红外线传感器的发展与应用

1、红外线传感器的发展与应用一、引言宇宙间的任何物体只要其温度超过零度就能产生红外辐射，事实上同可见光 一样，具辐射能够进行折射和反射，这样便产生了红外技术利用红外光探测 器因其独有的优越性而得到广泛的重视，并在军事和名用领域得到了广泛的应用。 军事上，红外探测用于制导、火控跟踪、警戒、目标侦查、武器热瞄准器、舰船 导航等。在民用领域，广泛应用于工业设备监控、安全监视、救灾、遥感、交通 管理以及医学诊断技术等。红外探测就是用仪器接受被探测物发出或者反射的红 外线从而掌握被测物所处位置的技术。作为红外探测系统的核心期间，红外传感 器（也称为红外探测器）的研究成为一个热点。二、红外传感器的综述红外传感

2、器的定义红外线传感器（infrared transducer ）是用红外线的物理性质来进行测量的传感 器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。它是一 种不可见光，其光谱位于可见光中红色以外，所以称红外线。工程上把红外线 占据在电磁波谱中的位置（波段）分为：近红外、中红外、远红外、极远红 外四个波段。任何物质，只要它本身具有一定的湿度（高于绝对零度），都能辐射红外线。特点红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏 度高，响应快等优点。可测量的物理量红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、 军事、空间技术和环境工程等领域得到

3、广泛应用。红外传感器的原理红外线传感器是利用物体产生红外辐射的特性，实现自动检测的传感器。在物理学中，我们已经知道可见光、不可见光、红外光及无线电等都是电磁波， 它们之间的差别只是波长（或频率）的不同而已。下面是将各种不同的电磁波按照 波（或频率）排成如下图所示的波谱图，称之为电磁波谱。州 1大黑霹忖一|h 电离 *1卜|一 电机瞽荔 -产生.I s T T B1S I a I曲 i If i U # M- i.单lift. 0上弊_上. ,厚 ！。皿布中制制 用 ml oil中低V * 摘 Q 电磁源波谱图从图中可以看出，红外线属于不可见光波的范畴，它的波长一般在 0.76 -600仙m之间

4、（称为红外区。而红外区通常又可分为近红外（0.731.5 m m）、中红外（1.5 10仙m刖远红外（10 m m以上）300 m m以上的区域又称为 “亚毫米波”。近年来，红外辐射技术已成为一门发展迅速的新兴学科。他已经广泛应用于 生产、科研、军事、医学等各个领域。、红外辐射的产生及其性质红外辐射是由于物体（固体、液体和气体）内部分子的转动及振动而产生的。这类振动过程是物体受热而引起的，只有在绝对零度（-273.16 C）时，一切物体的分子才会停止运动。所以在绝对零度时，没有一种物体会发射红外线。换 言之，在一般的常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。例如火焰、轴承、 汽车、飞机、动植物甚

5、至人体等都是红外辐射源。红外线和所有的电磁波一样， 具有反射、折时 散粒干涉K吸收等恤,但它的t点1热浏汨席大,缈陶兴空中传播的 速度c=3x 108m/s,而在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使它产生 衰减。红外传感器的组成红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路，主要有两部分组成：红 外辐射源，有红外辐射的物体就可以视为红外辐射源； 红外探测器，能将红外辐 射能转换为电能的光敏器件。红外传感系统的分类红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标， 确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（

6、3）热成像系统，可产生整个目标红外 辐射的分布图象；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以各类系统中 的两个或者多个的组合。红外传感器工作原理：（1）待侧目标。根据待侧目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。（2）大气衰减。待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子各 种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。(3)光学接收器。它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当 于雷达天线，常用是物镜。(4)辐射调制器。对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标 方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。(5)红外探

7、测器。这是红外系统的核心。它是利用红外辐射与物质相互作 用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作 用所呈现出来的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类 型。(6)探测器制冷器。由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系 统必须有制冷设备。经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。(7)信号处理系统。将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取 出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示 器中。(8)显示设备。这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显象 管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。三、产品介

8、绍一一热释电红外传感器简介热释电红外传感器简称热释电传感器，通常用字母“ PIR”表示。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。 近年来，伴随着集成电路技术 的飞速发展，以及对该传感器的特性的深入研究，相关的专用集成电路处理技术 也迅增长。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，

9、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。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发也廖嚏此的眈国化生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图1表 示了热释电效应形成的原理。科电不e e e e e e e 19 e 热释电效应的形成腐理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 ）、压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）热释电传感器利用的 正是热释电效应，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

10、测范围内温度有 AT的变化时，热释电效应 会在两个电极上会产生电荷 A Q,即在两电极之间产生一微弱电压 A 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A 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，AT=O,传感器无输出。当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生AT, 则有信号输出；若人体进入检测区后不动，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 路如下图所示。传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZK场效应管FET等组成。其中，滤光片设置在窗口处，组成红

