件组成。（热释电元件）、L -光

7、学滤镜1电阻i电容二b： f=场效应骨；DSI封装内部电路HLgnd图7-4热释电传感器内部电路光学滤镜的主要作用是只允许波长在10卩m左右的红外线（人体发出的红外线波长）通过，而将灯光、太阳光及其他辐射滤掉，以抑制外界的干扰。红外感应源通常由两个串联或者并联的热释电元件组成，这两个热释电元件的电极相反，环境背景辐 射对两个热释电元件几乎具有相同的作用，使其产生的热释电效应相互抵消，输出信号接近为零。一旦有人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元件接收，由于角度不同， 两片热释电元件接收到的热量不同，热释电能量也不同， 不能完全抵消，经处理电路处理后输出控制信号。4.特性与

8、特点被动式红外热释电传感器不同于主动式红外传感器，被动红外传感器本身不发任何类型的辐射，隐蔽 性好，器件功耗很小，价格低廉。但是，被动式热释电传感器也有缺点，如：信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收易受射频辐射的干扰环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵 主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向运动的物体检测能力比较差7.4红外传感信号处理器BIS0001及应用1. BIS0001应用及特点BIS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。它配以热释电红外传感器和少量外接元器件就可构成被动式的热释电红

9、外开关、报警用人体热释电传感器等。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。具有如下特点：CMOS数模混合专用集成电路具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配，进行信号与处理双向鉴幅器，可有效抑制干扰内设延迟时间定时器和封锁时间定时器，结构新颖，稳定可靠，调节范围宽内置参考电压工作电压范围+3V +5V采用16脚DIP封装或SOP封装2. BIS0001管脚分布及功能A VO REl ECI BC2 RE2 VSS VRT/KESET图7

10、-5 BIS0001的管脚分布表7-1 BIS0001芯片管脚名称与功能管脚序号管脚名称管脚功能及参数11VDD工作电源正端。范围为 35V7Vss工作电源负端。一般接 0V10IB运算放大器偏置电流设置端。经RB接VSS端，RB取值为1M左右151IN-第一级运放放大器的反相输入端141IN+第一级运放放大器的冋相输入端161OUT第一级运算放大器的输出端132IN-第二级运算放大器的反相输出端122OUT第二级运算放大器的输出端9Vc触发禁止端。当 Vc v VR时禁止触发；当 VC VR时允许触发。VR疋0.2VDD。8VRF参考电压及复位输入端。一般接VDD。接“ 0”时可使定时器复位

11、1A可重复触发和不可重复触发控制端。当A= “1”时，允许重复触发，当 A=：“ 0 ”时，不可重复触发。2Vo控制信号输出端。由 Vs上跳边沿触发使 Vo从低电平跳变到高电平时为有 效触发。在输出延时间 Tx之外和无Vs上跳变时Vo为低电平状态。3RR1输出延迟时间 Tx的调节端。Tx疋49152R1C14RC16RR2触发封锁时间Ti的调节端。Tx疋24R2C25RC23. BIS0001内部框图及工作原理利用运算放大器 0P1组成传感信号预处理电路，将信号放大。然后耦合给运算放大器 0P2,再进行第二级放大。同时将直流电位抬高为VM C 0.5 VDD )后，送到有比较器 C0P1和C0

12、P2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号 Vs。由于VH衣0.7 VDD、VL衣0.3 VDD，所以，当VDD=5V时，可有效地抑制土 1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。C0P3是一个条件比较器。 输入电压Vcv VR ( 0.2 VDD )时，C0P3 输出为低电平封住了与门 U2，禁止触发信号 Vs向下级传递；而当 VC VR时，C0P3输出为高电平，打 开与门U2，此时若有触发信号 Vs的上跳边沿来到，则可启动延时时间定时器，同时Vo端输出为高电平，进入延时周期。匚11 I匚 I匚KFSLI图7-6BIS0001内部框图-：. rhH4 :f j-. ；i I NliJ1U I.id I-

13、1li iZ ，1IX匚1 1当A端接“ 0”电平时，在Tx时间内任何V2的变化都被忽略，直至 Tx时间结束，即所谓不可重复 触发工作方式。当 Tx时间结束时，Vo下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。在Ti周期内，任何V2的变化都不能使Vo为有效状态。这一功能的设置，可有效抑制负载切换过程中产生的各 种干扰。在Vc= “0”、A= “0”期间，Vs不能触发Vo为有效状态。在 Vc= “1”、A= “1”时，Vs可重复触发 Vo为有效状态，并在 Tx周期内一直保持有效状态。在Tx时间内，只要有 Vs得上跳变，则 Vo将从Vs上跳变时刻算起继续延长一个Tx周期；若Vs保持为“

