第六章、 热释电红外传感器及其应用

1、第六章、第六章、 热释电红外传感器及其应用热释电红外传感器及其应用 热释电红外传感器是一种被动式调制型温度热释电红外传感器是一种被动式调制型温度敏感器件，利用热释电效应工作，它是通过目标敏感器件，利用热释电效应工作，它是通过目标与背景的温差来探测目标的。其响应速度虽不如与背景的温差来探测目标的。其响应速度虽不如光子型，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、光子型，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波长无关，容易使用。这工作频率宽，灵敏度与波长无关，容易使用。这种探测器，灵种探测器，灵敏度高，探测面广，是一种可靠性敏度高，探测面广，是一种可靠性很强的探测器。因此广泛应用于各类

2、入侵报警器，很强的探测器。因此广泛应用于各类入侵报警器，自动开关、非接触测温、火焰报警器等，目前生自动开关、非接触测温、火焰报警器等，目前生产有单元、双元、四元、产有单元、双元、四元、180等传感器和带有等传感器和带有PCB控制电路的传感器。常用的热释电探测器如：控制电路的传感器。常用的热释电探测器如：硫酸三甘钛（硫酸三甘钛（TGS）探测器、铌酸锶钡（）探测器、铌酸锶钡（SBN）探测器、钽酸锂（探测器、钽酸锂（LiTaO3）探测器、锆钛酸铅）探测器、锆钛酸铅（PZT）探测器等。）探测器等。热释电效应：当一些晶体受热时，在晶体两端将会热释电效应：当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号

3、相反的电荷。这种由于热变化产生数量相等而符号相反的电荷。这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。而产生的电极化现象称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被空气中通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被空气中附集在晶体外表面的自由电子所中和，其自发极化附集在晶体外表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能显示出来。当温度变化时，晶体结构中的电矩不能显示出来。当温度变化时，晶体结构中的正、负电荷重心产生相对位移，晶体自发极化值就正、负电荷重心产生相对位移，晶体自发极化值就会发生变化，在晶体表面就会产生电荷，对外显示会发生变化，在晶体表面就会产生电荷，对外显示电性。电性。 若温度对时间

4、的变化率为若温度对时间的变化率为Dt/dt，极化强度，极化强度PS 对对时间的变化率为时间的变化率为dPs/dt，它相当于外电路上流动的，它相当于外电路上流动的电流。射电极面积为电流。射电极面积为A，则信号电压的大小为：，则信号电压的大小为：U=ARL dPs/dt=ARL dPs/dT dT/dt，A为敏感元面积，为敏感元面积，RL为负载电阻；为负载电阻；dPs/dT为常数。为常数。1. 热释电红外传感器的结构热释电红外传感器的结构n 常见的热释电红外传感常见的热释电红外传感器的外形如图所示。器的外形如图所示。n热释电红外传感器由敏感热释电红外传感器由敏感元、场效应管、高阻电阻元、场效应管、

5、高阻电阻等组成，并向壳内充入氮等组成，并向壳内充入氮气封装起来，内部结构如气封装起来，内部结构如下图所示。下图所示。常见热释电红外传感器的外形热释电传感器的内部结构n 敏感元敏感元n敏感元用红外热释电材料敏感元用红外热释电材料 锆钛酸铅锆钛酸铅(PZT)制成制成，经极化处理后，其剩余极化强度随温度，经极化处理后，其剩余极化强度随温度T升高升高而下降。制作敏感元件时，将热释电材料制成很而下降。制作敏感元件时，将热释电材料制成很小的薄片，再在薄片两面镀上电极，构成两个串小的薄片，再在薄片两面镀上电极，构成两个串联的、有极性的小电容。把两个极性相反的热释联的、有极性的小电容。把两个极性相反的热释电敏

6、感元做在同一晶片上，由于温度的变化影响电敏感元做在同一晶片上，由于温度的变化影响整个晶片产生温度变化时，两个敏感元产生的热整个晶片产生温度变化时，两个敏感元产生的热释电信号互相抵消，起到补偿作用。释电信号互相抵消，起到补偿作用。n使用热释电传感器时，通常要在使用菲涅尔透镜使用热释电传感器时，通常要在使用菲涅尔透镜将外来红外辐射通过透镜会聚光于一个传感元上将外来红外辐射通过透镜会聚光于一个传感元上，它产生的信号不会被抵消。，它产生的信号不会被抵消。n 热释电传感器的持点是它只在由于外界的辐射而热释电传感器的持点是它只在由于外界的辐射而引起它本身的温度变化时，才会给出一个相应的引起它本身的温度变化