11、外线通过的窗口。滤光片为6m/层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5mm以下）可很好滤除。热释电元件PZT将波长在8mm12mm：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。静释电红外传感器的笄枸及内部电路AJIF M 十；川：i菲涅耳透镜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(PIR)灵敏度大大增加。菲涅耳透镜折射式 和反射式两种形式，具作用一是聚焦作用，将热释的红外信号折射(反射)在 PIR上；二是将检测区内分为若

12、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PIR上产生变化热释红外信号，这样 PIR就能产生变化电信 号。如果我们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。四、具体应用一一被动式热释电红外传感器被动式热释电红外传感器的工作原理与特性在自然界，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。人体都有恒定的体温，一般在 370 C 左右，会发出10mm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

13、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，后检测处理后就能产生报警信号。被动红外探头，具传感器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 (见热释电红外传感器的结 构及内部电路图)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。抗干扰性能：1、防小动物干扰：探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上地小 动物，一般不产生报警。2、抗电磁干扰：探测器的抗电磁波干扰性能符合 GB10408中4.6.1要求，一 般手机电磁干扰不会引起误

14、报。3、抗灯光干扰：探测器在正常灵敏度的范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃 照射，不产生报警。优缺点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；被动红外探测器的主要 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。建议改进措施从安装上消除误报率红外线热释电传感器只能安装也有限定，其误报率与安装的位置

15、和方式有极大的关系。正确的安装应满足下列条件：(1)红外线热释电传感器应离地面 2.0-2.2米。(2)红外线热释电传感器远离空调冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。(3)红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、 家具、大型盆景或其他隔离物。(4)红外线热释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气 流活动的地万。利用菲涅耳原理提高热释电红外传感器的敏感度菲涅耳透镜根据菲涅耳原理 制成，利用透镜的特殊光学原理，把红外光线分成可见区和盲区，在探测器前方 产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏

16、度。当 有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏 区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而增强其能量 幅度，同时又有聚焦的作用，使热释电人体红外传感器（PIR）灵敏度大大增加。 由此可知，热释电红外传感器应与非涅尔透镜配合使用，才能提高其灵敏度。消除干扰红外线本身发出的是几乎恒频的电磁波，除此之外为了抗干扰或避 免互相干扰，要对其进行调制，一次调制是恒频的载波，若要是分辨出具体指令， 还需要用指令信号对载波进行调制， 其实是二次调制了。此处可以具体问题，具 体调制。增加光谱选择性热释电红外传感器的工作原理为热电晶体的热释电效应。（由于热释电探测

17、器的性能随着热量的下降而降低，所以良好的热绝缘结构是制作高 性能热释电探测器的关键，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及 钥酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成），就热释电传感器器来说，响应 时间较长，但相应来说响应速度慢。为毫秒级，峰值探测率低，由于响应波段 较宽，且没有光谱选择性，所以需加滤光片，用来解决既定问题。虽然被动式热 释电红外探头有些缺点，但是利用特殊信号处理方法后，仍然使它在某些领域具 有广阔的应用前景因此，有很多生产商根据PIR传感器的特性设计了专用信号处理器，比 HOLTEK HT761XPTI PT8A26XXP WELTREND WT8072,BISS000

18、1 本文此处对PTI （百利通电子有限公司）专用芯片PT8A26XXP乍一个应用实例的 介绍，用以对其信号缺陷方面的改进措施作具体阐述。州立心小 占51mn3apnmkhGMTOTia rwic人体殛应升于方框图入体用应开美的信号处理过程人体感应开关方框图中阴影部分是 PIR信号处理部分，有两个运算放大器、一个 窗口比较器、一个稳压、一个系统振荡器和一个逻辑控制器。其它是依赖处理结 果的控制部分，这里重点介绍 PIR信号处理部分，控制部分就简单略过。由于PIR信号变化缓慢、幅值小，针对该特点，专用信号处理器一般分为三步处 理，具体处理步骤如下：(1)滤波放大：普通PIR传感器输出信号幅值一般都很小，大约几百微伏到几 毫伏，为了后续电路能作有效的处理，考虑到传感器的信噪比，通常取增益 72.5dB,通带0.3Hz7Hz。同时，由于是处理模拟小信号，所以为了保证放大器 的工作稳定可靠，电路中特别集成了一个稳压器用于给传感器、 放大器和比较器 供电。(2)窗口比较器：经过放大后的信号通过窗口比较器后检出满足幅值要求的信 号后，再转换成一系列数字脉冲信号。(3)噪声抑制数字信号处理：根据对人体运动特点以及传感器的特性的长期研 究，用固定时间内计脉冲个数和测脉冲宽度的方法来甄别有效的人体信号，这