14、1”状态，则Vo 直保持有效状态；若 Vs保持为“0”状态，则在Tx周期结束后Vo恢复为无效状态，并且在封锁时间Ti时间内，任何 Vs的变化都不能触发Vo为有效状态。拓nnA 11L111tVCVO1111 1 Tx hi 1Tx i lil图7-7BIS0001不可重复触发工作方式區 n 口 口口 口 n n图7-8BIS0001可重复触发工作方式如图7-9是BIS0001的典型电路模块，目前在电子市场上常见。其运算放大器 0P1作为热释电红外传感器的前置放大。由 C3耦合给运算放大器 0P2进行第二级放大。再经由电压比较器C0P1和C0P2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号去启动延迟

15、时间定时器。输出信号经晶体管 T1、驱动继电器去接通负载。R3为光敏电阻，用来检测环境照度。当作为照明控制时，若环境较明亮，R3的电阻值会降低，使9脚输入为低电平而封锁触发信号，节省照明用电。若应用于其他方面，则可用遮光物将其罩住而不受 环境影响。SW1是工作方式选择开关， 当SW1与1端连通时，红外开关处于可重复触发工作方式；当SW1与2端连通时，红外开关则处于不可重复触发工作方式。|DSGCl0. OluR2RL2M 15F尸C4H Hh 16a 0 lu147kLC310u+12V98昌10rr12R5 II 13厂：T1图7-9BIS0001典型电路模块7.5其他应用电路 1.婴幼儿睡

16、眠状况告知器电路如图7-10, RDP-18是国产的红外热释电传感器，在探测区域内有手、脚或身子等轻轻地人体运动， 红外探测组件中可重复触发的延时定时器（RC定时元件）便会被启动或维持启动后的状态。启动的定时器同进驱使内部的开路输出晶体管导通。K1VT1通过RDP获得偏置, 结果向空中发射出电磁波。在图7-10 婴幼儿睡眠状态告知电路VT1导通，音乐集成块KD-9300以及由三极管 VT2等组成的振荡电路得电,50M范围内只要利用调频收音机就可听到音乐声。电路中，VT2，电感L,电容C3、C6、C7等组成了电容三点式振荡器，产生等幅超高频振荡。音乐 集成块输出的音频信号，通过C2加到VT2的基

17、极，实现调频，调制后的超高频信号由L抽头引出，经C4由天线发射出去。发射频率在88108MHz调频段。当婴儿睡沉后，RDP-18就探测不到人体的活动信息，内部定时器延时一过便会复位，并将输出晶体 管截止。于是 VT1也截止，对应音乐集成块以及VT2振荡器断电，调频收音机中不再发出音乐声，只有轻轻的“沙沙”声。2. 楼道照明开关电路此照明开关装于楼道出入口，夜晚，行人由楼道口出入时，照明灯自动点亮一段时间后熄灭。白天， 照明灯自动停止工作。主要元件是一片热释电红外探测模块HN911L和一只V-MOS管。HN911L内部集成了高灵敏度红外传感器PIR、放大器、信号处理电路、输出电路等，能够遥测人体

18、移动时所发出的微弱红外信号，在输出 端得到放大后的电信号。V-MOS场效应管输入阻抗极高，接在栅源间的电容充电后，电容电压可保持很长时间，在此期间， V-MOS管导通。利用这一特点，可实现延时功能。经过降压、整流、稳压、滤波后得到12V。再经过R2降压、DW3稳压、C3滤波后得到6V电压。作IC1电源。当IC1未探测到红外信号时，输出端2脚为高电平。VT1无基极偏置而截止， VT2也截止，灯泡ZD不亮。有人进入楼道口时，移动人体发出的红外线被检测到，经IC1处理后，2脚输出低电平，VT1导通。12V直流电压经 VT1、VD3给电容C4充电，VT2迅速饱和导通，灯泡 ZD亮。人走过后，IC1的2脚恢复高电平，VT1截止。这时，C4放电期间维持 VT2继续导通。随着 C4上电 压的下降，VT2由饱和区进入放大区直至截止区，ZD亦相应地由亮逐渐变暗直至熄灭。电路中，RP1为IC1的增益调节电阻，RP2为照明延时时间调整电位器，CDS为光敏电阻，白天受光照，电阻极小，使IC1增益极低，2脚不输出电平，