7、时，才会给出一个相应的电信号，当温度的变化趋于稳定后，就再没有信电信号，当温度的变化趋于稳定后，就再没有信号输出，即热释电信号与它本身的温度的变化率号输出，即热释电信号与它本身的温度的变化率成正比。因此，热释电传感器只对运动的人体或成正比。因此，热释电传感器只对运动的人体或物体敏感。物体敏感。 传感器内部接线图 场效应管及高阻值电阻场效应管及高阻值电阻Rg 敏感元的阻值可达敏感元的阻值可达1013，因此需用场效应管进行阻，因此需用场效应管进行阻抗变换才能应用。场效应管常用抗变换才能应用。场效应管常用2SK303V3，2SK94X3等等型号，用来构成源极跟随器。高阻值电阻型号，用来构成源极跟随器

8、。高阻值电阻Rg的作用是释放的作用是释放栅极电荷，使场效应管安全正常工作，源极输出接法时，栅极电荷，使场效应管安全正常工作，源极输出接法时，源极电压约源极电压约0.4一一1.0V。如传感器内部接线图如下图所示。如传感器内部接线图如下图所示。 红外滤光片透射曲线 滤光片滤光片(FT) PZT制成的敏感元件是一种光谱材料，能探测各种制成的敏感元件是一种光谱材料，能探测各种 波长辐射。波长辐射。为了使传感器对人体最敏感，而对太阳、电灯光等有抗干扰性，为了使传感器对人体最敏感，而对太阳、电灯光等有抗干扰性，传感器采用了滤光片作窗口。滤光片是在传感器采用了滤光片作窗口。滤光片是在Si基片上镀多层膜制成基

9、片上镀多层膜制成的。每个物体都能发出红外辐射，其辐射峰值波长满足维恩位移的。每个物体都能发出红外辐射，其辐射峰值波长满足维恩位移定律。定律。对于人体体温对于人体体温(约约36)，辐射的最长波长为，辐射的最长波长为 m=2898309=9.4m，也就是说，人体辐射在，也就是说，人体辐射在9.4m处最强，红外滤光片处最强，红外滤光片选取了选取了6.514m波段，能有效地选取人体的红外辐射。红外滤波段，能有效地选取人体的红外辐射。红外滤光片透射曲线如上图所示。由图可见，小于光片透射曲线如上图所示。由图可见，小于6.0m的光锐减至的光锐减至0，6.515.0m的辐射，其透射率达的辐射，其透射率达60以

10、上，因此，以上，因此，FT可以有效可以有效地防止、抑制电灯、太阳光的干扰，但对电灯发热引起的红外辐地防止、抑制电灯、太阳光的干扰，但对电灯发热引起的红外辐射光有时也能产生误动作。热释电传感器常用于防盗报警、自动射光有时也能产生误动作。热释电传感器常用于防盗报警、自动门、自动灯等。门、自动灯等。 2. 热释电红外传感器的应用热释电红外传感器的应用 人体探测防盗报警器人体探测防盗报警器 菲涅尔透镜菲涅尔透镜(FRESNEL LENS) 热释电传感器的前面要加菲涅尔透镜才能增加探测距离。热释电传感器的前面要加菲涅尔透镜才能增加探测距离。菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的透镜组，它上面菲涅尔透镜是

11、一种由塑料制成的特殊设计的透镜组，它上面的每个单元透镜一般都只有一个不大的视场，而相邻的两个的每个单元透镜一般都只有一个不大的视场，而相邻的两个单元透镜的视场既不连续，也不重叠，都相隔一个盲区。它单元透镜的视场既不连续，也不重叠，都相隔一个盲区。它的外型如下图所示。的外型如下图所示。菲涅尔透镜的外形 CE-024型菲涅尔透镜的视场的侧视图和俯视图如下图型菲涅尔透镜的视场的侧视图和俯视图如下图所示。当人体在这一监视范围内运动时，顺次地进入某一单所示。当人体在这一监视范围内运动时，顺次地进入某一单元透镜的视场，又走出这一视场，热释电传感器对运动的人元透镜的视场，又走出这一视场，热释电传感器对运动的

12、人体一会儿看到，一会儿看不到，再过一会又看到，之后又看体一会儿看到，一会儿看不到，再过一会又看到，之后又看不到，于是人体的红外辐射不断地改变热释电不到，于是人体的红外辐射不断地改变热释电菲涅尔透镜的视场的温度，使它输出一个又的温度，使它输出一个又一个相应的信号。从图示一个相应的信号。从图示的视场图可以看出，菲涅的视场图可以看出，菲涅尔透镜是有防盗盲区的，尔透镜是有防盗盲区的，安装在安装在2m高处的菲涅尔透高处的菲涅尔透镜存在着小于镜存在着小于1m的盲区，的盲区，在图示的黑影之下。在图示的黑影之下。 不加菲涅尔透镜，探不加菲涅尔透镜，探测距离仅为测距离仅为2m左右，加上左右，加上菲涅尔透镜后，其

