熱釋電傳感器原理與應(yīng)用

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯熱釋電傳感器原理與應(yīng)用 一、前言 熱釋電紅外傳感器是一種特別有應(yīng)用潛力的傳感器。它能檢測(cè)人或某些動(dòng)物放射的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。早在1938年，有人就提出利用熱釋電效應(yīng)探測(cè)紅外輻射，但并未受到重視。直到六十年月，隨著激光、紅外技術(shù)的快速進(jìn)展，才又推動(dòng)了對(duì)熱釋電效應(yīng)的討論和對(duì)熱釋電晶體的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。近年來(lái)，伴隨著集成電路技術(shù)的飛速進(jìn)展，以及對(duì)該傳感器的特性的深化討論，相關(guān)的專用集成電路處理技術(shù)也快速增長(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)。二、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

2、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 等）、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T的變化時(shí)，熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩

3、個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生電荷Q，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱電壓V。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Q會(huì)跟空氣中的離子所結(jié)合而消逝，當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí)，T=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T，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(méi)有變化，傳感器也沒(méi)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(jiàn)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(guò)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)（

4、約5mm以下）可很好濾除。熱釋電元件PZT將波長(zhǎng)在8mm12mm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掩蓋有特別的菲涅耳濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的抑制作用。菲涅耳透鏡（圖3）依據(jù)菲涅耳原理制成，把紅外光線分成可見(jiàn)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。菲涅耳透鏡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)。假如我們?cè)跓犭娫由线m

5、當(dāng)?shù)碾娮?，?dāng)元件受熱時(shí)，電阻上就有電流流過(guò)，在兩端得到電壓信號(hào)。三、被動(dòng)式熱釋電紅外%傳感器%的工作原理與特性在自然界，任何高于肯定溫度（-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)與溫度的凹凸是相關(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)人體放射的紅外線而進(jìn)行工作的。紅外線通過(guò)菲涅耳濾光片增加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

6、含兩個(gè)相互串聯(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，隱藏性好，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，簡(jiǎn)單受各種熱源、光源干擾；被動(dòng)紅外穿透力差，人體的紅外輻射簡(jiǎn)單被遮擋，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

7、物體檢測(cè)力量比較差。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)，但是利用特別信號(hào)處理方法后，仍舊使它在某些領(lǐng)域具有寬闊的應(yīng)用前景。因此，有許多生產(chǎn)商依據(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 PT8A26XXP、WELTREND WT8072,BISS0001。本文對(duì)PTI（百利通電子有限公司）專用芯片PT8A26XXP作一個(gè)應(yīng)用實(shí)例的介紹。圖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)規(guī)律掌握器。其它是依靠處理結(jié)果的掌握部分，這里重點(diǎn)介紹PIR信號(hào)處理部分，掌握部分就簡(jiǎn)潔略

8、過(guò)。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，詳細(xì)處理步驟如下：濾波放大一般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0.3Hz7Hz。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)定牢靠，電路中特殊集成了一個(gè)穩(wěn)壓器用于給傳感器、放大器和比較器供電。窗口比較器經(jīng)過(guò)放大后的信號(hào)通過(guò)窗口比較器后檢出滿意幅值要求的信號(hào)后，再轉(zhuǎn)換成一系列數(shù)字脈沖信號(hào)。噪聲抑制數(shù)字信號(hào)處理依據(jù)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)以及傳感器的特性的長(zhǎng)期討論，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

9、的人體信號(hào)，這里由系統(tǒng)振蕩器供應(yīng)時(shí)鐘源（16kHz）。詳細(xì)判別方法如下4： 判別操作限制在2s內(nèi)； 脈沖寬度低于24ms的都算作噪聲，不予處理；單個(gè)有效脈沖：寬度必需大于340 ms；雙脈沖，其中寬的必需大于160ms ，窄的大于 24ms ；三個(gè)脈沖有效，每個(gè)都必需大于 24ms 。經(jīng)過(guò)上述三步處理后就能精確、牢靠地推斷人體信號(hào)。依據(jù)詳細(xì)應(yīng)用場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)既定掌握，例如報(bào)警器自動(dòng)告警，自動(dòng)開(kāi)啟某個(gè)設(shè)備。 PT8A26XX 系列主要是用于自動(dòng)延時(shí)開(kāi)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)處理器性能和牢靠性的不斷提高，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)