13、探测距菲涅尔透镜后，其探测距离可达离可达10米，若采用双重米，若采用双重反射型菲涅尔透镜，其探反射型菲涅尔透镜，其探测距离可达测距离可达20m以上。以上。 探测电路探测电路 人体进入探测范围内，传感器的输出信号频率大人体进入探测范围内，传感器的输出信号频率大约为约为0.110Hz，这频率范围是由菲涅尔送人体运动，这频率范围是由菲涅尔送人体运动速度和热释电传感器本身的特性决定的。其探测电速度和热释电传感器本身的特性决定的。其探测电路由检测、放大、比较电路、延时电路与驱动电路路由检测、放大、比较电路、延时电路与驱动电路组成。组成。 检测放大电路：检测放大电路由热释电传感器检测放大电路：检测放大电路

14、由热释电传感器SD02及滤波放大器及滤波放大器A1、A2等组成，具有等组成，具有4000多多倍的放大能力。倍的放大能力。 比较器电路：比较器电路：A3组成电压比较组成电压比较器，无报警信号时输出低电平；当有人入侵时，器，无报警信号时输出低电平；当有人入侵时，比较器翻转比较器翻转LED亮，当人体运动时则输出一串脉亮，当人体运动时则输出一串脉冲。冲。 延时驱动电路：延时驱动电路： 555，555和和VT2组成组成延时、驱动电路。当延时、驱动电路。当A3输出一个正脉冲，输出一个正脉冲，C12充充电，无脉冲电，无脉冲C12将通过将通过R17放电；若人在报警区移放电；若人在报警区移动，动，C12不断允电

15、，当达到一定电压时，不断允电，当达到一定电压时，VT1触发触发555，使，使VT 2导通，吸合继电器，使其控制报警导通，吸合继电器，使其控制报警器。器。 555组成延时电路。避免开机瞬间的误报组成延时电路。避免开机瞬间的误报警。警。 集成红外探测报警器集成红外探测报警器 被动红外探测控制集成电路被动红外探测控制集成电路TWH9511 TWH系列系列PIR(热释电传感器热释电传感器)控控制电路采用大规模制电路采用大规模CMOS数字电路及数字电路及微型元件固化封装，具有性能指标高，微型元件固化封装，具有性能指标高，一致性好，外围电路简单，安装方便，一致性好，外围电路简单，安装方便，无需调试等特点。

16、无需调试等特点。该电路按信该电路按信表表10.1.1号输出号输出方式方式可分为三种：可分为三种：交流供电继交流供电继电器输出型电器输出型TWH9511；交流供电可交流供电可控硅输出型控硅输出型TWH9512；直流供电集直流供电集电极输出型电极输出型TWH9513。 TWH95系列控制电路内部设计有两个高阻抗输入低噪声运算系列控制电路内部设计有两个高阻抗输入低噪声运算放大器，其总增益限制在放大器，其总增益限制在67dB之内，灵敏度可通过外接电阻进行之内，灵敏度可通过外接电阻进行调整。比较器为一个典型的窗口比较电路，其上下阈值经若干次调整。比较器为一个典型的窗口比较电路，其上下阈值经若干次选择后，

17、确定出最佳门限值。其比较放大电路由内部选择后，确定出最佳门限值。其比较放大电路由内部4V稳压电路稳压电路供电，设有温度补偿电路，因此增益不会随外界温度的变化而改供电，设有温度补偿电路，因此增益不会随外界温度的变化而改变。这种电路能抑制热气团流动所产生的红外干扰，误报率低，变。这种电路能抑制热气团流动所产生的红外干扰，误报率低，其探测距离达其探测距离达12米以上。米以上。TWH95系列电路，均有使能控制端系列电路，均有使能控制端RD，该脚悬空时为自动状态，接入光控元件可使电路白天待机，晚上该脚悬空时为自动状态，接入光控元件可使电路白天待机，晚上恢复自动工作。恢复自动工作。 电路内部均有为电路内部

18、均有为PIR预热的开机自动延时电路，延迟时间为预热的开机自动延时电路，延迟时间为45秒，使秒，使PIR预热后建立稳定的工作状态。内部还设置了输出延时系预热后建立稳定的工作状态。内部还设置了输出延时系统电路，统电路， 电路工作原理：电路工作原理： 接通电源后，电路处于开机延时状态，接通电源后，电路处于开机延时状态，PIR传感器加电预热传感器加电预热45秒，延时结束，电路进入自动检测状态。如果有人进入探测区，人秒，延时结束，电路进入自动检测状态。如果有人进入探测区，人体辐射的红外线被体辐射的红外线被PIR传感器探测到，输出幅度约传感器探测到，输出幅度约1mV，频率在，频率在0.37Hz(与人体移动速度及透镜型号有关与人体移动速度及透镜型号有关